[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum indirekten Wärmeaustausch von mehreren Gasströmen
mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, in denen die Gasströme durch
eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen geleitet werden, wobei durch mindestens einen
Wärmetauscherblock nur einer der Gasströme geleitet wird. Ferner bezieht sich die
Erfindung auf eine Wärmeaustauschvorrichtung zum indirekten Wärmeaustausch von mindestens
zwei Gasströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, welche eine
Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen besitzen.
[0002] Bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft muß die zu zerlegende Einsatzluft auf die
Verfahrenstemperatur abgekühlt werden. Dies erfolgt üblicherweise im Hauptwärmetauscher
durch indirekten Wärmeaustausch der Einsatzluft mit den gewonnenen Gasströmen. Der
Hauptwärmetauscher ist in der Regel als Plattenwärmetauscher ausgebildet, der eine
Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen für die zu behandelnden Ströme besitzt. Bei Luftzerlegungsanlagen,
in denen große Luftmengen verarbeitet werden, sind mehrere solcher Wärmetauscherblöcke
notwendig, um die Luft- und Produktmengen zu verarbeiten. Üblicherweise wird der Hauptwärmetauscher
ab etwa 20000 bis 30000 Nm
3/h Luft in zwei Blöcke aufgeteilt.
[0003] Üblicherweise werden bisher durch jeden der einzelnen Wärmetauscherblöcke alle Gasströme
sowie der Einsatzluftstrom und gegebenenfalls weitere Ströme geleitet. Werden einer
Luftzerlegungsanlage beispielsweise zwei Luftströme unterschiedlichen Drucks zugeführt
und als gasförmige Produkte Sauerstoff, Reinstickstoff und unreiner Stickstoff gewonnen,
müssen durch jeden Wärmetauscherblock fünf Ströme geleitet werden. Jeder Wärmetauscherblock
muß daher zehn Anschlußstutzen für diese Ströme, je fünf für den Gasein- und fünf
für den Gasaustritt, aufweisen.
[0004] Dementsprechend sind zehn Vorrichtungen, im folgenden als Sammler/Verteiler bezeichnet,
notwendig, um die Gasströme von dem jeweiligen Eintrittsstutzen auf die zugeordneten
Wärmeaustauschpassagen zu verteilen beziehungsweise die aus den Wärmeaustauschpassagen
austretenden Gasströme in die entsprechenden Austrittsstutzen zusammenzuführen.
[0005] Die Sammler/Verteiler werden bisher durch in den Wärmetauscherblock integrierte Verteilzonen
realisiert. In diesen Verteilzonen sind zumindest ein Teil der Lamellen, die die einzelnen
Wärmeaustauschpassagen voneinander abgrenzen, schräg angeordnet, so daß das über den
Eintrittsstutzen einströmende Gas in die Wärmeaustauschpassagen geführt wird bzw.
daß die aus den Wärmeaustauschpassagen austretende Gasströmung zu dem Austrittsstutzen
umgelenkt wird.
[0006] Die Strömungsbedingungen werden allerdings in den Verteilzonen derartiger Sammler/Verteiler
stark geändert. Zum einen tritt durch die schräge Ausrichtung der Lamellen eine Änderung
der Stromrichtung auf, zum anderen sind die Querschnitte der Wärmeaustauschpassagen
in dem Verteilbereich deutlich verringert, wodurch Geschwindigkeitswechsel des durchströmenden
Gases verursacht werden. Beide Effekte erzeugen einen unerwünschten Druckabfall in
den Wärmetauscherblöcken.
[0007] Aus der DE-A-42 04 172 ist bekannt, den Hauptwärmetauscher einer Luftzerlegungsanlage
verfahrensseitig in mehrere Blöcke aufzuteilen, wobei jeder in der Luftzerlegungsanlage
gewonnene Produktstrom über einen eigenen Wärmetauscherblock gegen Einsatzluft geführt
wird. Das Verfahren zielt darauf ab, den Regelaufwand für die einzelnen Wärmetauscherblöcke
zu verringern. Die Schrift befaßt sich dagegen nicht mit dem durch die Verteilzonen
der Blöcke hervorgerufenen Druckverlust und beinhaltet dementsprechend auch keine
Maßnahmen, die geeignet wären, diesen Druckverlust zu verringern.
