[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer
Rektifikationseinheit, die eine Drucksäule, eine Niederdrucksäule und ein Kondensator-Verdampfer-System
mit mindestens zwei Fallfilmverdampfern umfasst, wobei sauerstoffreiche Flüssigkeit
aus der Niederdrucksäule in die Verdampfungspassagen des ersten Fallfilmverdampfers
eingeleitet und teilweise verdampft wird und nicht verdampfte sauerstoffreiche Flüssigkeit
aus dem ersten Fallfilmverdampfer in den zweiten Fallfilmverdampfer geleitet wird.
[0002] Bei einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage mit einer Drucksäule und einer Niederdrucksäule
wird flüssiger Sauerstoff aus der Niederdrucksäule gegen gasförmigen Stickstoff aus
dem Kopf der Drucksäule in indirektem Wärmeaustausch verdampft, wobei der Stickstoff
kondensiert. Ein derartiges Kondensator-Verdampfer-System wird in der Regel als Hauptkondensator
bezeichnet.
[0003] Der Hauptkondensator wird in der Praxis fast ausschließlich als Umlaufkondensator
oder als Fallfilmverdampfer ausgebildet. Bei einem Umlaufkondensator steht der Kondensatorblock
in einem Bad der zu verdampfenden Flüssigkeit. Die zu verdampfende Flüssigkeit tritt
von unten in die Verdampfungspassagen ein und wird im Wärmeaustausch gegen das durch
die Verflüssigungspassagen strömende Heizmedium zumindest teilweise verdampft. Durch
das bei der Verdampfung entstehende Gas wird Flüssigkeit aus dem Bad in die Verdampfungspassagen
hineingerissen. Durch diesen Thermo-Siphon-Effekt entsteht ein natürlicher Flüssigkeitsumlauf
durch den Umlaufkondensator, ohne dass weitere Hilfsmittel zur Förderung von Flüssigkeit
nötig sind.
[0004] Im Gegensatz dazu wird bei einem Fallfilmverdampfer die zu verdampfende Flüssigkeit
über ein Verteilsystem, welches gleichzeitig einen Gasverschluss bildet, von oben
in die Verdampfungspassagen eingeleitet. Die Flüssigkeit läuft als Flüssigkeitsfilm
über die die Verdampfungs- und die Verflüssigungspassagen trennenden Wände nach unten
und verdampft zum Teil. Der entstehende Dampf und die nichtverdampfte Restflüssigkeit
treten unten aus dem Fallfilmverdampfer aus. Dieser Verdampfertyp weist einen besonders
niedrigen Druckverlust in den Verdampfungspassagen auf und ist daher energetisch im
allgemeinen günstiger als ein Umlaufverdampfer.
[0005] Allerdings muss bei der Verdampfung einer sauerstoffreichen Flüssigkeit eine totale
Verdampfung und damit ein Trockenlaufen der Verdampfungspassagen verhindert werden.
Dazu wird in der Regel auf die Verdampfungspassagen eine deutlich größere Menge an
Flüssigkeit aufgegeben, als tatsächlich verdampft werden soll, so dass aus den Verdampfungspassagen
neben dem gewünschten Dampf stets eine gewisse Menge an überschüssiger Flüssigkeit
austritt. Das Fördern von überschüssiger Flüssigkeit zu den Verdampfungspassagen wirkt
aber der energiesparenden Wirkung des Fallfilmverdampfers entgegen.
[0006] In der EP-A-0 926 457 wird vorgeschlagen, zwischen dem Sumpf der Niederdrucksäule
und den untersten Stoffaustauschelementen der Niederdrucksäule zwei oder mehr Fallfilmverdampfer
übereinander anzuordnen. Die einzelnen Fallfilmverdampfer sind in Reihe angeordnet.
Die aus den Stoffaustauschelementen austretende sauerstoffreiche Flüssigkeit wird
gesammelt und in den ersten Fallfilmverdampfer eingeleitet. Nicht verdampfte Flüssigkeit
aus dem ersten Fallfilmverdampfer wird anschließend in den zweiten, darunter angeordneten,
Fallfilmverdampfer überführt. Eine Rezirkulation von Flüssigkeit aus dem Sumpf der
Niederdrucksäule in die Fallfilmverdampfer ist nicht vorgesehen.
