(19)
(11) EP 1 336 805 A1

(12) EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG

(43) Veröffentlichungstag:
20.08.2003  Patentblatt  2003/34

(21) Anmeldenummer: 02009897.6

(22) Anmeldetag:  02.05.2002
(51) Internationale Patentklassifikation (IPC)7F25J 3/04
(84) Benannte Vertragsstaaten:
AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE TR
Benannte Erstreckungsstaaten:
AL LT LV MK RO SI

(30) Priorität: 13.02.2002 DE 10205878

(71) Anmelder: Linde Aktiengesellschaft
65189 Wiesbaden (DE)

(72) Erfinder:
  • Corduan, Horst
    82178 Puchheim (DE)
  • Rottmann, Dietrich
    81737 München (DE)

(74) Vertreter: Gellner, Bernd, Dr. 
Linde Aktiengesellschaft, Zentrale Patentabteilung
82049 Höllriegelskreuth
82049 Höllriegelskreuth (DE)

   


(54) Tieftemperatur-Luftzerlegungsverfahren


(57) Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturzerlegung von Luft in einer Rektifikationseinheit, die eine Drucksäule (1), eine Niederdrucksäule (2) und ein Kondensator-Verdampfer-System mit mindestens zwei Fallfilmverdampfern (203, 204) umfasst. Sauerstoffreiche Flüssigkeit aus der Niederdrucksäule (2) wird in die Verdampfungspassagen des ersten und des zweiten Fallfilmverdampfers (203, 204) eingeleitet und teilweise verdampft. Nicht verdampfte sauerstoffreiche Flüssigkeit aus dem ersten Fallfilmverdampfer (203) wird in die Verdampfungspassagen des zweiten Fallfilmverdampfers (204) überführt.




Beschreibung


[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 Nm3/h Sauerstoff verdampft werden, d.h. in jedem Fallfilmverdampfer 3, 4 werden 50.000 Nm3/h erzeugt. Aus Sicherheitsgründen werden die Fallfilmverdampfer 3, 4 mit der dreifachen Menge an flüssigem Sauerstoff, d.h. mit jeweils 150.000 Nm3/h, beaufschlagt. Insgesamt werden so 300.000 Nm3/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 Nm3/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 Nm3/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 Nm3/h Flüssigsauerstoff aufgegeben werden. Am unteren Ende dieses Fallfilmverdampfers 203 fallen 50.000 Nm3/h Sauerstoffdampf sowie 100.000 Nm3/h Überschussflüssigkeit an. Zu diesen 100.000 Nm3/h Überschussflüssigkeit werden über Leitung 216 50.000 Nm3/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 Nm3/h dampfförmigen Sauerstoff und 100.000 Nm3/h Überschussflüssigkeit.

[0030] Die Pumpe 211 muss in diesem Fall insgesamt 200.000 Nm3/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 Nm3/h Flüssigsauerstoff auszulegen, während bei der erfindungsgemäßen Lösung eine für 200.000 Nm3/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 Nm3/h dampfförmiger Sauerstoff, d.h. in jedem Fallfilmverdampfer 403, 404, 421 jeweils 33.333 Nm3/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 Nm3/h flüssiger Sauerstoff aus dem Sumpf 10 der Niederdrucksäule 2 gefördert werden. Am unteren Ende des Fallfilmverdampfers 403 ergeben sich 33.333 Nm3/h dampfförmiger und 66.666 Nm3/h flüssiger Sauerstoff. Dem Fallfilmverdampfer 404 müssen somit über Leitung 416 weitere 33.333 Nm3/h frischer Sauerstoff zugegeben werden. Am unteren Ende des Verdampfers 404 fallen ebenfalls 33.333 Nm3/h dampfförmiger und 66.666 Nm3/h flüssiger Sauerstoff an, so dass auch dem untersten Fallfilmverdampfer 421 noch 33.333 Nm3/h Flüssigsauerstoff mittels der Pumpe 411 zugeführt werden müssen. Insgesamt müssen so 166.666 Nm3/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 Nm3/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.


Ansprüche

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.
 




Zeichnung
















Recherchenbericht