[0008] Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur indirekten
Erwärmung oder Abkühlung von mehreren Gasströmen zu entwickeln, bei dem der Druckverlust
in dem Wärmetauscher möglichst gering ist.
[0009] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der eingangs genannten Art
gelöst, wobei die Wärmeaustauschpassagen für den einen Gasstrom des mindestens einen
Wärmetauscherblocks an zwei Stirnflächen des Wärmetauscherblocks enden und der eine
Gasstrom den Wärmeaustauschpassagen des mindestens einen Wärmetauscherblocks über
jeweils einen mit dem Wärmetauscherblock verbundenen Sammler/Verteiler zugeführt und
entnommen wird, welcher sich jeweils über die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks
erstreckt.
[0010] Die erfindungsgemäße Wärmeaustauschvorrichtung zum indirekten Wärmeaustausch von
mindestens zwei Gasströmen mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, welche
eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen besitzen, zeichnet sich dadurch aus, daß
die Wärmeaustauschpassagen eines Wärmetauscherblocks, die für einen der Gasströme
vorgesehen sind, an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen des Wärmetauscherblocks enden
und jeweils mit einem Sammler/Verteiler in Strömungsverbindung stehen, wobei sich
die Sammler/Verteiler jeweils über die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks
erstrecken.
[0011] Erfindungsgemäß wird zumindest ein Gasstrom, der einen möglichst geringen Druckverlust
erfahren soll, durch einen Wärmetauscherblock geleitet, durch den ansonsten keine
weiteren der Gasströme geführt werden. Selbstverständlich strömen durch diesen Wärmetauscherblock
ein oder mehrere Wärme- oder Kälteträger, mit denen der Gasstrom seine Wärme austauscht.
Die für diesen Gasstrom vorgesehenen Wärmeaustauschpassagen dieses Wärmetauscherblocks
erstrecken sich von einer Stirnseite des Blocks zur gegenüberliegenden Stirnseite
und verlaufen im wesentlichen parallel. An den beiden Stirnseiten, an denen die Wärmeaustauschpassagen
enden, ist jeweils außen an dem Wärmetauscherblock ein Sammler/Verteiler angebracht,
der die gesamte Stirnfläche abdeckt und einen Anschlußstutzen für die Zu- bzw. Ableitung
aufweist. Die Wärmeaustauschpassagen gehen somit ohne Querschnittsverjüngung in die
Zu- bzw. Ableitung über und die Strömungsumlenkung in dem Sammler/Verteiler erfolgt
langsam. Der Druckverlust in dem Wärmetauscherblock und den zugehörigen Sammler/Verteilern
wird dadurch minimiert.
[0012] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der entsprechenden Vorrichtung lassen sich
Druckabfälle in den Wärmetauscherblöcken, gemessen vom Eintrittsstutzen bis zum Austrittsstutzen,
von etwa 70 mbar erzielen. Demgegenüber tritt bei den herkömmlichen Wärmetauschern,
bei denen die Verteilung und Zusammenführung der Gasströme zwischen dem Ein- bzw.
Austrittsstutzen und den Wärmeaustauschpassagen durch eine in den Wärmetauscherblock
integrierte Verteilzone mit schräg angeordneten Lamellen ein Druckabfall von etwa
100 mbar auf, wenn die Gasströme mit einem Druck zwischen 1,2 und 1,8 bar aus der
Niederdrucksäule entnommen wurden. Auf der drucklosen Seite erreicht man durch die
Erfindung eine Verringerung des Druckabfalls von etwa 30 mbar. Das bedeutet, daß die
Niederdruckströme mit einem um 30 mbar niedrigeren Druck als sonst gewonnen werden
können. Zur Aufrechterhaltung der Wärmeaustauschverhältnisse am Hauptkondensator reicht
es dann aus, wenn die Luft nach dem Luftverdichter auf einen etwa 90 mbar niedrigeren
Druck verdichtet wird.
[0013] Vorzugsweise ist für jeden Gasstrom jeweils ein separater Wärmetauscherblock vorgesehen.