[0007] Bei Laständerungen kann sich, zumindest kurzfristig, das Verhältnis aus in der Niederdrucksäule
herabfallender Flüssigkeit und am Kopf der Drucksäule entstehendem gasförmigen Stickstoff
ändern. Bei dem Kondensator-Verdampfer-System gemäß der EP-A-0 926 457 kann das dazu
führen, dass das Verhältnis aus in die Verdampfungspassagen eintretender Flüssigkeit
und in den Verflüssigungspassagen strömendem Heizmedium abnimmt. Bei einem solchen
Ungleichgewicht der Mengen von Heizmedium und zu verdampfender Flüssigkeit können
die Verdampfungspassagen trocken laufen und schwerer flüchtige Stoffe können sich
in diesen anlagern.
[0008] Aus der US Re. 36,435 ist ebenfalls eine Tieftemperaturluftzerlegungsanlage mit zwei
übereinander angeordneten Fallfilmverdampfern bekannt. Zum Anfahren der Anlage wird
nur der obere Fallfilmverdampfer mit Flüssigkeit aus dem Sumpf der Niederdrucksäule
gespeist, während in den nachgeschalteten Fallfilmverdampfer lediglich die aus dem
ersten Verdampfer austretende Flüssigkeit eintritt. Im normalen Betrieb wird dagegen
nur in den unteren Fallfilmverdampfer Flüssigkeit aus dem Sumpf der Niederdrucksäule
gepumpt. Der obere Verdampfer wird nur mit der aus den Stoffaustauschelementen der
Niederdrucksäule austretenden Flüssigkeit gespeist. Bei einer derartigen Anlage besteht
das Problem, dass dem oberen Fallfilmverdampfer, insbesondere bei Laständerungen,
nicht definierte Flüssigkeitsmengen zugeführt werden, wodurch die Verdampfungspassagen,
wie oben beschrieben, trocken laufen können.
[0009] Bei größeren Luftzerlegungsanlagen, die mit mehr als einem Fallfilmverdampfer ausgerüstet
sind, werden daher bisher die einzelnen Fallfilmverdampfer nicht in Reihe, sondern
parallel geschaltet und betrieben. Hierzu muss aber, wie oben beschrieben, zu jedem
Fallfilmverdampfer eine entsprechende Menge an Überschussflüssigkeit gepumpt werden,
was sich negativ auf die Energiebilanz auswirkt.
[0010] Vorliegender Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art aufzuzeigen, das energetisch und betriebstechnisch besonders günstig
ist und bei dem die Anlagerung schwerer flüchtiger Substanzen in den Fallfilmverdampfem
vermieden wird.
[0011] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem
sauerstoffreiche Flüssigkeit aus dem Sumpf der Niederdrucksäule in die Verdampfungspassagen
des ersten Fallfilmverdampfers und in die Verdampfungspassagen des zweiten Fallfilmverdampfers
eingeleitet wird.
[0012] Die Verdampfungspassagen des zweiten Fallfilmverdampfers werden erfindungsgemäß mit
nicht verdampfter Flüssigkeit aus dem ersten Fallfilmverdampfer gespeist. Aus Sicherheitsgründen,
um ein Trockenlaufen des Fallfilmverdampfers zu verhindern, wird Flüssigkeit aus dem
Sumpf der Niederdrucksäule in die Verdampfungspassagen des ersten Fallfilmverdampfers
geleitet. Auch in den Verdampfungspassagen des zweiten Fallfilmverdampfers muss eine
Totalverdampfung der Flüssigkeit vermieden werden. Hierzu ist es möglich, den ersten
Fallfilmverdampfer mit soviel Flüssigkeit aus dem Sumpf der Niederdrucksäule zu versorgen,
dass genügend unverdampfte Flüssigkeit verbleibt, die in den zweiten Fallfilmverdampfer
weitergeleitet wird.
