HUBER, Kurt (Moosglöckchenweg 6, München, 80995, DE)
LOCHNER, Stefan (Wiesenweg 9b, Grafing, 85567, DE)
HUBER, Kurt (Moosglöckchenweg 6, München, 80995, DE)
| Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft mit einem Hauptwärmetauscher (6), mit einem Destilliersäulen-System zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung (5), das eine Doppelsäule (5) aufweist, die eine Hochdrucksäule und eine Niederdrucksäule enthält, mit einer Mischsäule (1) und mit Mitteln zum Einleiten von Einsatzluft über den Hauptwärmetauscher (6) in die Hochdrucksäule und in die Mischsäule, mit einer Flüssigsauerstoffleitung zum Einleiten von flüssigem Sauerstoff aus der Niederdrucksäule in den oberen Bereich der Mischsäule (1) und mit einer Sauerstoffproduktleitung zum Abziehen von Sauerstoffgas aus dem oberen Bereich der Mischsäule (1) durch den Hauptwärmetauscher (6), wobei die Mischsäule (1) und die Doppelsäule (5) in einer gemeinsamen Coldbox (3) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1 ) über Verbindungselemente (10, 11) an der Doppelsäule (5) befestigt ist. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1 ) nicht von unten abgestützt ist. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwärmetauscher (6) in einer weiteren, von der gemeinsamen Coldbox (3) getrennten Coldbox (12) angeordnet ist. 4. Vorrichtung nach einem der Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Unterkühlungs-Gegenströmer (2), der in der weiteren Coldbox (12) angeordnet ist. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen Unterkühlungs-Gegenströmer (2), der in der gemeinsamen Coldbox (3) unterhalb der Mischsäule (1) angeordnet ist. 6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das obere Ende (24) der Mischsäule (1) mindestens auf der Höhe des oberen Endes (15) der Doppelsäule (5) oder höchstens um ein Fünftel der Länge der Doppelsäule (5) unterhalb des oberen Endes der Doppelsäule (5) angeordnet ist. 7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischsäule (1) in einer Ecke eines Rechtecks (14) angeordnet ist, das in der Horizontalen liegt, parallel zu den Wänden der gemeinsamen Coldbox (3) orientiert ist und die Außenwände der von Mischsäule (1) und Doppelsäule (5) berührt. |
Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegunq von Luft
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Luftzerlegungsverfahren mit Mischsäule sind seit den siebziger Jahren des vorigen Jahrhunderts bekannt (DE 2204376 = US 4022030). Außerdem sind solche Verfahren in US 5454227, US 5490391 , DE 19803437 A1 , DE 19951521 A1 , EP 1 139046 B1 (= US 2001052244 A1), EP 1284404 A1 (=US 6662595 B2), DE 10209421 A1 , DE 10217093 A1 , EP 1376037 B1 (=US 6776004 B2), EP 1387136 A1 und EP 1666824 A1 offenbart. Diese Schriften zeigen nur schematische Verfahrensdiagramme und enthalten keine Information über die räumliche Anordnung der Mischsäule in Bezug auf die übrigen Apparateteile. Eine Coldbox dient zur thermischen Isolierung von Anlagenteilen (siehe zum Beispiel Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 1985, insbesondere Seiten 490 und 491). Unter einer "Coldbox" wird hier eine isolierende Umhüllung verstanden, die einen
wärmeisolierten Innenraum vollständig mit Außenwänden umfasst; in dem Innenraum sind zu isolierenden Anlagenteile angeordnet, zum Beispiel ein oder mehrere
Trennsäulen und/oder Wärmetauscher. Die isolierende Wirkung kann durch
entsprechende Ausgestaltung der Außenwände und/oder durch die Füllung des Zwischenraums zwischen Anlagenteilen und Außenwänden mit einem Isoliermaterial bewirkt werden. Bei der letzteren Variante wird vorzugsweise ein pulverförmiges Material wie zum Beispiel Perlite verwendet.