Dies hat einerseits den oben beschriebenen Vorteil des geringen Druckverlustes, andererseits
wird der Verrohrungsaufwand verringert. Hinzu kommt noch die Kostenreduzierung der
Wärmeaustauschblöcke, da die Verteilzonen wesentlich einfacher gestaltet sind. Bei
dem üblichen Verfahren, bei dem durch jeden Wärmetauscherblock alle Gasströme fließen,
sind für jeden Gasstrom sowohl auf der kalten als auch auf der warmen Seite des Hauptwärmetauschers
je eine Sammelleitung als Zu- bzw. Ableitung mit mehreren Abzweigungen zu jedem Wärmetauscherblock
notwendig. Wird dagegen jeder Gasstrom durch einen eigenen Wärmetauscherblock geführt,
so können die Abzweigungen entfallen und die Verrohrung wird wesentlich vereinfacht.
[0014] Sofern die Gasmenge, die über einen separaten Wärmetauscherblock geführt werden soll,
so groß ist, daß diese in einem Block nicht verarbeitet werden kann, so werden zwei
oder mehr Wärmetauscherblöcke vorgesehen, durch die jeweils Teilströme dieses Gases
geleitet werden.
[0015] Besonders geeignet ist die Erfindung bei Verfahren, bei denen Gasströme, die einen
Druck von weniger als 3,5 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 1,8 bar, aufweisen, im folgenden
als Niederdruckströme bezeichnet, in indirekten Wärmeaustausch mit einem Wärme- oder
Kälteträger gebracht werden sollen. Erfindungsgemäß wird hierbei durch einen Wärmertauscherblock
jeweils nur einer dieser Niederdruckgasströme geführt, d.h. für jeden der Gasströme,
die einen Druck von weniger als 3,5 bar aufweisen, wird ein eigener Wärmetauscherblock
eingesetzt.
[0016] Bei Gasströmen mit einem Druck von mehr als ca. 4 bar spielt der Druckverlust in
dem Wärmetauscherblock nur eine untergeordnete Rolle bzw. kann vemachlässigt werden.
Es ist daher manchmal vorteilhaft, durch mindestens einen der Wärmetauscherblöcke,
durch den einer der Niederdruckgasströme geleitet wird, zusätzlich einen solchen Strom
mit erhöhtem Druck zu führen.
[0017] Das erfindungsgemäße Verfahren findet bevorzugt bei der Tieftemperaturzerlegung von
Einsatzluft Anwendung. Die als Produkt aus der Niederdrucksäule eines Doppelsäulenrektifikators
abgezogenen Gasströme besitzen lediglich einen geringen Überdruck von etwa 0,1 bis
0,8 bar über Atmosphärendruck, sodaß eine Verringerung des Druckabfalls von hoher
Bedeutung ist. Dies gilt in analoger Weise für gasförmiges Argonprodukt, da die Rohargonsäule
ebenfalls unter relativ niedrigem Druck betrieben wird.
[0018] Besonders bevorzugt werden die Gasströme mit der Einsatzluft in indirekten Wärmeaustausch
gebracht. Die Einsatzluft kann hierbei in mehreren auf unterschiedlichem Druckniveau
liegenden Strömen durch die Wärmetauscherblöcke geführt werden. So kann die Einsatzluft
beispielsweise zum einen unter Drucksäulendruck durch den Wärmetauscherblock geleitet
und anschließend in die Drucksäule eingespeist werden, zum anderen kann die Einsatzluft
vor dem Wärmetauscherblock nachverdichtet und nach Abkühlung zur Kälteerzeugung arbeitsleistend
entspannt werden.
[0019] In Ländern mit relativ niedrigen Energiekosten bringt eine Verringerung der Druckabfälle
keinen Vorteil, da die mit der Energieeinsparung verbundenen Kosten hoch sind. Bei
diesen Anwendungen ist es daher günstiger, nicht die Druckverluste zu minimieren,
sondern die Strömungsgeschwindigkeiten zu erhöhen, um höhere Druckabfälle zu erzielen,
wodurch letztlich kleinere Wärmetauscherblöcke erforderlich sind.
[0020] Vorzugsweise wird der Gasstrom so durch die Wärmetauscherblöcke geleitet, daß er
einen Druckabfall von 120 bis 300 mbar, bevorzugt 120 bis 200 mbar, erleidet. Durch
Anhebung des Druckabfalls wird eine größere Strömungsgeschwindigkeit als in den herkömmlichen
Wärmetauschern erreicht, wodurch die Wärmeübergangszahlen verbessert werden, was letztlich
dazu führt, daß das Blockvolumen des Wärmetauschers verringert werden kann. Bei gleichem
Druckabfall im Wärmetauscherblock ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber
den bekannten Verfahren eine Reduktion der Blockvolumina um etwa 15%, woraus eine
beträchtliche Kosteneinsparung resultiert.