[0013] Erfindungsgemäß wird jedoch auf den ersten Fallfilmverdampfer soviel Flüssigkeit
aufgegeben, dass dieser unter Berücksichtigung eines Sicherheitsfaktors nicht trockenläuft.
Der zweite Fallfilmverdampfer wird zum einen mit nicht verdampfter Flüssigkeit aus
dem ersten Fallfilmverdampfer und zum anderen mit einer entsprechenden Menge an Flüssigkeit
aus dem Sumpf der Niederdrucksäule versorgt, so dass ein Trockenlaufen verhindert
wird.
[0014] Von Vorteil wird das aus dem ersten Fallfilmverdampfer austretende Gemisch aus erzeugtem
Dampf und nicht verdampfter Flüssigkeit in einen im wesentlichen Dampf enthaltenden
Teil und einen im wesentlichen Flüssigkeit enthaltenden Teil getrennt. Lediglich die
Flüssigkeit wird in den zweiten Fallfilmverdampfer weitergeleitet. Die Dampffraktion
wird in die Niederdrucksäule zurückgeführt oder als gasförmiges Produkt der Anlage
entnommen.
[0015] Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Anordnung von nur zwei hintereinander
geschalteten Fallfilmverdampfern beschränkt. Es hat sich je nach Anlagentyp und -größe
auch als günstig erwiesen, drei oder mehr Fallfilmverdampfer in Reihe anzuordnen,
d.h. die aus dem zweiten Fallfilmverdampfer austretende nicht verdampfte Flüssigkeit
einem dritten Fallfilmverdampfer zuzuführen. Ferner kann es von Vorteil sein, wenn
dem ersten und/oder dem zweiten Fallfilmverdampfer ein oder mehrere weitere Fallfilmverdampfer
parallel geschaltet sind. In diesem Fall wird vorzugsweise die aus dem ersten und
allen zu diesem parallel geschalteten Fallfilmverdampfem austretende Flüssigkeit zusammengeführt
und auf den zweiten Fallfilmverdampfer und etwaige zu diesem parallel angeordnete
Fallfilmverdampfer verteilt.
[0016] Von Vorteil werden dem ersten und dem zweiten Fallfilmverdampfer zwei- bis fünfmal
soviel sauerstoffreiche Flüssigkeit zugeführt wie dampfförmiger Sauerstoff in dem
jeweiligen Fallfilmverdampfer erzeugt wird. Bei dieser Verfahrensweise ist sichergestellt,
dass es zu keinem Trockenlaufen, d.h. zu keiner Totalverdampfung des flüssigen Sauerstoffs,
kommt. Für den zweiten Fallfilmverdampfer muss nur die im ersten Fallfilmverdampfer
verdampfte Flüssigkeitsmenge aus dem Sumpf der Niederdrucksäule ergänzt werden. Mit
anderen Worten: Dem ersten Fallfilmverdampfer wird zwei- bis fünfmal soviel Flüssigkeit
aus dem Sumpf der Niederdrucksäule zugeführt wie dem zweiten Fallfilmverdampfer.
[0017] Vorzugsweise sind die einzelnen Fallfilmverdampfer so angeordnet, dass die aus dem
ersten Fallfilmverdampfer austretende Flüssigkeit allein aufgrund der Schwerkraft
ohne Verwendung einer Pumpe in den zweiten Fallfilmverdampfer fließt. Entsprechendes
gilt selbstverständlich für die Strömungsverbindung zwischen dem zweiten und einem
etwaigen dritten Fallfilmverdampfer.
[0018] Die Fallfilmverdampfer werden vorzugsweise ferner so angeordnet, dass der aus dem
zweiten (oder dritten) Fallfilmverdampfer austretende kondensierte Stickstoff aufgrund
statischen Drucks zurück in die Drucksäule und der unten aus dem zweiten (oder dritten)
Fallfilmverdampfer austretende unverdampfte Flüssigsauerstoff aufgrund statischen
Drucks zurück in die Niederdrucksäule fließen, um Pumpen oder andere Fördereinrichtungen
zu sparen.
