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 T_1,1 und einen Druck P_1,1. Diese Temperatur T_1,1 und dieser Druck P_1,1 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 T_b1 des Fluids F1 beim Druck P₁,₁ ist. Genau dies ist in diesem Diagramm wiedergegeben. Mit T_b ist die (Siede-)Temperatur bezeichnet, bei der die erste Gasblase in dem Fluid F1 während des Wärmeaustauschs auftritt (bei einem zwischen P_1,1 und P_1,2 liegenden Druck). Es versteht sich, dass die Energie, die verbraucht wird, um das primäre Fluid auf die Siedetemperatur T_b 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 T_2,1 ist und dessen Austrittstemperatur gleich T_2,2 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 T_1,1 des zu verdampfenden kalten Fluid F1 und der Temperatur T_2,2 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 P_1,2 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 T_1,1 und einen Druck P_1,1 und am oberen Ende 24b des Wärmetauschmodul eine Temperatur T_1,2 und einen Druck P_1,2 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 T_2,1 durch die Leitung 30 ein und tritt mit der Temperatur T_2,2 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 P_1,2 des ersten Fluids den "Klemmeffekt" vermindern; dies erlaubt es, die Wärmetauschhöhe h zu erhöhen und/oder den Temperaturunterschied T_2,2–T_1,1 zu vermindern.

Im Falle der Tiefsttemperaturdestillation von Gasen aus Luft mit einem Schema der Doppelsäulenart hängt der Austrittsdruck P_1,2 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 P_1,2 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 P_1,2 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 P_1,2 ist, um so mehr wird man die Austauschhöhe h erhöhen können, das heißt den hydrostatischen Druck (P_1,2–P_1,1) &Dgr;Tb beibehalten wird.