EP1672301B1 - Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemischs, insbesondere von Luft - Google Patents

Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemischs, insbesondere von Luft Download PDF

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EP1672301B1
EP1672301B1 EP05024947.3A EP05024947A EP1672301B1 EP 1672301 B1 EP1672301 B1 EP 1672301B1 EP 05024947 A EP05024947 A EP 05024947A EP 1672301 B1 EP1672301 B1 EP 1672301B1
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EP
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heat exchanger
direct contact
line
low
cooler
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Linde GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a device for producing a product by cryogenic separation of a gas mixture, in particular air, with a direct contact cooler for cooling the feed mixture, with a cleaning device for cleaning the cooled feed mixture and with a low temperature part, the main heat exchanger for cooling the purified feed mixture to about dew point and a distillation column for cryogenic decomposition of the feed mixture.
  • cryogenic temperature is meant here basically any temperature which is below the ambient temperature, but preferably a temperature of 200 K or less, most preferably 150 K or less, for example 100 K or less.
  • a direct contact cooler In a "direct contact cooler” the feed mixture is brought into direct heat exchange with a coolant, for example water, and thereby cooled. It is used in particular for removing heat of compression, which has arisen in a feed gas compressor, which is usually connected upstream.
  • a coolant for example water
  • a subsequent "cleaning device” is usually designed as an adsorption device and in particular has at least two switchable container, which are operated cyclically. It serves to separate unwanted components, for example those which can freeze out in the low-temperature part.
  • the feed mixture is first cooled to about dew point temperature and then decomposed in a distillation column system.
  • the low-temperature part thus contains one or more heat exchangers and one or more distillation columns.
  • the product is in Withdrawn gas or liquid form.
  • the cryogenic part is usually thermally insulated by being enclosed by one or more cold boxes.
  • the “main heat exchanger” serves to heat the gaseous product (s) in indirect heat exchange with at least one feed mixture stream.
  • the three mentioned plant components are usually arranged so that the consumption of floor space is as low as possible. This is not satisfactory in all cases.
  • the invention is therefore based on the object to further optimize the arrangement of the components of a cryogenic separation plant in order to achieve a particularly high efficiency of the system.
  • This object is achieved in that the direct contact cooler, the cleaning device and the low-temperature part are arranged in a line.
  • the arrangement “on a line” means that there must be at least one horizontal straight line, which intersects the bases of all three plant components mentioned.
  • “Base area” is understood here as the footprint that is required for the corresponding system components including the directly associated functional units such as, for example, pumps and fittings.
  • the arrangement in a line minimizes in particular the effort in the fluidic connection of the system components with each other.
  • the corresponding pipe lengths and the scope of the associated steel construction devices such as pipe bridges are minimized. For very large plants with a single-gas flow rate of 300,000 Nm, this means 3 / h or more - a noticeable reduction in investment costs.
  • the linear arrangement also has the advantage that the system components are basically accessible from both sides for assembly and maintenance. This reduces the operating and repair costs of the system.
  • the direct contact cooler is preceded by a feed gas compressor for compressing the feed mixture.
  • a feed gas compressor for compressing the feed mixture.
  • This can be arranged in the context of the invention, for example, laterally next to the group of direct contact cooler, cleaning device and low temperature part.
  • it is particularly favorable when the feed gas compressor, the direct contact cooler, the cleaning device and the low-temperature part are arranged in a line. This further enhances the above advantages.
  • connection means may be arranged, for example on the side of the cryogenic part a pipe bridge for discharging the products and / or on the compressor side a gas or steam turbine for driving the feed gas compressor with appropriate accessories, such as an air condenser, steam -, gas and / or cooling water lines for machines or the like. Nevertheless, the various system components remain easily accessible.
  • the drive shaft of the feed gas compressor runs, in this case in particular, preferably substantially perpendicular to the line on which the direct contact cooler, the cleaning device and the low-temperature part are arranged.
  • the feed gas compressor may be arranged laterally next to the other system parts.
  • the drive shaft of the feed gas compressor runs essentially parallel to the line on which the direct contact cooler, the cleaning device and the low-temperature part are arranged.
  • the base of the previously mentioned system components has a relatively elongated shape. More specifically, in this case, the ratio of the dimension of the smallest rectangle including the bases of the direct contact cooler, the purifier, and the cryogenic part and possibly the feed gas compressor in the direction of a straight line connecting direct contact cooler and low temperature part to the extension in the direction perpendicular thereto is larger than 1, in particular greater than 1.5. For example, this ratio is 2.0 or more, especially 3.0 or more.
  • the device for connecting the individual systems with each other (for example, pipe bridge for product lines) is arranged along the narrow sides and can thus be made relatively short and inexpensive.
  • the cryogenic part regularly comprises a heat exchanger box containing at least one main heat exchanger, a rectification box containing at least one distillation column, and an expansion machine located within a turbine box. It is favorable if the turbine box is arranged at a transition section of the low-temperature part, which is located between the heat exchanger box and the rectification box. Alternatively, the turbine box may be connected directly to the heat exchanger box.
  • the claims 7 to 12 contain further advantageous embodiments of the device according to the invention. Their features can be applied in a device for producing a product by cryogenic separation of a gas mixture, in particular air, as a non-inventive embodiment, independently of the features of claims 1 to 6 or according to the invention in combination with these.
  • the feed mixture line for introducing feed mixture into the main heat exchanger and the product line for drawing off the product flow from the main heat exchanger run substantially parallel to a main orientation axis and are arranged on opposite sides of the main heat exchanger.