Aus DE 19904526 A1 ist bekannt, Hochdrucksäule, Niederdrucksäule und Mischsäule nebeneinander auf dem Boden anzuordnen. In US 6167723 wird ebenfalls empfohlen, die Mischsäule auf dem Boden aufzustellen, hier ist die Niederdrucksäule oberhalb der Mischsäule angeordnet, die Hochdrucksäule steht daneben. Auch in DE 19919587 A1 steht die Mischsäule auf dem Boden; die Doppelsäule aus Hochdrucksäule und Niederdrucksäule ist oberhalb der Mischsäule aufgebaut.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Anordnung der
Anlagenteile einer Mischsäule zu finden.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Mischsäule über Verbindungselemente an der Doppelsäule befestigt ist. Grundsätzlich kann die Mischsäule an der
Hochdrucksäule und/oder der Niederdrucksäule angeheftet sein, vorzugsweise ist sie ausschließlich mit der Niederdrucksäule verbunden.
Durch diese Befestigungsmethode ist es - im Unterschied zu der konventionellen Anordnung der Mischsäule auf dem Boden oder auf einem auf dem Boden stehenden Gestell - möglich, die geodätische Höhe, auf der die Mischsäule angeordnet ist, frei zu wählen. Hierdurch kann der Transport von Flüssigkeiten in der Anlage optimiert werden. In vielen Fällen ist es möglich, Pumpen mit kleinerer Leistung einzubauen oder sogar auf eine oder mehrere Pumpen zu verzichten. Dies gilt insbesondere bei relativ niedrigem Druck in der Mischsäule beziehungsweise im Sauerstoffgas- Produktgas aus der Mischsäule.
Die Verbindungselemente können mit jeder bekannten Technik ausgeführt werden, beispielsweise als Profile, Rohre oder eine Kombination derartiger Elemente. Sie bestehen vorzugsweise aus dem gleichen Material wie die Kolonnenwände von Mischsäule und Doppelsäule oder aus einem ähnlichen Material und werden beispielsweise durch Schweißen mit diesen Kolonnenwänden verbunden. An der Berührungsstelle zwischen Verbindungselementen und Kolonnenwand werden vorzugsweise Pflaster beziehungsweise Verstärkungsbleche eingesetzt, die aus dem gleichen Material wie die Kolonnenwand bestehen. Die Verbindungselemente bestehen vorzugsweise aus Metallprofilen, die ebenfalls aus dem gleichen Material gebildet sind. Falls die gemeinsame Coldbox in der Fabrik vorgefertigt und
anschließend komplett zur Baustelle transportiert wird, muss die
Verbindungskonstruktion jedenfalls so stark sein, dass sie die Kräfte aus dem horizontalen Transport aufnimmt. Bei Bedarf kann am Pflasterblech zusätzlich eine Rahmenkonstruktion aus Cr-Ni-Stahl angebracht werden, welche die Konstruktion verstärkt, aber auch einen relativ großen Abstand zwischen den Kolonnen verursacht.
Grundsätzlich ist dabei möglich, die Mischsäule zusätzlich von unten abzustützen, etwa auf einem unterhalb der Mischsäule angeordneten weiteren Apparateteil. Im Rahmen der Erfindung wird die Mischsäule jedoch vorzugsweise nicht von unten abgestützt, sondern insbesondere ausschließlich durch die Verbindungselemente mit der Doppelsäule verbunden. Alle Angaben zur räumlichen Orientierung beziehen sich hier auf Ausrichtung der Vorrichtung während des Betriebs der Kolonnen.
Ein Behälter (zum Beispiel eine Säule oder ein Wärmetauscher) befindet sich
"oberhalb" (beziehungsweise "unterhalb") eines anderen Behälters, wenn sich seine Unterkante (Oberkante) auf höherem (niedrigerem) geodätischen Niveau als die
Oberkante (Unterkante) des anderen Behälters befindet. Dabei kann, muss aber nicht eine vertikale Linie existieren, die durch beide Behälter hindurchgeht. In der Projektion auf eine horizontale Ebene können sich die Querschnitte der beiden Behälter überschneiden, sie können aber auch vollständig versetzt zueinander angeordnet sein. Analog ist der Begriff "übereinander'V'untereinander" zu verstehen.
