Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen eines
ersten Fluids mittels eines Badverdampfer/Kondensators. Ein derartiges Verfahren
ist aus der US-A-5 901 574 bekannt.
Genauer gesagt betrifft die Erfindung einen Verdampfer/Kondensator
von der Art mit einem Bad zwischen einem zu verdampfenden ersten Fluid und einem
zu kondensierenden zweiten Fluid sowie die Verwendung dieser Art des Wärmeaustauschs.
Unter Verdampfung wird eine teilweise oder totale Verdampfung verstanden und unter
Kondensation wird eine teilweise oder totale Kondensation verstanden.
Diese Anordnung wird insbesondere, aber nicht ausschließlich, bei
Anlagen zur Destillation von Luft eingesetzt, die von der Art mit einer Doppelsäules
ind und bei denen zum Beispiel der flüssige Sauerstoff, der sich im Trog der Niederdrucksäule
befindet, in einem Badverdampfer durch Wärmeaustausch mit dem gasförmigen Stickstoff
verdampft wird, der am Kopf der Mitteldruckkolonnen entnommen wird.
Die Funktionsweise der Badwärmetauscher bedingt durch ihre besonderen
Eigenschaften Einschränkungen hinsichtlich der Wärmeaustauschhöhe zwischen dem ersten
und dem zweiten Fluid oder hinsichtlich des Temperaturunterschieds zwischen dem
primären Fluid und dem sekundären Fluid.
Dieses Problem wird besser verstanden, wenn man auf die beigefügten
1 und 2 Bezug
nimmt, die einerseits ein Beispiel für ein Funktionsschema eines Badwärmetauschers
und andererseits ein Beispiel für ein Wärmetauschdiagramm zwischen dem primären
Fluid und dem sekundären Fluid wiedergeben.
In 1 ist auf vereinfachte Weise der äußere
Trog 10 des Badwärmetauschers dargestellt, in dessen Innerem eine Einheit
von Passagen 12 für das "warme" zweite Fluid F2 enthalten ist, das am oberen
Teil dieser Passagen bei 14 eintritt und im unteren Teil bei
16 daraus austritt. Das zu verdampfende "kalte" erste Fluid F1 ist seinerseits
in dem äußeren abgeschlossenen Raum 10 enthalten und strömt durch Thermosiphoneffekt
vom unteren Ende 12a der Passagen für das zweite Fluid F2 bis zu ihrem
oberen Ende 12b, wobei die Höhe dieses Wärmeaustauschbereichs gleich h
ist.
Wie das Diagramm von 2 besser zeigt,
besitzt das erste Fluid F1 am Eintritt des Wärmeaustauschbereichs eine Temperatur
T1,1 und einen Druck P1,1. Diese Temperatur T1,1
und dieser Druck P1,1 entsprechen einem Zustand der Unterkühlung, das
heißt einer Temperatur, die wegen des hydrostatischen Drucks aufgrund der Höhe des
flüssigen Fluids F1 kleiner als die Siedetemperatur Tb1 des Fluids F1
beim Druck P1,1 ist. Genau dies ist in diesem Diagramm wiedergegeben.
Mit Tb ist die (Siede-)Temperatur bezeichnet, bei der die erste Gasblase
in dem Fluid F1 während des Wärmeaustauschs auftritt (bei einem zwischen P1,1
und P1,2 liegenden Druck). Es versteht sich, dass die Energie, die verbraucht
wird, um das primäre Fluid auf die Siedetemperatur Tb zu bringen, für
die Verdampfung der ersten Flüssigkeit "verlorene" Energie ist. In dieser
2 ist ebenso das zweite Fluid F2 dargestellt, dessen
Eintrittstemperatur in den Wärmeaustauschbereich 12 gleich T2,1
ist und dessen Austrittstemperatur gleich T2,2 ist. Man sieht, dass das
Phänomen der Unterkühlung einen "Klemmeffekt" beim Wärmeaustausch zwischen den zwei
Fluiden zur Folge hat.
Zudem wird der Thermosiphoneffekt, der die Zirkulation des ersten
Fluids F1 ermöglicht, durch die Bildung von Blasen des ersten Fluids möglich gemacht.