  • the "main axis of orientation" represents an abstract straight line that runs in a horizontal direction and is not usually materialized by components of the plant or any other physical device.
  • substantially parallel are two directions if they form an angle of less than 20 °, preferably less than 10 °, most preferably less than 5 ° with each other.
  • the arrangement according to claim 7 offers the advantage that the devices for the discharge of the products, for example one or more manifolds, into which the product line (s) open, on one side of the main heat exchanger and the means for pretreatment of the feed mixture on the opposite side of the main heat exchanger can be arranged. This makes very small pipe lengths possible.
  • the arrangement also has the advantage that the system components are basically accessible from both sides for assembly and maintenance. This reduces the operating and repair costs of the system.
  • the device prefferably has a collecting line, into which the product line opens at its end facing away from the main heat exchanger, and when the collecting line runs essentially perpendicular to the main orientation axis.
  • One direction is "substantially perpendicular" to another when the respective straight lines subtend an angle of 70 ° to 110 °, preferably 80 ° to 100 °, most preferably 85 ° to 95 °.
  • One or more manifolds may connect the device and possibly other identical or similar devices (strands) to a multi-line plant, or to a tank farm and / or to an emergency supply device.
  • the manifold (s) can be arranged on a pipe bridge or on the ground. In the latter case, the manifolds are routinely routed to so-called sleepers.
  • manifold (s) are connected to a product line of one or more other cryogenic decomposition devices.
  • manifold (s) may be connected to a storage container for product.
  • the main heat exchanger is embodied exclusively as a recuperative heat exchanger, that is to say as a non-reversible heat exchanger.
  • the claims 13 to 16 contain further advantageous embodiments of the device according to the invention. Their features can be applied in a device for producing a product by cryogenic separation of a gas mixture, in particular air, as a non-inventive embodiment, independently of the features of claims 1 to 12 or according to the invention in combination with these.
  • the ratio of the distance between the evaporative cooler and the direct contact cooler to the distance between the evaporative cooler and the main heat exchanger is at least 0.5, in particular at least 1.0.
  • the evaporative cooler 15 is thus arranged comparatively close to the main heat exchanger. Although this means higher costs for the coolant piping; However, the line for the gas flow from the low-temperature part can be made very short. In the context of the invention has been found that this arrangement leads to a total of comparatively low investment costs costs. In particular, the effort for the pipelines and the associated steel construction costs is reduced. This is partly due to the very high cross section (for example 1 to 2 m) of the gas line to the evaporative cooler.
  • Atmospheric air is sucked in as "feed mixture” via an inlet filter 1 and fed via feed pipes 51, 52, 53, 54 to other plant components.
  • a main air compressor 2 which in the example represents the "feed gas compressor”
  • the compressed air 52 flows into a direct contact cooler 3 where it is cooled in direct heat exchange with cooling water flowing over a cooling water piping 61.
  • the cooled air 53 is further passed into a purifier 4 having a pair of molecular sieve adsorbers 5, 6.
  • the purified air 54 continues to flow to the cryogenic part 7.
  • the low-temperature part can consist of a single cold box, in which all cryogenic apparatus are arranged, in particular the one or more heat exchangers and the distillation column (s), or from a plurality of separate cold boxes.
  • a cylindrical rectification box 9 contains the distillation columns 9a, here a double column with high-pressure and low-pressure column and a main capacitor arranged therebetween.
  • the remaining cold parts, in particular the main heat exchanger 8a are housed in a cuboid heat exchanger box 8.
  • the two cold boxes 8, 9 insulate the respective cold parts of the apparatus against heat from the environment.
  • a transition section 10 also belongs to the low-temperature part. He is also surrounded by a coldbox; Alternatively, located in the transition section 10 piping and fittings are thermally insulated by means of a correspondingly smaller cold box.
  • the main heat exchanger is designed as exclusively recuperative heat exchanger, so not as a switchable heat exchanger (Revex). It consists, for example, of one block or a plurality of flow-connected blocks.
  • the block or blocks are preferably designed as aluminum plate heat exchangers.
  • Possible further heat exchangers, such as one or more subcooling countercurrents, may also be accommodated in the heat exchanger box; alternatively or additionally, one or more blocks of subcooling countercurrents may be arranged in the rectification box.
  • the form of the rectification box may differ from the exemplary embodiment; For example, it may be substantially cuboidal.
  • the main air compressor 2 is driven via a first shaft 11 by a drive means 12, which is designed as an electric motor, gas or steam turbine.
  • a booster 14 is for a portion of the purified air 54 intended.
  • the inlet of the booster 14 is connected to the pipe 54 for the purified air.
  • the further compressed air in the booster 14 is passed through a further, not shown in the drawing pipe in the low-temperature part 7, in particular in the heat exchanger box 8.
  • the booster 14 is also driven by a further shaft 13 of the drive means 12.
  • the booster could be driven independently of the main air compressor, for example by a separate gas or steam turbine or by a separate electric motor.
  • the products of the low-temperature part 7 are discharged via exemplary product lines 105, 106, which open here into manifolds 107 and 108, respectively.
  • the manifolds 107, 108 are arranged on a pipe bridge 109 and can connect the device and possibly other identical or similar devices (strands) to a multi-strand system or lead to a tank farm and / or to an emergency supply device.
  • an evaporative cooler 15 For cooling water before its introduction into the direct contact cooler 3, an evaporative cooler 15 is used. In it, dry residual nitrogen from the low-temperature part is brought into direct heat and mass transfer with cooling water to be cooled. About the cooling water piping 61 cold cooling water is passed to the direct contact cooler. Warm cooling water is returned directly or indirectly to the evaporative cooler. The moist nitrogen from the evaporative cooler escapes into the atmosphere.