[0021] Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand
von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei
zeigen:
- Figur 1
- die Anordnung und Ausführung der Hauptwärmetauscherblöcke einer großen Luftzerlegungsanlage
mit mehreren Hauptwärmetauscherblöcken gemäß dem Stand der Technik,
- Figur 2
- die erfindungsgemäße Konfiguration der Hauptwärmetauscherblöcke einer großen Luftzerlegungsanlage,
- Figuren 3 bis 6
- die herkömmliche Anordnung der Lamellen im Ein- und Austrittsbereich der Wärmeaustauschpassagen,
- Figuren 7 und 8
- die erfindungsgemäßen Sammler/Verteiler im Ein- und Austrittsbereich der Wärmeaustauschpassagen,
- Figur 9
- ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Sauerstoff- und Stickstoffinnenverdichtung,
- Figur 10
- ein erfindungsgemäßes Verfahren mit Sauerstoffinnenverdichtung und
- Figur 11
- ein Luftzerlegungsverfahren mit Stickstoffkreislauf.
[0022] Figur 1 zeigt ein aus dem Stand der Technik bekanntes Verfahrensschema einer großen
Luftzerlegungsanlage zur verarbeitung von etwa 100.000 Nm
3/h Luft, bei der es notwendig ist, den Hauptwärmetauscher durch mehrere separate Wärmetauscherblöcke
3 zu realisieren.
[0023] Verdichtete und gereinigte Einsatzluft 1 wird zum Teil 2 direkt mehreren parallel
zueinander angeordneten Wärmetauscherblöcken 3a - 3e zugeführt, zum Teil 4 mittels
eines Verdichters 5 nachverdichtet, in einem Nachkühler 6 gekühlt und dann in die
Wärmetauscherblöcke 3a - 3e geleitet. Diese im folgenden als Turbinenluftstrom 7 bezeichnete
Druckluft wird an einer Zwischenstelle den Wärmetauscherblöcken 3a - 3e entnommen,
in einer Turbine 8 entspannt und in die Niederdrucksäule 10 einer Rektifikationseinheit
11, welche eine Drucksäule 9 und eine Niederdrucksäule 10 umfaßt, eingeleitet.
[0024] Die Wärmetauscherblöcke 3a - 3e bilden den Hauptwärmetauscher der Luftzerlegungsanlage.
Die in den Blöcken 3a - 3 e abgekühlte Einsatzluft 2 wird der Drucksäule 9 der Rektifikationseinheit
11 zugeführt. Der Niederdrucksäule 10 werden gasförmiger Sauerstoff 14, gasförmiger
Stickstoff 15 sowie gasförmiger UnreinStickstoff 16 als Regeneriergas mit einem Druck
von etwa 1,3 bar entnommen. Ferner ist es möglich, in der Rektifikationseinheit 11
Sauerstoff und Stickstoff als flüssige Produkte 12, 13 zu gewinnen. Die Gasströme
14, 15, 16 werden in jeden der Wärmetauscherblöcke 3a - 3e geführt und gegen den Einsatzluftstrom
2 und den Turbinenluftstrom 7 durch indirekten Wärmeaustausch angewärmt.
[0025] Da durch jeden der Wärmetauscherblöcke 3a - 3e alle gasförmigen Ströme 14, 15, 16
sowie im Gegenstrom die beiden Luftströme 2, 7, d.h. insgesamt fünf verschiedene Ströme,
geleitet werden, sind pro Wärmetauscherblock 3 zehn Sammler/Verteiler mit den dazugehörigen
Ein- bzw. Austrittsstutzen notwendig, über die jeweils die Verbindung zwischen dem
Zu- bzw. Ableitungsrohr und der entsprechenden Wärmeaustauschpassage hergestellt wird.