[0019] 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 von zwei Fallfilmverdampfern als Hauptkondensator einer Luftzerlegungsanlage
gemäß dem Stand der Technik,
- Figur 2
- die erfindungsgemäße Anordnung zweier Fallfilmverdampfer als Hauptkondensator,
- Figur 3
- eine alternative Ausführungsform der Anordnung gemäß Figur 2 und
- Figur 4
- die erfindungsgemäße Anordnung von drei Fallfilmverdampfern.
[0020] Figur 1 zeigt schematisch eine Rektifikationseinheit zur Tieftemperaturluftzerlegung
mit einer Drucksäule 1 und einer Niederdrucksäule 2, wie sie aus dem Stand der Technik
bekannt ist. Die Figur beschränkt sich der Übersichtlichkeit halber auf die für den
Wärmeaustausch zwischen der Drucksäule 1 und der Niederdrucksäule 2 wesentlichen Bauteile.
Die gezeigte Rektifikationseinheit weist zwei Fallfilmverdampfer 3, 4 auf, die als
Hauptkondensator der Luftzerlegungsanlage eingesetzt werden. Die Drucksäule 1 und
die Niederdrucksäule 2 sind nebeneinander angeordnet, die Fallfilmverdampfer 3, 4
befinden sich oberhalb der Drucksäule 1.
[0021] Am Kopf der Drucksäule 1 wird gasförmiger Stickstoff über Leitung 5 abgezogen und
über die Leitungen 6 bzw. 7 in die jeweiligen Verflüssigungspassagen der Fallfilmverdampfer
3 und 4 eingeleitet. Der aus den Verflüssigungspassagen der beiden Fallfilmverdampfer
3, 4 austretende Stickstoff wird dann über die Leitungen 8 bzw. 9 wieder am Kopf der
Drucksäule 1 als Rücklaufflüssigkeit aufgebracht. Die Fallfilmverdampfer 3, 4 sind
so angeordnet, dass der Stickstoff nach der Kondensation in den Fallfilmverdampfern
3, 4 mit Gefälle in die Drucksäule 1 zurücklaufen kann, ohne dass eine Pumpe benötigt
wird.
[0022] Die sich im Sumpf 10 der Niederdrucksäule 2 ansammelnde sauerstoffreiche Flüssigkeit
wird mit Hilfe einer Pumpe 11 über Leitung 12 oben auf die beiden Fallfilmverdampfer
3, 4 gefördert und in ein mit dem oberen Header 31 des jeweiligen Fallfilmverdampfers
3, 4 verbundenes Standgefäß 20 eingedrosselt. In dem Standgefäß 20 wird ein bestimmter
Flüssigkeitsstand über den Verdampfungspassagen aufrecht erhalten. Dieser liefert
einerseits den notwendigen statischen Druck, um den in den Verdampfungspassagen entstehenden
Dampf und die nicht verdampfte Flüssigkeit nach unten durch die Verdampfungspassagen
zu fördern. Andererseits stellt dieser Flüssigkeitsstand sicher, dass kein Dampf aus
dem Kopfraum der Fallfilmverdampfer 3, 4 in die jeweiligen Verdampfungspassagen eintritt.
[0023] In den Verdampfungspassagen wird die sauerstoffreiche Flüssigkeit teilweise verdampft.
Das Dampf-Flüssigkeits-Gemisch wird anschließend über Leitung 13 in die Niederdrucksäule
2 zurückgeführt. Von Leitung 13 zweigt eine weitere Leitung 14 ab, über die dampfförmiger
Sauerstoff als Produkt der Anlage entnommen werden kann. Eine den oberen und den unteren
Header 31 der beiden Fallfilmverdampfer 3, 4 verbindende Leitung 30 dient dazu, einen
eventuellen Über- oder Unterdruck in einem der Header 31 auszugleichen.