  • the apparatus also includes utility piping 63, the location of which is schematically indicated in the drawing.
  • the equipment piping serves to transport steam, gas and / or cooling water and to dispose of condensate, cooling water, etc. It flows into resource headers (not shown), which can be arranged on the pipe bridge 109.
  • Resource and booster air tubing 63, 62 may be located on the floor (on sleepers) or on one or more pipe bridges.
  • the base surfaces of the direct contact cooler 3, the cleaning device 4 and the low-temperature part 7 have in the embodiment circular, rectangular or a complex shape. These bases are arranged in a line, for example on a main orientation axis 101. In addition, this line 101 also extends through the base area of the main air compressor 2. This results in a particularly short feed gas piping 52/53/54.
  • the product lines 105, 106 which are arranged parallel to the entrance of the insert line 54, have a particularly short length. They can even be so short that their own pipe bridge is not needed.
  • the rectangle 102 which encloses the bases of direct contact cooler 3, cleaning device 4 and low-temperature part 7, is approximately 1.7 times longer in the extent that extends vertically in the drawing than in the direction perpendicular thereto (horizontally in the drawing).
  • a factor of about 1.8 applies for the rectangle 103, which also encloses the base of the main air compressor and the apparatuses connected to it.
  • a short pipe bridge 109 and short lines 107, 108 of sufficient length for the product removal or the resource supply and removal; This is particularly advantageous in multi-strand systems. (Due to its schematic character, the drawing is not necessarily to scale in this respect either.)
  • direct contact coolers 3 and evaporative coolers 15 are arranged as a unit or at least as immediately adjacent units because of their functional relationship. In the embodiment, however, the evaporative cooler 15 is much closer to the low temperature part than the direct contact cooler.
  • the distance 104 between the evaporative cooler 15 and the main heat exchanger 8a is about one fifth of the distance between the direct contact cooler 3 and the low temperature part 7.
  • the residual nitrogen pipe between the main heat exchanger and the evaporative cooler 15 which is not shown in the drawing, only a relatively short Overcome route and can therefore be realized particularly cost effective; This saving is significant because of the very large cross-section of the residual nitrogen pipe.
  • the cooling water piping is longer, but has a much smaller cross-section and increases the cost of the apparatus only insignificantly.
  • Cryogenic air separation plants regularly have one or more expansion machines, which serve to generate cold by work-performing relaxation of one or more process streams and are usually designed as turbines.
  • the plant of the embodiment preferably has a turbine for work-performing expansion of a partial flow of the feed air or a product or intermediate product stream from the low-temperature decomposition. This turbine is seated in a turbine box 16, which is arranged in the embodiment at the transition section 10 between the heat exchanger box 8 and rectification box 9.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Produkts durch Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemischs, insbesondere von Luft, mit einem Direktkontaktkühler zur Kühlung des Einsatzgemischs, mit einer Reinigungsvorrichtung zu Reinigung des gekühlten Einsatzgemischs und mit einem Tieftemperaturteil, der einen Hauptwärmetauscher zur Abkühlung des gereinigten Einsatzgemischs auf etwa Taupunktstemperatur und eine Destilliersäule zur Tieftemperaturzerlegung des Einsatzgemischs aufweist.
  • Vorrichtungen zur Tieftemperaturzerlegung atmosphärischer Luft oder anderer Gasgemische sind zum Beispiel aus Hausen/Linde, Tieftemperaturtechnik, 2. Auflage 1985 bekannt.
  • Unter "Tieftemperatur" wird hier grundsätzlich jede Temperatur verstanden, die unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, vorzugsweise jedoch eine Temperatur von 200 K oder weniger, höchst vorzugsweise von 150 K oder weniger, beispielsweise von 100 K oder weniger.
  • In einem "Direktkontaktkühler" (direct contact cooler) wird das Einsatzgemisch in direkten Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel, zum Beispiel Wasser, gebracht und dadurch abgekühlt. Er dient insbesondere zum Abführen von Verdichtungswärme, die in einem in der Regel vorgeschalteten Einsatzgasverdichter entstanden ist.
  • Eine nachfolgende "Reinigungseinrichtung" ist in der Regel als Adsorptionsvorrichtung ausgebildet und weist insbesondere mindestens zwei umschaltbare Behälter aus, die zyklisch betrieben werden. Sie dient der Abtrennung unerwünschter Komponenten, beispielsweise solcher, die im Tieftemperaturteil ausfrieren können.
  • Im "Tieftemperaturteil" wird das Einsatzgemisch zunächst auf etwa Taupunktstemperatur abgekühlt und anschließend in einem Destilliersäulensystem zerlegt. Der Tieftemperaturteil enthält also einen oder mehrere Wärmetauscher und eine oder mehrere Destilliersäulen. Aus dem Tieftemperaturteil wird das Produkt in Gas- oder Flüssigform abgezogen. Selbstverständlich können auch mehrere Produkte in gleichem oder unterschiedlichem Aggregatzustand sowie in gleicher oder verschiedener chemischer Zusammensetzung erzeugt werden. Um Verluste durch einströmende Umgebungswärme zu verhindern, ist der Tieftemperaturteil üblicherweise wärmeisoliert, indem er von einer oder mehreren Coldboxen umschlossen wird.
  • Der "Hauptwärmetauscher" dient zur Anwärmung des oder der gasförmigen Produkts/Produkte in indirektem Wärmeaustausch mit mindestens einem Einsatzgemischstrom.