[0026] In Figur 2 ist ein Figur 1 entsprechendes Verfahrensschema dargestellt, wobei jedoch,
im Gegensatz zu dem in Figur 1 gezeigten bekannten Verfahren, die Wärmetauscherblöcke
3 erfindungsgemäß nach Produkten aufgeteilt sind. Der Luftstrom 2 und der Turbinenluft
7 werden ebenso wie bei dem Verfahren gemäß Figur 1 allen Wärmetauscherblöcken 23a
- 23e zugeführt. Dagegen werden die gasförmigen Gasströme 14, 15, 16 nicht mehr in
allen Wärmetauscherblöcken 23, sondern in jeweils speziell den Gasströmen 14, 15,
16 zugeordneten Blöcken 23 angewärmt.
[0027] Jeweils etwa 20% der insgesamt zugeführten Luft 1 werden in der Rektifikationseinheit
11 durch Tieftemperaturzerlegung der Luft 1 in gasförmigen Sauerstoff 14 und UnreinStickstoff
16 umgesetzt. Die verbleibenden 60 % der Luft 1 werden als gasförmiger Reinstickstoff
15 aus der Rektifikationseinheit 11 abgezogen. Die Wärmetauscherblöcke 23 sind so
bemessen, daß sich für den gasförmigen Sauerstoffstrom 14 und den Unreinstickstoffstrom
16 jeweils Blöcke 23a, 23e mit Maximalabmessungen ergeben, d.h. die Blöcke 23a und
23e sind genau auf die erwarteten Sauerstoff- bzw. Stickstoffmengen ausgelegt. Aus
herstellungstechnischen Gründen werden alle Blöcke 23a - 23e mit identischer Größe
ausgeführt, sodaß für den Reinstickstoffstrom 15 drei Wärmetauscherblöcke 23b - 23d
benötigt werden.
[0028] Durch den Wärmetauscherblock 23a wird somit lediglich Sauerstoff 14 gegen die Luftströme
2 und 7 geführt, durch die Blöcke 23b bis 23d Reinstickstoff 15 gegen Luft 2, 7 und
durch den Wärmetauscherblock 23e Unreinstickstoff 16 gegen Luft 2, 7. Die Anzahl der
Wärmetauscherblöcke 23 bleibt somit gegenüber dem Verfahren nach Figur 1 gleich, da
bei beiden Verfahren dieselben Produktmengen mit denselben Luftmengen ihre Wärme austauschen
müssen.
[0029] Die Blockkonfiguration vereinfacht sich jedoch wesentlich. Jedem Wärmetauscherblock
23 werden nur noch drei Ströme, zwei Luftströme 2, 7 und ein Gasstrom 14, 15 oder
16, zugeführt, wodurch jeder Block 23 lediglich sechs Sammler/Verteiler mit den entsprechenden
Anschlußstutzen benötigt.
[0030] Die Wärmeaustauscherblöcke 23 werden erfindungsgemäß entsprechend den Figuren 7 und
8 ausgeführt. Zum Vergleich ist in den Figuren 3 bis 6 der Aufbau eines Wärmetauscherblocks
3 der bisher üblichen Art dargestellt. Figur 3 zeigt die Lamellenanordnung in den
Verteilzonen 31 für die Sauerstoffpassagen 34, Figur 4 für die Reinstickstoffpassagen
35 und Figur 5 entsprechend für die Unreinstickstoffpassagen 36. In Figur 6 ist die
Anordnung aller Ein- und Austrittsstutzen zu sehen.
[0031] Bei dem Verfahren gemäß Figur 1 werden in dem Wärmetauscherblock 3 drei unterschiedliche
Produkte 14, 15, 16 gegen den Luftstrom 2 und den Turbinenluftstrom 7 geführt. Die
Verteilung des jeweiligen gasförmigen Produktes auf die entsprechenden Wärmeaustauschpassagen
34, 35, 36 erfolgt über Verteilzonen 31, 32, 33, die schräg angeordnete Lamellen aufweisen,
um das Gas 14, 15, 16 aus der Zufuhrleitung 37a, 38a, 39a auf die Passagen 31, 32,
33 zu verteilen beziehungsweise um das aus den Passagen 31, 32, 33 austretende Gas
in die Abzugsleitung 37b, 38b, 39b zusammenzuführen.