Es ist möglich, auch den Hauptwärmetauscher in der gemeinsamen Coldbox anzuordnen, sodass die Vorrichtung insgesamt nur eine einzige Coldbox aufweist. Hierbei besteht jedoch die Gefahr, dass die gemeinsame Coldbox die zulässigen Transportmaße überschreitet. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird deshalb der Hauptwärmetauscher in einer weiteren, von der gemeinsamen Coldbox getrennten Coldbox angeordnet. Die beiden Coldboxen können in der Werkstatt vorgefertigt und anschließend getrennt voneinander zur Baustelle transportiert werden. Die Vorrichtung kann außerdem einen Unterkühlungs-Gegenströmer aufweisen.
Der Unterkühlungs-Gegenströmer dient dazu, eine oder mehrere Flüssigkeiten aus einer der Säulen des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung oder der Mischsäule im Gegenstrom zu einem oder mehreren kalten gasförmigen Strömen, die in der Regel aus der Niederdrucksäule kommen, zu unterkühlen oder anzuwärmen. Insbesondere werden in einem Unterkühlungs-Gegenströmer flüssige Ströme, die mit Siedetemperatur aus einer Säule mit höheren Druck (zum Beispiel der
Hochdrucksäule) in eine Säule mit niedrigerem Druck (zum Beispiel die
Niederdrucksäule) entspannt werden, möglichst bis zu der Siedetemperatur abgekühlt, die dem niedrigeren Druckniveau entspricht. Dabei wird die Dampfmenge (Flash) bei der Entspannung vom höheren auf den niedrigeren Druck minimiert. Wenn der flüssige Sauerstoff aus der Niederdrucksäule vor der Einspeisung in die Mischsäule durch den Unterkühlungs-Gegenströmer geführt wird, wird dieser umgekehrt angewärmt, um möglichst nahe an den Siedepunkt unter dem - regelmäßig höheren - Druck der Mischsäule zu gelangen. Im Gegenzug dazu werden die kalten Ströme mit der
Tautemperatur aus den Säulen mit dem niedrigeren Druck angewärmt. Da diese
Ströme in den Hauptwärmetauscher gehen, wird die Prozessluft in die Hochdrucksäule ebenfalls wärmer, das heißt sie ist der Tautemperatur näher. Der Anteil der
vorverflüssigten Luft wird minimiert. Der Unterkühlungs-Gegenströmer kann bei einer Anlage mit zwei Coldboxen in der weiteren Coldbox angeordnet sein.
Alternativ wird der Unterkühlungs-Gegenströmer in der gemeinsamen Coldbox unterhalb der Mischsäule angeordnet. Dabei wird der Unterkühlungs-Gegenströmer vorzugsweise unterhalb der Mischsäule angeordnet und ist ebenfalls mit der
Doppelsäule, insbesondere mit der Hochdrucksäule, verbunden. Die Verbindung zur Doppelsäule wird durch ähnliche Verbindungselemente wie bei der Mischsäule realisiert. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das obere Ende der
Mischsäule mindestens auf der Höhe des oberen Endes der Doppelsäule oder höchstens um ein Fünftel der Länge der Doppelsäule unterhalb des oberen Endes der Doppelsäule angeordnet. Vorzugsweise hängt die Mischsäule so weit oben wie möglich. Unter bestimmten Bedingungen kann es sogar sinnvoll sein, die Box höher als für die Doppelsäule notwendig zu bauen, um den Transport der Sumpfflüssigkeit aus der Mischsäule in die Niederdrucksäule ohne Pumpe zu ermöglichen. Die zusätzlichen Stahlbaukosten können dabei durch die eingesparten Pumpenkosten überwogen werden. Dies gilt insbesondere für ein Verfahren mit Einblasung von Turbinenluft in die Mischsäule, wie es beispielsweise in US 5454227 oder US 5490391 gezeigt ist, wobei der Mischsäulendruck relativ niedrig ist, insbesondere unterhalb des
Hochdrucksäulendrucks. Bei höheren Mischsäulendrücken (hier wird die Turbinenluft meistens in die Niederdrucksäule eingeblasen wird, kann man die Mischsäule auch niedriger anordnen. Beispielsweise befinden sich die oberen Enden der Mischsäule und der Doppelsäule auf der gleichen geodätischen Höhe. Durch diese relativ hohe Position der Mischsäule kann auch bei relativ niedrigem Mischsäulendruck auf eine Pumpe zur Überleitung der Sumpfflüssigkeit der Mischsäule in die Niederdrucksäule verzichtet werden.