  • Die drei genannten Anlagenkomponenten werden üblicherweise so angeordnet, dass der Verbrauch an Grundfläche möglichst niedrig ist. Dies ist nicht in allen Fällen zufrieden stellend.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Anordnung der Komponenten einer Tieftemperaturzerlegungsanlage weiter zu optimieren, um eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit der Anlage zu erreichen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Direktkontaktkühler, die Reinigungsvorrichtung und der Tieftemperaturteil auf einer Linie angeordnet sind.
  • Die Anordnung "auf einer Linie" bedeutet, dass es mindestens eine horizontale Gerade geben muss, welche die Grundflächen aller drei genannten Anlagenkomponenten schneidet. Unter "Grundfläche" wird hier die Aufstellfläche verstanden, die für die entsprechenden Anlagenkomponenten einschließlich der unmittelbar zugehörigen Funktionseinheiten wie zum Beispiel Pumpen und Armaturen benötigt wird.
  • Eine solche Anordnung ist natürlich - entgegen der bisherigen Praxis - nicht optimal hinsichtlich der Ausnutzung der Grundfläche der Gesamtanlage, weil die Grundflächen der drei Komponenten unterschiedlich groß sind. (In der Regel benötigen Direktkontaktkühler beziehungsweise Reinigungseinrichtung weniger Platz als der Tieftemperaturteil.) Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass dieser Nachteil durch wesentliche Vorteile überkompensiert wird.
  • Die Anordnung in einer Linie minimiert insbesondere den Aufwand bei der strömungstechnischen Verbindung der Anlagenkomponenten untereinander. Die entsprechenden Rohrlängen und der Umfang der zugehörigen Stahlbauvorrichtungen wie zum Beispiel Rohrbrücken werden minimiert. Dies bedeutet bei sehr großen Anlagen mit einem Einsätzgasdurchsatz von 300.000 Nm3/h oder mehr - eine spürbare Verminderung der Investitionskosten.
  • Die lineare Anordnung hat außerdem den Vorteil, dass die Anlagekomponenten grundsätzlich von beiden Seiten her für Montage- und Wartungsarbeiten zugänglich sind. Dies reduziert die Betriebs- und Reparaturkosten der Anlage.
  • Üblicherweise ist dem Direktkontaktkühler ein Einsatzgasverdichter zur Verdichtung des Einsatzgemischs vorgeschaltet. Dieser kann im Rahmen der Erfindung beispielsweise seitlich neben der Gruppe aus Direktkontaktkühler, Reinigungsvorrichtung und Tieftemperaturteil angeordnet sein. Besonders günstig ist es jedoch, wenn der Einsatzgasverdichter, der Direktkontaktkühler, die Reinigungsvorrichtung und der Tieftemperaturteil auf einer Linie angeordnet sind. Dies verstärkt die oben genannten Vorteile weiter.
  • Die lineare Anordnung aller vier Anlagenkomponenten ist insbesondere bei mehrsträngigen Einheiten vorteilhaft, bei denen mehrere der erfindungsgemäßen Vorrichtungen (Stränge, trains) nebeneinander angeordnet sind. Hierbei können an den Enden der Einzelstränge verschiedene Verbindungseinrichtungen angeordnet sein, beispielsweise auf der Seite des Tieftemperaturteils eine Rohrbrücke zum Abführen der Produkte und/oder auf der Verdichterseite eine Gas- oder Dampfturbine zum Antrieb des Einsatzgasverdichters mit entsprechendem Zubehör, wie zum Beispiel einem Luftkondensator, Dampf-, Gas- und/oder Kühlwasserleitungen für Maschinen oder Ähnlichem. Dennoch bleiben die verschiedenen Anlagenkomponenten leicht zugänglich.
  • Die Antriebswelle des Einsatzgasverdichters verläuft insbesondere in diesem Fall vorzugsweise im Wesentlichen senkrecht zu der Linie, auf welcher der Direktkontaktkühler, die Reinigungsvorrichtung und der Tieftemperaturteil angeordnet sind.
  • Alternativ dazu kann der Einsatzgasverdichter seitlich neben den übrigen Anlagenteilen angeordnet sein. Dabei verläuft insbesondere die Antriebswelle des Einsatzgasverdichters im Wesentlichen parallel zu der Linie, auf welcher der Direktkontaktkühler, die Reinigungsvorrichtung und der Tieftemperaturteil angeordnet sind.
  • Insbesondere bei mehrsträngigen Anlagen ist es außerdem günstig, wenn die Grundfläche der bisher genannten Anlagenkomponenten eine relativ langgestreckte Form hat. Genauer gesagt ist in diesem Fall das Verhältnis der Ausdehnung des kleinsten Rechtecks, das die Grundflächen des Direktkontaktkühlers, der Reinigungsvorrichtung und des Tieftemperaturteils und ggf. des Einsatzgasverdichters einschließt, in Richtung einer Verbindungsgeraden zwischen Direktkontaktkühler und Tieftemperaturteil zu der Ausdehnung in der dazu senkrechten Richtung größer als 1, insbesondere größer als 1,5. Zum Beispiel beträgt dieses Verhältnis 2,0 oder mehr, insbesondere 3,0 oder mehr.
  • Mehrere derartiger Vorrichtungen können dann längsseitig nebeneinander angeordnet werden, um die mehrsträngige Anlage zu bilden. Die Vorrichtung zur Verbindung der Einzelanlagen untereinander (zum Beispiel Rohrbrücke für Produktleitungen) wird entlang der Schmalseiten angeordnet und kann damit relativ kurz und kostengünstig ausgeführt werden.