[0032] Die Verteilzonen 31, 32, 33 führen sowohl zu einer Änderung der Strömungsrichtung
als auch zu Querschnittsveränderungen, welche wiederum Änderungen der Strömungsgeschwindigkeit
verursachen. Beides wirkt sich negativ auf die Blockdurchströmung aus und erzeugt
einen unerwünschten Druckabfall über dem Wärmetauscherblock 3. Der Druckabfall wirkt
sich insbesondere bei den Gasströmen, die einen relativ niedrigen Druck zwischen 1,1
und 1,8 bar besitzen, negativ aus. Auch eine Vertauschung der Passagen 34, 35, 36
für die Gasströme 14, 15, 16 mit denen für die Luft 2 oder die Turbinenluft 7, welche
seitlich angeordnete Ein- und Austrittsstutzen 40a, 40b, 41a, 41b besitzen (siehe
Figur 6), bringt keine Verbesserung, da die Verteilung der Luft 2, 7 auf die zugehörigen
Wärmeaustauschpassagen über ähnliche Verteilpassagen, wie die in den Figuren 3 bis
5 dargestellten, erfolgt und damit ähnliche Strömungsknicke und Querschnittsänderungen
auftreten.
[0033] Die Figuren 7 und 8 zeigen die neue Blockkonfiguration. Ein Hauptmerkmal des erfindungsgemäßen
Verfahrens liegt darin, daß in jedem Wärmetauscherblock 23 nur noch einer der Gasströme
14, 15, 16 im Gegenstrom mit Luft 2, 7 geführt wird. Mit den Stirnflächen des Wärmetauscherblocks
23 werden Sammler/Verteiler 43, auch als Domheader bezeichnet, als Ein- und Austritte
für den jeweiligen Gasstrom 14, 15, 16 verbunden. Die Sammler/Verteiler 43 sind halbzylindrisch
ausgeführt und besitzen einen Anschlußstutzen für die Produktzu- bzw. -ableitung.
Der in den neuen Wärmetauscherblock 23 eingeleitete Gasstrom erfährt keinerlei Querschnittsveränderung
und keine wesentliche Stromrichtungsänderung. Der Druckabfall über dem Wärmetauscherblock
23 ist gegenüber dem Druckabfall über einem üblichen Block 3, wie er anhand der Figuren
3 bis 6 erläutert wurde, um etwa 30% verringert. Ferner werden die Kosten für die
Wärmetauscherblöcke 23 reduziert, da auf die aufwendigen Lamellenzuschnitte für die
Verteilzonen 32 in den Figuren 3 bis 5 verzichtet werden kann.
[0034] Anstelle der aufwendigen Verteilzonen 32 mit schrägen Lamellen in den bekannten Wärmetauscherblöcken
(siehe Figuren 3 bis 5) ist bei den neuen Wärmetauscherblöcken bevorzugt lediglich
eine schmale Verteilzone 42 am Eintritts- und Austrittsbereich der Wärmeaustauschpassagen
vorgesehen. Die Lamellen in der schmalen Verteilzone 42 sind parallel zu den darunter
bzw. darüberliegenden Lamellen der Wärmeaustauschpassagen angeordnet, besitzen jedoch
einen geringeren Abstand voneinander. Das in den Sammler 41 eintretende Gas staut
sich dadurch leicht vor der Verteilzone 42, wodurch eine gleichmäßige Verteilung des
Gases auf alle Passagen der Verteilzone 42 und damit auf alle Wärmeaustauschpassagen
erreicht wird.
[0035] Anhand der Figuren 1 und 2 wird ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens
deutlich. Zusätzlich zu dem deutlich verringerten Druckabfall über den Wärmertauscherblöcken
23 stellt sich bei dem neuen Verfahren die Verrohrung wesentlich einfacher dar. Neben
der Reduzierung der Blockstutzenzahl von zehn auf sechs pro Wärmetauscherblock sind
auch weniger Sammelleitungen und Rohrverzeigungen notwendig, um die Gasströme 14,
15, 16 den Blöcken 23 zuzuführen.
[0036] In Figur 1 ist zu erkennen, daß beispielsweise von der Stickstoffproduktleitung 15
vier Rohrverzweigungen 17a -17d abgehen, um den Stickstoff auf die fünf Wärmetauscherblöcke
3 zu verteilen. Umgekehrt sind vier Rohrverzeigungen 18a - 18d notwendig, um den angewärmten
Stickstoff wieder in die Sammelleitung 19 zusammenzuführen. Für jeden der fünf durch
die Wärmetauscherblöcke geleiteten Ströme müssen somit acht Rohrverzweigungen vorgesehen
werden, insgesamt also 40 Rohrverzweigungen beziehungsweise Rohrvereinigungen.