[0024] Die beiden Fallfilmverdampfer 3, 4 werden, um ein Trockenlaufen zu verhindern, mit
einem Überschuss an sauerstoffreicher Flüssigkeit betrieben. Beispielhaft sollen in
dem Hauptkondensator 100.000 Nm
3/h Sauerstoff verdampft werden, d.h. in jedem Fallfilmverdampfer 3, 4 werden 50.000
Nm
3/h erzeugt. Aus Sicherheitsgründen werden die Fallfilmverdampfer 3, 4 mit der dreifachen
Menge an flüssigem Sauerstoff, d.h. mit jeweils 150.000 Nm
3/h, beaufschlagt. Insgesamt werden so 300.000 Nm
3/h flüssiger Sauerstoff von der Pumpe 11 aus dem Sumpf 10 der Niederdrucksäule 2 oben
auf die Fallfilmverdampfer 3, 4 gefördert. In diesem Beispiel soll die Höhe der Drucksäule
14 m betragen und die Fallfilmverdampfer 3, 4 sollen eine Höhe von je 8 m besitzen.
Die Pumpe 11 muss somit 300.000 Nm
3/h flüssigen Sauerstoff auf eine Gesamthöhe von 14 m + 8 m = 22 m fördern.
[0025] Figur 2 zeigt eine Figur 1 entsprechende Rektifikationseinheit, wobei die beiden
Fallfilmverdampfer 203, 204 erfindungsgemäß angeordnet sind. Die Drucksäule 1 und
die Niederdrucksäule 2 sowie die Pumpe 211 werden auf dem Erdboden aufgestellt. Der
Fallfilmverdampfer 203 befindet sich hierbei oberhalb des Fallfilmverdampfers 204,
so dass ein aus dem Fallfilmverdampfer 203 unten austretendes Fluid aufgrund der Schwerkraft
zum oberen Ende des Fallfilmverdampfers 204 fließen kann. Beide Fallfilmverdampfer
203, 204 werden analog zu Figur 1 über die Leitungen 205, 206, 207 mit Druckstickstoff
aus der Drucksäule 1 als Heizmedium versorgt. Der aus den Verflüssigungspassagen austretende
Stickstoff wird über die Leitungen 208, 209 in die Drucksäule 1 zurückgeführt. Der
untere Fallfilmverdampfer 204 ist so angeordnet, dass sich die Austrittsöffnungen
von dessen Verflüssigungspassagen oberhalb der Drucksäule 1 befinden. Die Rückführung
des kondensierten Stickstoffs in die Drucksäule 1 kann so ohne Verwendung einer Pumpe
erfolgen.
[0026] Der aus dem Sumpf 10 der Niederdrucksäule 2 abgezogene flüssige Sauerstoff wird zum
Teil über Leitung 215 oben auf den Fallfilmverdampfer 203, zum Teil über Leitung 216
oben auf den Fallfilmverdampfer 204 gepumpt. Am unteren Ende der Verdampfungspassagen
des oberen Fallfilmverdampfers 203 tritt ein Überschuss an flüssigem Sauerstoff, der
nicht verdampft wurde, aus. In dem Abscheider 219 werden der erzeugte Dampf und die
Überschussflüssigkeit getrennt. Letztere wird dann über Leitung 217 oben auf den Fallfilmverdampfer
204 aufgegeben, der erzeugte Dampf wird über die Leitungen 232 und 218 in die Niederdrucksäule
2 zurückgeführt beziehungsweise teilweise über Leitung 214 als Produkt abgezogen.
Leitung 230 dient zum Druckausgleich zwischen dem oberen und dem unteren Ende des
Fallfilmverdampfers 203.
[0027] Der Fallfilmverdampfer 204 wird über Leitung 217 mit der Überschussflüssigkeit aus
dem oberen Fallfilmverdampfer 203 und über Leitung 216 mit frischer Flüssigkeit gespeist.
Das aus den Verdampfungspassagen dieses Verdampfers 204 austretende Dampf-Flüssig-Gemisch
wird über Leitung 218 in die Niederdrucksäule 2 zurückgeleitet.
[0028] Die Randbedingungen der Luftzerlegungsanlage gemäß Figur 2 sollen denen der Anlage
gemäß Figur 1 entsprechen. In jedem Fallfilmverdampfer 203, 204 sollen wiederum 50.000
Nm
3/h gasförmiger Sauerstoff erzeugt werden. Das Verhältnis aus Flüssigsauerstoffbeaufschlagung
und erzeugter Dampfmenge soll ebenfalls drei betragen.