  • Das in Anspruch 5 beschriebene Merkmal, nämlich die eher längliche Grundfläche der Einzelanlage, kann grundsätzlich auch bei Vorrichtungen verwirklicht werden, welche die Merkmale des Anspruchs 1 nicht erfüllen.
  • Der Tieftemperaturteil weist regelmäßig eine Wärmetauscher-Box, die mindestens einen Hauptwärmetauscher enthält, eine Rektifikationsbox, die mindestens eine Destilliersäule enthält, und eine innerhalb eines Turbinenkastens angeordnete Entspannungsmaschine auf. Es ist günstig, wenn der Turbinenkasten an einem Übergangsabschnitt des Tieftemperaturteils angeordnet ist, der sich zwischen Wärmetauscher-Box und Rektifikationsbox befindet. Alternativ kann der Turbinenkasten direkt mit der Wärmetauscher-Box verbunden sein.
  • Das in Anspruch 6 beschriebene Merkmal, nämlich die Anordnung einer Entspannungsmaschine am Übergangsabschnitt zwischen Wärmetauscher-Box und Rektifikationsbox, kann grundsätzlich auch bei nicht erfindungsgemäßen Vorrichtungen verwirklicht werden, welche die Merkmale des Anspruchs 1 nicht erfüllen.
  • Die Ansprüche 7 bis 12 enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ihre Merkmale können bei einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Produkts durch Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemischs, insbesondere von Luft, als eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform auch unabhängig von den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 6 oder erfindungsgemäß in Kombination mit diesen angewendet werden. Die Einsatzgemischleitung zur Einleitung von Einsatzgemisch in den Hauptwärmetauscher und die Produktleitung zum Abziehen des Produktstroms aus dem Hauptwärmetauscher verlaufen dabei im Wesentlichen parallel zu einer Hauptorientierungsachse und sind an einander gegenüberliegenden Seiten des Hauptwärmetauschers angeordnet.
  • Die "Hauptorientierungsachse" stellt eine abstrakte Gerade dar, die in horizontaler Richtung verläuft und in der Regel nicht durch Bauteile der Anlage oder eine sonstige physische Einrichtung materialisiert ist.
  • "Im Wesentlichen parallel" sind zwei Richtungen dann, wenn sie einen Winkel von weniger als 20°, vorzugsweise weniger als 10°, höchst vorzugsweise weniger als 5° miteinander bilden.
  • Die Anordnung gemäß Anspruch 7 bietet den Vorteil, dass die Einrichtungen für die Abführung der Produkte, zum Beispiel eine oder mehrere Sammelleitungen, in welche die Produktleitung(en) mündet/münden, auf der einen Seite des Hauptwärmetauschers und die Einrichtungen zur Vorbehandlung des Einsatzgemischs auf der gegenüber liegenden Seite des Hauptwärmetauschers angeordnet werden können. Damit werden sehr geringe Rohrleitungslängen möglich.
  • Die gegenüber liegende Anordnung von Einsatzgemisch- und Produktleitungen minimiert insbesondere den Aufwand bei der strömungstechnischen Verbindung der Anlagenkomponenten untereinander. Die entsprechenden Rohrlängen und der Umfang der zugehörigen Stahlbauvorrichtungen wie zum Beispiel Rohrbrücken werden minimiert. Dies bedeutet - bei sehr großen Anlagen mit einem Einsatzgasdurchsatz 300.000 Nm3/h oder mehr- eine spürbare Verminderung der Investitionskosten.
  • Die Anordnung hat außerdem den Vorteil, dass die Anlagekomponenten grundsätzlich von beiden Seiten her für Montage- und Wartungsarbeiten zugänglich sind. Dies reduziert die Betriebs- und Reparaturkosten der Anlage.
  • Außerdem ist es günstig, wenn die Vorrichtung eine Sammelleitung aufweist, in welche die Produktleitung an ihrem dem Hauptwärmetauscher abgewandten Ende einmündet, und wenn die Sammelleitung im Wesentlichen senkrecht zur Hauptorientierungsachse verläuft.
  • Eine Richtung ist "im Wesentlichen senkrecht" zu einer anderen, wenn die entsprechenden Geraden einen Winkel von 70° bis 110°, vorzugsweise 80° bis 100° höchst vorzugsweise 85° bis 95° einschließen.
  • Eine oder mehrere Sammelleitungen können die Vorrichtung und mögliche weitere identische oder ähnliche Vorrichtungen (Stränge) zu einer mehrsträngigen Anlage verbinden beziehungsweise zu einem Tanklager und/oder zu einer Notversorgungsvorrichtung führen.
  • Die Sammelleitung(en) kann/können auf einer Rohrbrücke oder auf dem Boden angeordnet sein. Im letzteren Fall werden die Sammelleitungen regelmäßig auf so genannten Sleepern verlegt.
  • Vorzugsweise ist/sind Sammelleitung(en) mit einer Produktleitung einer oder mehrerer weiteren Tieftemperaturzerlegungs-Vorrichtungen verbunden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann/können die Sammelleitung(en) mit einem Speicherbehälter für Produkt verbunden sein.
  • Es ist günstig, wenn bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Hauptwärmetauscher ausschließlich als rekuperativer Wärmetauscher ausgeführt ist, das heißt als nicht umschaltbarer Wärmetauscher.
  • Die Ansprüche 13 bis 16 enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ihre Merkmale können bei einer Vorrichtung zur Erzeugung eines Produkts durch Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemischs, insbesondere von Luft, als eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsform auch unabhängig von den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 12 oder erfindungsgemäß in Kombination mit diesen angewendet werden.