Wenn die Höhe in dem Wärmetauscher, die der Phase der "Deunterkühlung" entspricht,
zu groß ist, wird der Thermosiphoneffekt unzureichend.
Es versteht sich, dass die Wirkung des hydrostatischen Drucks auf
das erste Fluid am Eingang des Wärmetauschbereichs um so größer wird und damit der
Unterkühlungsbereich ebenso um so größer wird, je größer die Höhe h des Wärmetauschbereichs
ist. Um die Aufrechterhaltung des Thermosiphoneffekts zu ermöglichen, der für die
Zirkulation des ersten Fluids sorgt, muss das "Klemmphenomän" begrenzt werden. Bei
Wärmetauschanlagen des Typs mit Bad ist diese Höhe daher auf 2,5 Meter begrenzt.
Ein weiterer bei dieser Art von Badwärmetauscher vorhandener Nachteil
besteht darin, dass das zuvor beschriebene "Klemmphänomen" einen dazu zwingt, einen
Temperaturunterschied zwischen der Eintrittstemperatur T1,1 des zu verdampfenden
kalten Fluid F1 und der Temperatur T2,2 des warmen Fluid F2 vorzusehen,
der größer als etwa 1,2°C ist, um die Funktion des Wärmetauschers durch Thermosiphoneffekt
wegen des "Klemmeffekts" zu ermöglichen. Es versteht sich aber, dass die Erhöhung
dieses Temperaturunterschieds die thermodynamischen Irreversibilitäten erhöht und
damit den energetischen Wirkungsgrad der ganzen Anlage vermindert. Im Falle zum
Beispiel der Destillation von Gasen aus Luft mittels einer Doppelkolonne, müssen
der Druck der so genannten Mitteldrucksäule und folglich der Druck des Speiseluftkompressors
erhöht werden, wodurch der Energieverbrauch der gesamten Anlage erhöht wird.
Es besteht daher ein echter Bedarf für Wärmetauschverfahren in einer
Anlage von der Art mit Bad, die es erlauben, entweder die vertikale Wärmetauschhöhe
zu erhöhen, um den Raumbedarf am Boden der Anlage zu begrenzen, oder den Temperaturunterschied
zwischen dem ersten Fluid und dem zweiten Fluid zu vermindern, oder auch eine Kombination
dieser zwei Eigenschaften des Verdampferkondensators erlauben.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst.
Es wurde nämlich gezeigt, dass man den Klemmeffekt modifiziert, wenn
man den Ausgangsdruck des ersten Fluids erhöht, wodurch es möglich wird, entweder
die Wärmetauschhöhe h zu erhöhen oder den Temperaturunterschied zwischen den zwei
Fluiden zu vermindern.
Der Austrittsdruck des ersten Fluids P1,2 ist von der Größenordnung
4 absoluten Bar oder größer.
Gemäß einem weiteren Merkmal ist die Höhe der Passagen für den Wärmeaustausch
zwischen den zwei Fluiden vorzugsweise zumindest gleich 3 m.
Die Passagen für den Wärmeaustausch zwischen den zwei Fluiden sind
vorzugsweise durch parallele Platten begrenzt, die von der Art mit hartgelöteten
Flügeln sein können.
Gemäß einer Ausführungsvariante können die Passagen aus Rohren bestehen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform sind Mittel vorgesehen, die einen
abgeschlossenen Raum bilden, der einen einzelnen abgeschlossenen Raum umfasst, der
die Wärmetauschpassagen enthält und in dem das erste Fluid durch Thermosiphoneffekt
zirkuliert.