[0029] Auf den oberen Fallfilmverdampfer 203 müssen 150.000 Nm
3/h Flüssigsauerstoff aufgegeben werden. Am unteren Ende dieses Fallfilmverdampfers
203 fallen 50.000 Nm
3/h Sauerstoffdampf sowie 100.000 Nm
3/h Überschussflüssigkeit an. Zu diesen 100.000 Nm
3/h Überschussflüssigkeit werden über Leitung 216 50.000 Nm
3/h Flüssigsauerstoff zugemischt, der mit der Pumpe 211 an diese Stelle gefördert wird.
Die Mischung aus Überschussflüssigkeit aus dem Fallfilmverdampfer 203 und frischem
Sauerstoff wird auf den unteren Fallfilmverdampfer 204 aufgegeben. Der untere Fallfilmverdampfer
204 liefert gleichfalls 50.000 Nm
3/h dampfförmigen Sauerstoff und 100.000 Nm
3/h Überschussflüssigkeit.
[0030] Die Pumpe 211 muss in diesem Fall insgesamt 200.000 Nm
3/h Flüssigsauerstoff fördern. Die Gesamtförderhöhe ist jedoch größer als bei der Anordnung
gemäß Figur 1. Die Pumpe 211 muss den flüssigen Sauerstoff nämlich über die Höhe der
Drucksäule 1 und der beiden Fallfilmverdampfer 203, 204 fördern. Die Gesamtförderhöhe
beträgt somit 14m + 8m + 8m = 30m.
[0031] Die Pumpenenergie ist proportional zu dem Produkt aus Flüssigkeitsmenge und Gesamtförderhöhe.
Das Verhältnis der Pumpenenergien bei den Anordnungen gemäß den Figuren 1 und 2 errechnet
sich daraus zu:
[0032] Der energetische Aufwand ist bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung
gemäß Figur 1 somit um 10% höher als bei der erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Figur
2. Außerdem ist bei der Ausführung nach Figur 1 die Pumpe 11 für 300.000 Nm
3/h Flüssigsauerstoff auszulegen, während bei der erfindungsgemäßen Lösung eine für
200.000 Nm
3/h Flüssigsauerstoff ausgelegte Pumpe 211 ausreichend ist. Die Pumpe 211 kann um ein
Drittel kleiner ausgeführt werden als die Pumpe 11.
[0033] In Figur 3 ist eine alternative Ausführungsform der Anordnung gemäß Figur 2 dargestellt.
Diese Ausführung unterscheidet sich von der nach Figur 2 lediglich darin, dass die
beiden Fallfilmverdampfer 203, 204 direkt miteinander verbunden sind. Der obere Fallfilmverdampfer
203 sitzt mit seinem Gas-Flüssig-Abscheider 219 direkt auf dem oberen Standgefäß 220
des Fallfilmverdampfers 204. Zwischen den beiden Fallfilmverdampfern 203, 204 befindet
sich somit ein Bauteil 219, 220, in welchem der im oberen Fallfilmverdampfer 203 erzeugte
Dampf von der entsprechenden Überschussflüssigkeit abgetrennt wird und die Überschussflüssigkeit
gemeinsam mit der zugeführten frischen Flüssigkeit aus den im Zusammenhang mit der
Erläuterung des Standgefäßes 20 in Figur 1 Gründen aufgestaut wird. Die Verrohrung
der beiden Fallfilmverdampfer 203, 204 wird dadurch wesentlich vereinfacht.
[0034] In Figur 4 ist die erfindungsgemäße Anordnung von drei Fallfilmverdampfern zu sehen.
In diesem Fall wird die Überschussflüssigkeit des obersten Fallfilmverdampfers 403
oben auf die Verdampfungspassagen des Fallfilmverdampfers 404 aufgegeben und die überschüssige
Flüssigkeit dieses Fallfilmverdampfers 404 wiederum oben in den Fallfilmverdampfer
421 geleitet. Jeder der Fallfilmverdampfer 403, 404, 421 wird über die Pumpe 411 und
die Leitungen 415, 416, 422 aus dem Sumpf 10 der Niederdrucksäule 2 zusätzlich mit
frischem Flüssigsauerstoff versorgt. Die einzelnen Fallfilmverdampfer 403, 404, 421
sind analog zu der Ausführung gemäß Figur 2 über Rohrleitungen 417, 423 verbunden.