  • Wenn ein Verdunstungskühler eingesetzt wird, ist es günstig, wenn das Verhältnis des Abstandes zwischen Verdunstungskühler und Direktkontaktkühler zu dem Abstand zwischen Verdunstungskühler und Hauptwärmetauscher mindestens 0,5 , insbesondere mindestens 1,0 beträgt.
  • Der Verdunstungskühler 15 ist somit vergleichsweise nahe dem Hauptwärmetauscher angeordnet. Dies bedeutet zwar höheren Aufwand für die Kühlmittelverrohrung; allerdings kann die Leitung für den Gasstrom aus dem Tieftemperaturteil besonders kurz ausgeführt werden. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass diese Anordnung zu insgesamt vergleichsweise niedrigen Investitionskosten kosten führt. Es wird insbesondere der Aufwand für die Rohrleitungen und den dazugehörigen Stahlbau-Kosten verringert. Dies ist teilweise auf den sehr hohen Querschnitt (beispielsweise 1 bis 2 m) der Gasleitung zum Verdunstungskühler zurückzuführen.
  • Die abhängigen Patentansprüche 14 bis 16 enthalten weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Vorrichtung näher erläutert, die als Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage ausgebildet ist.
  • Atmosphärische Luft wird als "Einsatzgemisch" über ein Einlassfilter 1 angesaugt und über Einsatz-Rohrleitungen 51, 52, 53, 54 zu weiteren Anlagenkomponenten geführt. Zunächst wird die gefilterte Luft 51 in einem Hauptluftverdichter 2, der in dem Beispiel den "Einsatzgasverdichter" darstellt, komprimiert. Die verdichtete Luft 52 strömt in einen Direktkontaktkühler 3 und wird dort in direktem Wärmeaustausch mit Kühlwasser, das über eine Kühlwasser-Verrohrung 61 heranströmt, abgekühlt. Die abgekühlte Luft 53 wird weiter in eine Reinigungseinrichtung 4 geleitet, die ein Paar von Molekularsieb-Adsorbern 5, 6 aufweist. Die gereinigte Luft 54 strömt weiter zum Tieftemperaturteil 7.
  • Der Tieftemperaturteil kann aus einer einzigen Coldbox bestehen, in der alle kryogenen Apparate angeordnet sind, insbesondere der oder die Wärmetauscher und die Destilliersäule(n), oder auch aus einer Vielzahl separater Coldboxen. In dem Beispiel sind zwei separate Coldboxen vorgesehen. Eine zylinderförmige Rektifikationsbox 9 enthält die Destilliersäulen 9a, hier eine Doppelsäule mit Hochdruck- und Niederdrucksäule und einem dazwischen angeordneten Hauptkondensator. Die übrigen kalten Teile, insbesondere der Hauptwärmetauscher 8a sind in einer quaderförmigen Wärmetauscher-Box 8 untergebracht. Die beiden Coldboxen 8, 9 isolieren die jeweiligen kalten Apparateteile gegen Wärmeeinfall aus der Umgebung. Ein Übergangsabschnitt 10 gehört ebenfalls zum Tieftemperaturteil. Er wird ebenfalls von einer Coldbox umschlossen; alternativ werden die im Übergangsabschnitt 10 befindlichen Rohrleitungen und Armaturen mittels einer entsprechend kleineren Coldbox wärmeisoliert.
  • Der Hauptwärmetauscher ist als ausschließlich rekuperativer Wärmetauscher ausgebildet, also nicht als umschaltbarer Wärmetauscher (Revex). Er besteht zum Beispiel aus einem Block oder einer Mehrzahl von strömungstechnisch miteinander verbundenen Blöcken. Der oder die Blöcke sind vorzugsweise als Aluminium-Plattenwärmetauscher ausgebildet. Mögliche weitere Wärmetauscher wie zum Beispiel ein oder mehrere Unterkühlungs-Gegenströmer können ebenfalls in der Wärmetauscher-Box untergebracht sein; alternativ oder zusätzlich können ein oder mehrere Blöcke von Unterkühlungs-Gegenströmern in der Rektifikationsbox angeordnet sein. Die Form der Rektifikationsbox kann vom Ausführungsbeispiel abweichen; sie kann zum Beispiel im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sein.
  • Der Hauptluftverdichter 2 wird über eine erste Welle 11 von einem Antriebsmittel 12 angetrieben, das als Elektromotor, Gas- oder Dampfturbine ausgebildet ist. Außerdem ist in dem Beispiel ein Nachverdichter 14 für einen Teil der gereinigten Luft 54 vorgesehen. Über eine in der Zeichnung lediglich angedeutete Booster-Luft-Verrohrung 62 ist der Einlass des Nachverdichters 14 mit der Rohrleitung 54 für die gereinigte Luft verbunden. Die im Nachverdichter 14 weiterverdichtete Luft wird über eine weitere, in der Zeichnung nicht dargestellte Rohrleitung in den Tieftemperaturteil 7 geleitet, insbesondere in die Wärmetauscher-Box 8. In dem Beispiel wird der Nachverdichter 14 über eine weitere Welle 13 ebenfalls von dem Antriebsmittel 12 angetrieben. Alternativ könnte der Nachverdichter unabhängig vom Hauptluftverdichter angetrieben werden, beispielsweise durch eine separate Gas- oder Dampfturbine oder durch einen separaten Elektromotor.