Gemäß einer zweiten Ausführungsform umfassen die einen abgeschlossenen
Raum bildenden Mittel einen ersten abgeschlossenen Raum, der ein unteres Volumen
für den Eintritt des ersten Fluids und ein oberes Volumen für den Austritt des ersten
Fluids definiert, und einen zweiten abgeschlossenen Raum, der an das obere beziehungsweise
untere Volumen angeschlossen ist, wobei dieser zweite abgeschlossene Raum auf eine
Rohrleitung reduziert sein kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden beim Studium der
folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung besser offenbar
werden, die nur zur Veranschaulichung dienen. Die Beschreibung nimmt Bezug auf die
folgenden beigefügten Zeichnungen:
1, die bereits beschrieben wurde, ist
eine vereinfachte Ansicht eines bekannten Badwärmetauschers;
2, die bereits beschrieben wurde, zeigt
das Wärmetauschdiagramm des Badwärmetauschers der 1;
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Badwärmetauschers, der zur Destillation von Luft verwendet
wird;
4 ist ein Wärmetauschdiagramm der Funktionsweise
des Badwärmetauschers der 3;
5 zeigt eine Ausführungsvariante des
erfindungsgemäßen Badwärmetauschers; und
6 zeigt die Kurve für die Variation der
Unterkühlung in Abhängigkeit vom Druck der Flüssigkeit für eine hydrostatische Höhe
von 1 Meter.
In Bezug auf die 3 und 4
wird zunächst eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Badwärmetauschers
beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird insbesondere der Fall betrachtet,
dass das kalte, zu verdampfende Fluid flüssiger Sauerstoff ist und das warme Fluid
gasförmiger Stickstoff ist, was zum Beispiel bei der Tiefsttemperaturdestillation
von Gasen der Luft mit einem Schema der Doppelkolonnenart der Fall ist. Es versteht
sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung beim Wärmeaustausch zwischen zwei anderen
Fluiden Anwendung finden kann, zum Beispiel bei der Tiefsttemperaturtrennung von
Synthesegas wie beispielsweise Methan, Kohlenmonoxid, Wasserstoff...
In Bezug auf die 3 und 4
wird zunächst eine erste Ausführungsform des Badwärmetauschers beschrieben. Dargestellt
ist der äußere abgeschlossene Raum 20, der das erste Fluid F1 enthält,
das im betreffenden Beispiel reiner Sauerstoff ist. Im oberen Teil des abgeschlossenen
Raums 20 befindet sich die Grenzfläche 22 zwischen dem ersten
Fluid F1 in flüssiger Form und dem dampfförmigen Fluid F1, das im oberen Teil des
abgeschlossenen Raums gewonnen wird. Im Inneren dieses abgeschlossenen Raums befindet
sich ein Wärmetauschmodul 24, das auf an sich bekannte Weise Passagen
26 für das "warme" zweite Fluid F2 definiert, das im betreffenden Beispiel
reiner Stickstoff ist; diese Passagen verlaufen zwischen einem Eintrittskasten
28, der an die Eintrittsleitung 30 angeschlossen ist, und einem
Austrittskasten 32, der an die Austrittsleitung 34 angeschlossen
ist. Diese Passagen können bekanntlicher Weise aus Rohren oder auch aus parallelen
Platten bestehen, die den Kreislauf des zweiten Fluids definieren. Diese Passagen
können vertikal sein, wie es in 3 gezeigt ist, horizontal
oder schräg. Das Wärmetauschmodul 24 begrenzt ebenso vertikale Passagen
für die Zirkulation des ersten Fluids F1, das heißt des Sauerstoffs.
Wie bereits angegeben wurde, fließt bei dieser Art von Badwärmetauscher
das zu verdampfende Fluid F1 in den vertikalen Wärmeaustauschpassagen durch Thermosiphoneffekt.
Das Fluid F1 weist bei seinem Eintritt, das heißt am unteren Ende 24a des
Wärmetauschmoduls, eine Temperatur T1,1 und einen Druck P1,1
und am oberen Ende 24b des Wärmetauschmodul eine Temperatur T1,2
und einen Druck P1,2 auf. Mit h bezeichnet man die Gesamthöhe des Wärmetauschmoduls,
das heißt die Strömungsstrecke des ersten Fluids zwischen dem Eintrittsende
24a und dem Austrittsende 24b.
Das zweite Fluid, das im betrachteten Beispiel gasförmiger Stickstoff
ist, tritt mit der Temperatur T2,1 durch die Leitung 30 ein
und tritt mit der Temperatur T2,2 aus dem Wärmetauschmodul in flüssiger
Form aus.