Eine direkte Verbindung der Fallfilmverdampfer 403, 404, 421 analog zu Figur 3, so
dass die Leitungen 417, 423 entfallen, ist ebenfalls möglich.
[0035] Insgesamt sollen wieder 100.000 Nm
3/h dampfförmiger Sauerstoff, d.h. in jedem Fallfilmverdampfer 403, 404, 421 jeweils
33.333 Nm
3/h Dampf, erzeugt werden. Die Beaufschlagung der einzelnen Fallfilmverdampfer 403,
404, 421 soll ebenfalls wieder mit einem Faktor drei erfolgen.
[0036] Zum Fallfilmverdampfer 403 müssen somit 100.000 Nm
3/h flüssiger Sauerstoff aus dem Sumpf 10 der Niederdrucksäule 2 gefördert werden.
Am unteren Ende des Fallfilmverdampfers 403 ergeben sich 33.333 Nm
3/h dampfförmiger und 66.666 Nm
3/h flüssiger Sauerstoff. Dem Fallfilmverdampfer 404 müssen somit über Leitung 416
weitere 33.333 Nm
3/h frischer Sauerstoff zugegeben werden. Am unteren Ende des Verdampfers 404 fallen
ebenfalls 33.333 Nm
3/h dampfförmiger und 66.666 Nm
3/h flüssiger Sauerstoff an, so dass auch dem untersten Fallfilmverdampfer 421 noch
33.333 Nm
3/h Flüssigsauerstoff mittels der Pumpe 411 zugeführt werden müssen. Insgesamt müssen
so 166.666 Nm
3/h Flüssigsauerstoff auf eine Gesamthöhe von 14 m + 8 m + 8 m + 8 m = 38 m gepumpt
werden. Im Vergleich mit drei parallel angeordneten Fallfilmverdampfern (Fördermenge
= 300.000 Nm
3/h; Gesamtförderhöhe = 14 m + 8 m = 22 m) ergibt sich das Verhältnis der jeweiligen
Pumpenenergien zu
Im Vergleich zu der herkömmlichen parallelen Anordnung von drei Fallfilmverdampfern
ergibt sich somit eine Energieeinsparung von fast 5 %.
[0037] In der folgenden Tabelle sind für unterschiedliche Drucksäulenhöhen zwischen 14m
und 24m die Pumpenenergieverhältnisse bei Verwendung der erfindungsgemäßen Fallfilmverdampferanordnung
im Vergleich zur herkömmlichen Anordnung aufgezeigt. Verglichen werden der relative
Energiebedarf bei paralleler Anordnung der Fallfilmverdampfer (1 Etage), erfindungsgemäßer
Anordnung zweier Fallfilmverdampfer in Serie übereinander (2 Etagen) und bei einer
erfindungsgemäßen Anordnung von drei seriellen Fallfilmverdampfern übereinander (3
Etagen). Der Energiebedarf ist jeweils auf den Einsatz zweier hintereinander geschalteter
Fallfilmverdampfer (2 Etagen) bei einer Drucksäulenhöhe von 14 m normiert. Die Bauhöhe
der Fallfilmverdampfer wird zu 8 m angenommen.