  • Die Produkte des Tieftemperaturteils 7 werden über beispielhaft eingezeichnete Produktleitungen 105, 106 abgegeben, die hier in Sammelleitungen 107 beziehungsweise 108 münden. Die Sammelleitungen 107, 108 sind auf einer Rohrbrücke 109 angeordnet und können die Vorrichtung und mögliche weitere identische oder ähnliche Vorrichtungen (Stränge) zu einer mehrsträngigen Anlage verbinden beziehungsweise zu einem Tanklager und/oder zu einer Notversorgungsvorrichtung führen.
  • Zur Abkühlung von Wasser vor dessen Einleitung in den Direktkontaktkühler 3 dient ein Verdunstungskühler 15. Darin wird trockener Reststickstoff aus dem Tieftemperaturteil in direkten Wärme- und Stoffaustausch mit abzukühlendem Kühlwasser gebracht. Über die Kühlwasser-Verrohrung 61 wird kaltes Kühlwasser zum Direktkontaktkühler geleitet. Warmes Kühlwasser wird direkt oder indirekt zum Verdunstungskühler zurückgeführt. Der feuchte Stickstoff aus dem Verdunstungskühler entweicht in die Atmosphäre.
  • Die Vorrichtung weist außerdem eine Betriebsmittel-Verrohrung (utility piping) 63 auf, deren Lage in der Zeichnung schematisch angedeutet ist. Die Betriebsmittel-Verrohrung dient zum Transport von Dampf, Gas und/oder Kühlwasser und zum Entsorgen von Kondensat, Kühlwasser etc. Sie mündet in Betriebsmittel-Sammelleitungen (nicht eingezeichnet), die auf der Rohrbrücke 109 angeordnet sein können. Betriebsmittel- und Booster-Luft-Verrohrung 63, 62 können auf dem Boden (auf Sleepern) oder auf einer oder mehreren Rohrbrücken angeordnet sein.
  • Die Grundflächen des Direktkontaktkühlers 3, der Reinigungseinrichtung 4 und des Tieftemperaturteils 7 weisen in dem Ausführungsbeispiel Kreisform, Rechteckform beziehungsweise eine komplexe Form auf. Diese Grundflächen sind auf einer Linie, zum Beispiel auf einer Hauptorientierungsachse 101 angeordnet. Zusätzlich verläuft diese Linie 101 auch durch die Grundfläche des Hauptluftverdichters 2. Hierdurch ergibt sich eine besonders kurze Einsatzgasverrohrung 52/53/54. Auch die Produktleitungen 105, 106, die gegenüber dem Eintritt der Einsatzleitung 54 parallel angeordnet sind, weisen eine besonders geringe Länge auf. Sie können sogar so kurz sein, dass eine eigene Rohrbrücke nicht benötigt wird.
  • Das Rechteck 102, das die Grundflächen von Direktkontaktkühler 3, Reinigungseinrichtung 4 und Tieftemperaturteil 7 umschließt, ist in der Ausdehnung, die in der Zeichnung vertikal verläuft, etwa um den Faktor 1,7 länger als in der dazu senkrechten Richtung (horizontal in der Zeichnung). Für das Rechteck 103, das auch die Grundfläche des Hauptluftverdichters und der mit ihm verbundenen Apparate umschließt, gilt ein Faktor von etwa 1,8. Hierdurch reichen eine kurze Rohrbrücke 109 und Sammelleitungen 107, 108 geringer Länge für die Produktabfuhr bzw. die Betriebsmittel-Zu- und Abfuhr aus; dies ist insbesondere bei mehrsträngigen Anlagen von Vorteil. (Die Zeichnung ist wegen ihres schematischen Charakters auch in dieser Hinsicht nicht unbedingt maßstäblich.)
  • Üblicherweise werden Direktkontaktkühler 3 und Verdunstungskühler 15 wegen ihrer funktionellen Beziehung als eine Einheit oder zumindest als unmittelbar benachbarte Einheiten angeordnet. In dem Ausführungsbeispiel ist der Verdunstungskühler 15 jedoch dem Tieftemperaturteil wesentlich näher als dem Direktkontaktkühler. Der Abstand 104 zwischen dem Verdunstungskühler 15 und dem Hauptwärmetauscher 8a beträgt etwa ein Fünftel des Abstandes zwischen dem Direktkontaktkühler 3 und dem Tieftemperaturteil 7. Hierdurch muss die Reststickstoffleitung zwischen dem Hauptwärmetauscher und dem Verdunstungskühler 15, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist, nur eine relativ kurze Strecke überwinden und kann daher besonders kostengünstig realisiert werden; diese Einsparung fällt wegen des sehr großen Querschnitts der Reststickstoffleitung erheblich ins Gewicht. Die Kühlwasser-Verrohrung ist zwar länger, weist aber einen sehr viel geringeren Querschnitt auf und verteuert den Apparat nur unwesentlich.
  • Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen weisen regelmäßig eine oder mehrere Entspannungsmaschinen auf, die zur Erzeugung von Kälte durch arbeitsleistende Entspannung eines oder mehrerer Prozess-Ströme dienen und üblicherweise als Turbinen ausgebildet sind. Die Anlage des Ausführungsbeispiels weist vorzugsweise eine Turbine zur arbeitsleistenden Entspannung eines Teilstroms der Einsatzluft oder eines Produkt- oder Zwischenproduktstroms aus der Tieftemperaturzerlegung auf. Diese Turbine sitzt in einem Turbinenkasten 16, der in dem Ausführungsbeispiel am Übergangsabschnitt 10 zwischen Wärmetauscher-Box 8 und Rektifikationsbox 9 angeordnet ist.