In 4 ist der Wärmeaustausch zwischen
dem Fluid F1 (reiner Sauerstoff) und dem Fluid F2 (reiner Stickstoff) dargestellt.
Die Kurve A, die im Wesentlichen vertikal ist, weil das Fluid F2 reiner Stickstoff
ist, zeigt die Entwicklung dieses Fluids zwischen seinem Eintritt und seinem Austritt
aus dem Wärmetauschmodul. Die Kurve B zeigt die Entwicklung des ersten Fluids (reiner
Sauerstoff). Sie umfasst einen ersten Teil B1, der der "Deunterkühlung" des Sauerstoffs
entspricht, und einen Teil B2 mit teilweiser Verdampfung des Sauerstoffs ab der
Siedetemperatur Tb des Sauerstoffs.
Wie bereits erläutert wurde, kann man durch Erhöhen des Ausgangsdrucks
P1,2 des ersten Fluids den "Klemmeffekt" vermindern; dies erlaubt es,
die Wärmetauschhöhe h zu erhöhen und/oder den Temperaturunterschied T2,2–T1,1
zu vermindern.
Im Falle der Tiefsttemperaturdestillation von Gasen aus Luft mit einem
Schema der Doppelsäulenart hängt der Austrittsdruck P1,2 des ersten Fluids
(Sauerstoff) vom Austrittsdruck der den Badwärmetauscher enthaltenden kompletten
Anlage unter Berücksichtigung des Druckverlusts aufgrund der Apparatur zwischen
dem Ausgang des Wärmetauschers und dem Ausgang der kompletten Anlage ab. Wenn sich
der Ausgang der Anlage auf Atmosphärendruck befindet, hat der Druck am Ausgang des
Badwärmetauschers die Größenordnung von 1,3 absoluten Bar.
Es versteht sich, dass es zur Erhöhung des Ausgangsdrucks P1,2
des ersten Fluids notwendig ist, den Druck des warmen Fluids F2 und damit den Druck
des Gases am Eingang der Anlage (zum Beispiel Luft) zu erhöhen.
Wenn man einen Druck P1,2 von 4 absoluten Bar annimmt,
kann man einen Badwärmetauscher konstruieren, dessen Wärmetauschmodulhöhe h gleich
3 oder 4 Meter ist, während zugleich ein Temperaturunterschied in der Größenordnung
von 1,2°C aufrechterhalten wird.
Bei dem gleichen Ausgangsdruck von 4 absoluten Bar und unter Beibehaltung
einer Höhe h von 2 Meter, kann man den Temperaturunterschied auf 0,4 oder 0,5°C
zurückführen.
In 5 ist eine Ausführungsvariante des
Badwärmetauschers dargestellt.
Der Wärmetauscher umfasst einen abgeschlossenen Hauptraum
40, in dem das Wärmetauschmodul 42 montiert ist. Der abgeschlossene
Raum 40 begrenzt ebenso eine untere Eintrittskammer 44 des ersten
Fluids und eine obere Austrittskammer 46 des ersten Fluids mit einer Entnahme
48 des verdampften ersten Fluids. Der Wärmetauscher umfasst ebenso einen
abgeschlossenen Raum 50 zur Rückleitung des ersten Fluids in im Wesentlichen
flüssigen Zustand, der an die obere und untere Kammer durch Leitungen
52 und 54 angeschlossen ist. Dieser abgeschlossene Raum könnte
auf eine einfache Rohrleitung reduziert werden.
In 6 sind die durch eine hydrostatische
Höhe von 1 m induzierten Schwankungen &Dgr;Tb der Unterkühlung in Abhängigkeit vom
Druck P für reinen Sauerstoff (Kurve I) und für reines Methan (Kurve II) dargestellt.
Man sieht, dass der Unterkühlungseffekt um so geringer ist, je höher der Druck (P)
ist. Diese Kurven erlauben es, die günstige Wirkung der Druckerhöhung des ersten
Fluids auf den "Klemmeffekt" besser zu verstehen. Je höher nämlich der Ausgangsdruck
P1,2 ist, um so mehr wird man die Austauschhöhe h erhöhen können, das
heißt den hydrostatischen Druck (P1,2–P1,1) &Dgr;Tb
beibehalten wird.