Tabelle 1:
Drucksäulenhöhe
[in Meter] |
Relativer Energiebedarf
(normiert auf 2 Etagen bei Drucksäulenhöhe 14m) |
|
1 Etage |
2 Etagen |
3 Etagen |
14 |
1,10 |
1,00 |
1,06 |
15 |
1,15 |
1,03 |
1,08 |
16 |
1,20 |
1,07 |
1,11 |
17 |
1,25 |
1,10 |
1,14 |
18 |
1,30 |
1,13 |
1,17 |
19 |
1,35 |
1,17 |
1,19 |
20 |
1,40 |
1,20 |
1,22 |
21 |
1,45 |
1,23 |
1,25 |
22 |
1,50 |
1,27 |
1,28 |
23 |
1,55 |
1,30 |
1,31 |
24 |
1,60 |
1,33 |
1,33 |
[0038] In Tabelle 2 ist noch einmal der Energiebedarf der Pumpe als Funktion der Drucksäulenhöhe
dargestellt, wobei für jede Drucksäulenhöhe die Variante mit 2 Etagen auf 1 normiert
wurde. Die in den Spalten "1 Etage" und "3 Etagen" eingetragenen Werte zeigen damit
direkt das energetische Verhältnis der jeweiligen Anordnung zu der entsprechenden
Anordnung mit zwei seriellen Fallfilmverdampfem.
Tabelle 2:
Drucksäulenhöhe
[in Meter] |
Relativer Energiebedarf
(normiert auf 2 Etagen) |
|
1 Etage |
2 Etagen |
3 Etagen |
14 |
1,10 |
1,00 |
1,06 |
15 |
1,11 |
1,00 |
1,05 |
16 |
1,12 |
1,00 |
1,04 |
17 |
1,14 |
1,00 |
1,04 |
18 |
1,16 |
1,00 |
1,03 |
19 |
1,17 |
1,00 |
1,02 |
20 |
1,18 |
1,00 |
1,02 |
21 |
1,18 |
1,00 |
1,01 |
22 |
1,18 |
1,00 |
1,01 |
23 |
1,19 |
1,00 |
1,00 |
24 |
1,20 |
1,00 |
1,00 |
[0039] Es ist deutlich zu erkennen, dass die erfindungsgemäße Anordnung von zwei oder mehr
Fallfilmverdampfern übereinander bei allen Drucksäulenhöhen energetische Vorteile
bringt. Zusätzlich zu den aufgezeigten Energieeinsparungen hat die Erfindung noch
den Vorteil, dass eine kleinere und damit kostengünstigere Pumpe eingesetzt werden
kann, da geringere Flüssigkeitsmengen zu fördern sind.
1. Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Rektifikationseinheit, die
eine Drucksäule, eine Niederdrucksäule und ein Kondensator-Verdampfer-System mit mindestens
zwei Fallfilmverdampfern umfasst, wobei sauerstoffreiche Flüssigkeit aus der Niederdrucksäule
in die Verdampfungspassagen des ersten Fallfilmverdampfers eingeleitet und teilweise
verdampft wird und nicht verdampfte sauerstoffreiche Flüssigkeit aus dem ersten Fallfilmverdampfer
in den zweiten Fallfilmverdampfer geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass sauerstoffreiche Flüssigkeit aus dem Sumpf (10) der Niederdrucksäule (2) in die Verdampfungspassagen
des ersten Fallfilmverdampfers (203, 403) und in die Verdampfungspassagen des zweiten
Fallfilmverdampfers (204, 404) eingeleitet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das aus den Verdampfungspassagen des ersten Fallfilmverdampfers austretende Gas-Flüssigkeits-Gemisch
in Gas und Flüssigkeit getrennt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nicht verdampfte sauerstoffreiche Flüssigkeit aus dem zweiten Fallfilmverdampfer
(404) in einen dritten Fallfilmverdampfer (421) geleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Fallfilmverdampfer (203, 204) in Reihe angeordnet sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten und dem zweiten Fallfilmverdampfer (203, 403, 204, 404) zwei- bis fünfmal
soviel sauerstoffreiche Flüssigkeit zugeführt wird wie dampfförmiger Sauerstoff in
dem jeweiligen Fallfilmverdampfer (203, 403, 204, 404) erzeugt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem ersten Fallfilmverdampfer (203, 403) austretende nicht verdampfte sauerstoffreiche
Flüssigkeit aufgrund statischen Drucks in den zweiten Fallfilmverdampfer (204, 404)
fließt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem zweiten Fallfilmverdampfer (204) austretende kondensierte Stickstoff
aufgrund statischen Drucks in die Drucksäule (1) fließt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drucksäule (1) und die Niederdrucksäule (2) nebeneinander angeordnet sind.