Wenn das obere Ende der Mischsäule oberhalb oder unterhalb der des oberen Endes der Doppelsäule angeordnet ist, liegt der vertikale Abstand zwischen dem oberen Ende der Doppelsäule und dem oberen Ende der Mischsäule vorzugsweise bei 0,4 m bis 7,0 m.
Besonders günstig ist eine Anordnung, bei der die Mischsäule in einer Ecke eines gedachten Rechtecks 14 angeordnet ist, das sich in der Horizontalen befindet, parallel zu den Wänden der gemeinsamen Coldbox orientiert ist und außerdem die
Außenwände von Mischsäule und Doppelsäule berührt. Gegenüber den Außenwänden der gemeinsamen Coldbox weist das gedachte Rechteck mindestens einen
Isolierabstand von 450 mm auf. Dadurch kann die Grundfläche der gemeinsamen Coldbox optimiert werden. Dabei ist zu beachten, dass die Schmalseite der Coldbox der Transporthöhe entspricht, die bei vorgefertigten Coldboxen einen Höchstwert nicht überschreiten darf; die andere Seite des Rechtecks ergibt sich daraus und sollte ansonsten möglichst klein sein. Für den Fall der Baustellenmontage wird die
Mischsäule so angeordnet, dass das Coldboxvolumen minimiert wird..
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Anordnung von
Mischsäule und Unterkühlungs-Gegenströmer übereinander in horizontaler Querschnittsdarstellung,
Figur 2 das erste Ausführungsbeispiel in vertikaler Querschnittsdarstellung,
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne Unterkühlungs- Gegenströmer in der gemeinsamen Coldbox und
Figur 4 die gemeinsame Coldbox des zweiten Ausführungsbeispiels in vertikaler
Querschnittsdarstellung. In dem Beispiel von Figur 1 sind eine Mischsäule 1 und ein Unterkühlungs- Gegenströmer 2 in einer gemeinsamen Coldbox 3 angeordnet. Hochdrucksäule und Niederdrucksäule des Destilliersäulen-Systems zur Stickstoff-Sauerstoff-Trennung sind als klassische Doppelsäule 5 realisiert und ebenfalls in der gemeinsamen Coldbox 3 untergebracht. Figur 2 zeigt dieselbe Anordnung in anderer Ansicht.
Von der gemeinsamen Coldbox 3 sind in Figur 1 nur die seitlichen Außenwände dargestellt. Details wie Rohrleitungen, Ventile und das Innere der Apparate 1 , 2, 5, 6 sind in den Zeichnungen nicht gezeigt. Der Zwischenraum zwischen den Apparaten 1 , 2, 5, 6 und der Außenwand der gemeinsamen Coldbox 3 ist mit Perlite gefüllt. Die
Unterseite der gemeinsamen Coldbox 3 wird durch eine separate Außenwand gebildet. Die Doppelsäule 5 ist über ein nicht dargestelltes Gestell auf dem Boden 4 der gemeinsamen Coldbox 3 abgestützt. Die Mischsäule 1 und der Unterkühlungs- Gegenströmer stützen sich über ebenfalls nicht dargestellte Verbindungselemente an der Doppelsäule 5 ab. Diese Verbindungselemente sind gleich oder ähnlich wie die in Figur 3 dargestellten Verbindungselemente ausgeführt.
Ein Hauptwärmetauscher ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel in einer separaten weiteren Coldbox untergebracht (in den Figuren 1 und 2 nicht dargestellt).
Die beiden gestrichelten Kreise 1a und 1b in Figur 1 stellen zwei Abwandlungen des ersten Ausführungsbeispiels dar, bei der die Mischsäule versetzt zum Unterkühlungs- Gegenströmer 2 angeordnet ist. Die Mischsäule ist jedoch auch hier oberhalb des Unterkühlungs-Gegenströmers angeordnet (analog zu Figur 2).