Claims (16)

  1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Produkts durch Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemischs, insbesondere von Luft, mit einem Direktkontaktkühler (3) zur Kühlung des Einsatzgemischs, mit einer Reinigungsvorrichtung (4) zu Reinigung des gekühlten Einsatzgemischs und mit einem Tieftemperaturteil (7), der einen Hauptwärmetauscher (8a) zur Abkühlung des gereinigten Einsatzgemischs auf etwa Taupunktstemperatur und eine Destilliersäule (9a) zur Tieftemperaturzerlegung des Einsatzgemischs aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Direktkontaktkühler (3), die Reinigungsvorrichtung (4) und der Tieftemperaturteil (7) auf einer Linie (101) angeordnet sind und die Vorrichtung für einen Einsatzgasdurchsatz von 300.000 Nm3/h oder mehr ausgelegt ist, wobei die Anordnung "auf einer Linie" bedeutet, dass es mindestens eine horizontale Gerade geben muss, welche die Grundflächen aller drei genannten Anlagenkomponenten schneidet und unter "Grundfläche" hier die Aufstellfläche verstanden wird, die für die entsprechenden Anlagenkomponenten einschließlich der unmittelbar zugehörigen Funktionseinheiten wie zum Beispiel Pumpen und Armaturen benötigt wird.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dem Direktkontaktkühler (3) vorgeschalteten Einsatzgasverdichter (2) zur Verdichtung des Einsatzgemischs, wobei der Einsatzgasverdichter (2), der Direktkontaktkühler (3), die Reinigungsvorrichtung (4) und der Tieftemperaturteil (7) auf einer Linie (101) angeordnet sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen dem Direktkontaktkühler (3) vorgeschalteten Einsatzgasverdichter (2) zur Verdichtung des Einsatzgemischs, wobei die Antriebswelle (11) des Einsatzgasverdichters (2) im Wesentlichen senkrecht zu der Linie (101) verläuft, auf welcher der Direktkontaktkühler (3), die Reinigungsvorrichtung (4) und der Tieftemperaturteil (7) angeordnet sind.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen dem Direktkontaktkühler (3) vorgeschalteten Einsatzgasverdichter (2) zur Verdichtung des Einsatzgemischs, wobei die Antriebswelle des Einsatzgasverdichters (2) im Wesentlichen parallel zu der Linie (101) verläuft, auf welcher der Direktkontaktkühler (3), die Reinigungsvorrichtung (4) und der Tieftemperaturteil (7) angeordnet sind.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ausdehnung des kleinsten Rechtsecks (102; 103), das die Grundflächen des Direktkontaktkühlers (3), der Reinigungsvorrichtung (4) und des Tieftemperaturteils (7) und ggf. des Einsatzgasverdichters (2) einschließt, in Richtung einer Verbindungsgeraden (101) zwischen Direktkontaktkühler (3) und Tieftemperaturteil (7) zu der Ausdehnung in der dazu senkrechten Richtung größer als 1, insbesondere größer als 1,8 ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Tieftemperaturteil (7) eine Wärmetauscher-Box (8), die mindestens einen Hauptwärmetauscher enthält, eine Rektifikationsbox (9), die mindestens eine Destilliersäule enthält, einen Übergangsabschnitt (10), der zwischen Wärmetauscher-Box (8) und Rektifikationsbox (9) angeordnet ist, und einen Turbinenkasten (16), der eine Entspannungsmaschine enthält, aufweist, wobei der Turbinenkasten (16) mit dem Übergangsabschnitt (10) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Einsatzgemischleitung (51, 52, 53, 54) zur Einleitung von Einsatzgemisch in den Hauptwärmetauscher und mit einer Produktleitung (105, 106) zum Abziehen des Produktstroms aus dem Hauptwärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzgemischleitung (54) und die Produktleitung (104, 105) im Wesentlichen parallel zu einer Hauptorientierungsachse (101) verlaufen und an einander gegenüberliegenden Seiten des Hauptwärmetauschers angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Sammelleitung (107, 108), in welche die Produktleitung (104, 105) an ihrem dem Hauptwärmetauscher abgewandten Ende einmündet, wobei die Sammelleitung (107, 108) im Wesentlichen senkrecht zur Hauptorientierungsachse (101) verläuft.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleitung (107, 108) auf einer Rohrbrücke (109) oder auf dem Boden angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleitung mit einer Produktleitung einer oder mehrerer weiteren Tieftemperaturzerlegungs-Vorrichtungen verbunden ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelleitung mit einem Speicherbehälter für Produkt verbunden ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwärmetauscher (8a) ausschließlich als rekuperativer Wärmetauscher ausgeführt ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem Kühlmittelkreislauf (61) zur Lieferung von Kühlmittel für den Direktkontaktkühler, wobei der Kühlmittelkreislauf einen Verdunstungskühler (15) zur Abkühlung von Kühlmittel im direkten Wärmeaustausch mit einem Gasstrom aus dem Tieftemperaturteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes zwischen Verdunstungskühler (15) und Direktkontaktkühler (3) zu dem Abstand (104) zwischen Verdunstungskühler (15) und Hauptwärmetauscher (8a) mindestens 0,5 , insbesondere mindestens 1,0 beträgt.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Abstandes zwischen Verdunstungskühler (15) und Direktkontaktkühler (3) zu dem Abstand (104) zwischen Verdunstungskühler (15) und Hauptwärmetauscher (8a) mindestens 2, insbesondere mindestens 4 beträgt.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (104) zwischen Verdunstungskühler (15) und Hauptwärmetauscher (8a) höchstens 20 m, insbesondere höchstens 10 m beträgt.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen Verdunstungskühler und Direktkontaktkühler (3) mindestens 10 m, insbesondere mindestens 25 m beträgt.
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