[0037] Im Gegensatz dazu werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Figur 2 lediglich
der Luftstrom 2 und der Turbinenluftstrom 7 auf alle fünf Wärmetauscherblöcke 23 verteilt,
wofür entsprechend 16 Rohrverzweigungen notwendig sind. Hierzu kommen zwei Verzweigungen
20a, b und zwei Rohrvereinigungen 21a, b zur Verteilung des Stickstoffstromes 15 auf
die Blöcke 23b, c, e und anschließenden Zusammenführung in die Abzugsleitung 19.
[0038] Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren stehen an Verrohrungsaufwand insgesamt 20 Verzweigungen
einem Aufwand von 40 Verzweigungen bei dem herkömmlichen Verfahren gemäß Figur 1 gegenüber.
Diese Reduktion um 50% ist ein deutlicher Beleg für die Vereinfachung der Verrohrungskomplexität.
[0039] Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur auf solche Prozesse beschränkt, bei
denen alle Produkte gasförmig gewonnen werden, sondern beispielsweise auch auf Innenverdichtungsverfahren,
bei denen Flüssigprodukte aus der Rektifikationseinheit abgezogen werden.
[0040] Figur 9 zeigt das Schema eines Luftzerlegungsverfahrens, bei dem neben gasförmigem
Reinstickstoff 15 und gasförmigem Unreinstickstoff 16 flüssiger Stickstoff 51 aus
dem Hauptkondensator der Rektifikationseinheit 11 entnommen und mittels einer Innenverdichtungspumpe
52 auf erhöhten Druck gebracht wird. Der flüssige und auf erhöhten Druck gebrachte
Stickstoff 51 wird dann im Wärmetauscherblock 56 gegen Luft 7 und mittels des Verdichters
59 komprimierte Hochdruckluft verdampft und erwärmt.
[0041] Der Sauerstoff 12 wird bei diesem Verfahren ebenfalls in flüssiger Form aus der Niederdrucksäule
10 abgezogen und mit Hilfe der beiden Pumpen 54 und 55 innenverdichtet. Der Reinstickstoffstrom
15 und der Unreinstickstoffstrom 16 werden in den Wärmetauscherblöcken 23b, c, d bzw.
dem Block 23e, die jeweils entsprechend den Figuren 7 und 8 aufgebaut sind, erwärmt.
Zur Verdampfung und Erwärmung der innenverdichteten Ströme 57, 58 findet dagegen ein
Hochdruckwärmetauscherblock 56 Anwendung. Der Hochdruckwärmetauscherblock 56 entspricht
auf den ersten Blick dem anhand der Figuren 3 bis 6 erläuterteten Wärmetauscherblock,
besitzt jedoch eine deutlich höhere Festigkeit, um den hohen Drücken der Innenverdichtungsströme
standhalten zu können. Die in dem Wärmetauscherblock 56 auftretenden Druckverluste
wirken sich bei den Innenverdichtungsströmen 57, 58 weitaus weniger negativ aus als
bei den gasförmigen Gasströmen 15, 16 aus der Niederdrucksäule 10.
[0042] Ein ähnliches Verfahren wie in Figur 9 ist in Figur 10 dargestellt, bei dem ebenfalls
flüssiger Sauerstoff 12 innenverdichtet wird 54, 55, jedoch nicht gegen Hochdruckluft,
sondern gegen Hochdruckstickstoff verdampft und erwärmt wird. Hierzu wird der Drucksäule
9 gasförmiger Stickstoff bei 61 entnommen, durch den Wärmetauscherblock 62 geführt,
mittels des Verdichters 63 verdichtet und im Gegenstrom durch den Wärmetauscherblock
62 zurück in die Drucksäule 9 geleitet. Der Wärmetauscherblock 62 entspricht in seinem
Aufbau im wesentlichen dem Wärmetauscherblock 56 in Figur 9. Eine Innenverdichtung
von Stickstoff entfällt bei dieser Variante, da nach dem Verdichter 63 Hochdruckstickstoff
64 abgezogen werden kann.