Auch in dem Beispiel von Figur 3 sind die Mischsäule 1 und die Doppelsäule 5 in der gemeinsamen Coldbox 3 angeordnet. Der Unterkühlungs-Gegenströmer 2 ist dagegen in einer weiteren Coldbox 12 untergebracht, zusammen mit dem Hauptwärmetauscher 6. Auch hier sind Details wie Rohrleitungen, Ventile und das Innere der Apparate 1 , 2, 5, 6 nicht gezeigt. Der Hauptwärmetauscher 6 wird in dem Ausführungsbeispiel durch einen einzigen Wärmetauscher-Block gebildet, insbesondere einen
Plattenwärmetauscher. Alternativ kann er durch zwei oder mehr horizontal
nebeneinander und/oder vertikal übereinander angeordnete Blöcke gebildet werden. Alternativ zu der Darstellung in Figur 3 kann der Unterkühlungs-Gegenströmer 2 unterhalb des Hauptwärmetauschers 6 angeordnet sein. Figur 4 zeigt dieselbe gemeinsame Coldbox in anderer Ansicht.
Der Zwischenraum zwischen den Apparaten 1 , 2, 5 und der Außenwand der gemeinsamen Coldbox 3 ist mit Perlite gefüllt. Die Unterseite der gemeinsamen
Coldbox 3 wird durch eine separate Außenwand gebildet. Die Doppelsäule 5 ist über ein nicht dargestelltes Gestell (Standzarge) auf dem Boden 4 der gemeinsamen Coldbox 3 abgestützt. Die Mischsäule 1 stützt sich ausschließlich an der Doppelsäule 5 ab, und zwar über vorzugsweise über jeweils mindestens zwei Verbindungselemente die jeweils im oberen und unteren Bereich der Mischsäule 1 angeordnet sind. Die Verbindungselemente sind entsprechend dimensioniert, gegebenenfalls können auch mehr als zwei Verbindungselemente verwendet werden. In dem dargestellten
Ausführungsbeispiel werden zwei Paare von Verbindungselementen verwendet, die jeweils im oberen und unteren Bereich der Mischsäule 1 angeordnet sind. Das obere Paar dieser Verbindungselemente 10, 11 ist in Figur 3 schematisch dargestellt.
Vorzugsweise ist das obere Element als Festpunkt (an beiden Säulen geschweißt oder geschraubt) ausgeführt, das untere aber als Führungslager, um
Temperaturspannungen zu kompensieren. Dieses Führungslager fixiert die horizontale Anordnung und ermöglicht ein relative Bewegung von Mischsäule und Doppelsäule in vertikaler Richtung.
Die grob gestrichelte Linie 14 in Figur 3 stellt ein gedachtes Rechteck dar, das rein geometrische Bedeutung hat, dem aber kein Apparateteil entspricht. (Der Raum zwischen der gestrichelten Linie 14 und der Außenwand 3 der Box markiert hier den minimalen Isolierabstand in dem sich kein kaltes Bauteil befinden darf.) Das gedachte Rechteck 14 befindet sich in der Horizontalen, ist parallel zu den Wänden der Coldbox 3 orientiert und liegt außerdem an den Außenwänden der beiden Kolonnen 1 , 5 an. Im Rahmen der Erfindung ist die Mischsäule 1 vorzugsweise in einer Ecke dieses
Rechtecks 14 angeordnet, das heißt sie wird an zwei Stellen von dem Rechteck 14 berührt. (Figur 4 stellt diesen Aspekt aus zeichnerischen Gründen nicht vollständig korrekt dar.)
Die fein gestrichelten Linien in den Figuren 3 und 4 stellen eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels dar, bei der die Mischsäule 1a abweichend angeordnet ist. In dem Ausführungsbeispiel der Figuren 3 und 4 ist das obere Ende 24 der Mischsäule 0,4 m unterhalb des oberen Endes 15 der Doppelsäule 5 angeordnet bei einer Gesamthöhe der Doppelsäule von etwa 35 m. Die Orientierung der beiden Coldboxen zueinander kann abweichend von der in den Zeichnungen dargestellten sein und je nach räumlichen Randbedingungen beliebig gewählt werden.