[0043] Figur 11 zeigt eine weitere Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Hierbei wird
flüssiger Sauerstoff bei 12 der Rektifikationssäule 11 entnommen und mittels der beiden
Pumpen 54, 55 innenverdichtet. Die Verdampfung des Flüssigsauerstoffs erfolgt in diesem
Ausführungsbeispiel gegen Kreislaufstickstoff, der bei 61 aus der Drucksäule 9 abgezogen,
im Wärmetauscherblock 77 angewärmt, mit den Verdichtern 71, 72, 73 verdichtet und
im Wärmetauscherblock 77 gegen die Innenverdichtungsprodukte abgekühlt und in die
Drucksäule 9 geleitet wird 76. Ein Teil des Stickstoffs wird nach dem Verdichter 71
entspannt (74) und in den Stickstoffkreislauf zurückgeführt. Ein weiterer Teil des
Stickstoffs wird nach Verdichtung in den Verdichtern 71, 72, 73 und anschließender
Abkühlung im Wärmetauscherblock 77 an einer Zwischenstelle aus dem Wärmetauscherblock
77 abgezogen, bei 75 entspannt und in den Stickstoffkreislauf zurückgeleitet.
1. Verfahren zum indirekten Wärmeaustausch von mehreren Gasströmen mit einem Wärme-/Kälteträger
in Wärmetauscherblöcken, in denen die Gasströme durch eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen
geleitet werden, wobei durch mindestens einen Wärmetauscherblock nur einer der Gasströme
geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschpassagen für den einen Gasstrom (14, 15, 16) des mindestens einen
Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) an zwei Stirnflächen des Wärmetauscherblocks
(23a, b, c, d, e) enden und der eine Gasstrom (14, 15, 16) den Wärmeaustauschpassagen
des mindestens einen Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) über jeweils einen mit
dem Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) verbundenen Sammler/Verteiler (41) zugeführt
und entnommen wird, welcher sich jeweils über die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks
(23a, b, c, d, e) erstreckt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der Gasströme (14, 15, 169 durch einen separaten Wärmetauscherblock (23a, b,
c, d, e) geleitet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Gasstrom (14, 15, 16) mit einem Druck von weniger als 3,5 bar, vorzugsweise
1,1 bis 1,8 bar, durch den Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) geleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme (14, 15, 16) jeweils einen Druck von weniger als 3,5 bar, bevorzugt
zwischen 1,1 und 1,8 bar, aufweisen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Strom mit einem Druck von mehr als 4 bar durch den mindestens einen
Wärmetauscherblock geleitet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme durch Tieftemperaturzerlegung von Einsatzluft (1) gewonnen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasströme (14, 15, 16) mit der Einsatzluft (2, 7) in indirekten Wärmeaustausch
gebracht werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Gasstrom so durch den Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) geleitet wird,
daß der Druckabfall im Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e) weniger als 100 mbar,
bevorzugt weniger als 80 mbar beträgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der eine Gasstrom (14, 15, 16) so durch den Wärmetauscherblock (23a, b, c, d, e)
geleitet wird, daß der Druckabfall im Wärmetauscherblock zwischen 80 und 300 mbar,
bevorzugt zwischen 100 und 250 mbar beträgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als 50.000 Nm3/h Einsatzluft, bevorzugt mehr als 100.000 Nm3/h Einsatzluft verarbeitet werden.
11. Wärmeaustauschvorrichtung zum indirekten Wärmeaustausch von mindestens zwei Gasströmen
mit einem Wärme-/Kälteträger in Wärmetauscherblöcken, welche eine Vielzahl von Wärmeaustauschpassagen
besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeaustauschpassagen eines Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e), die für einen
der Gasströme (14, 154, 16) vorgesehen sind, an zwei gegenüberliegenden Stirnflächen
des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) enden und jeweils mit einem Sammler/Verteiler
(41) in Strömungsverbindung stehen, wobei sich die Sammler/Verteiler jeweils über
die gesamte Stirnfläche des Wärmetauscherblocks (23a, b, c, d, e) erstrecken.
12. Wärmeaustauschvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammler/Verteiler (41) im wesentlichen halbzylindrisch ausgebildet ist und einen
Anschlußstutzen aufweist.