-
Die
Erfindung betrifft eine Stoff- oder Wärmeaustauscherkolonne mit zumindest
zwei übereinander
angeordneten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichen,
insbesondere Rohrbündeln,
und einem Zwischeneinlass zur Zwischeneinspeisung eines Mediums
in die Kolonne oder einem Zwischenauslass zur Zwischenausleitung
eines Mediums aus der Kolonne oder einem Mannloch. Ferner betrifft
die Erfindung die Verwendung eines Rohrbündelwärmeaustauschers in einem Verfahren
zur Verflüssigung
eines kohlenwasserstoffhaltigen Stroms wie Erdgas.
-
In 1 und 3 ist
ein Rohrbündelwärmeaustauscher
der oben genannten Art dargestellt, der in einem Verfahren zur Verflüssigung
eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, wie eines Erdgasstroms, eingesetzt
wird. 1 zeigt den Rohrbündelwärmeaustauscher in einer schematischen
Gesamtansicht. In 3 ist ein in 1 in
unterbrochenen Linien umfasster Ausschnitt des Rohrbündelwärmeaustauscher
in detaillierter Ansicht gezeigt.
-
Der
Rohrbündelwärmeaustauscher
umfasst ein erstes Rohrbündel 2,
das eine Mehrzahl von auf ein erstes Kernrohr 3 in mehreren
Lagen gewickelter Rohre umfasst. Das Rohrbündel 2 besitzt einen
Außendurchmesser
d1. Die Rohre sind in mehreren, hier drei Gruppen 4, 5 und 6 an
den Enden des Rohrbündels 2 zusammengefasst.
Es handelt sich damit um ein dreiteiliges Rohrbündel. Somit besteht die Möglichkeit,
drei Fraktionen getrennt voneinander durch das Rohrbündel 2 zu
leiten.
-
Räumlich über dem
ersten Rohrbündel 2 ist ein
zweites Rohrbündel 8 koaxial
mit Abstand zum ersten Rohrbündel 2 angeordnet.
Dieses umfasst ebenfalls eine Mehrzahl von auf ein zweites Kernrohr 9 in
mehreren Lagen gewickelter Rohre. Die Rohre sind an den Enden des
Rohrbündels 8 in
zwei Gruppen 7 und 12 zusammenfasst, sodass zwei
Fraktionen durch das zweiteilige Rohrbündel 8 geleitet werden
können.
Das zweite Rohrbündel 8 besitzt
mit d2 einen kleineren Außendurchmesser
als das erste Rohrbündel 2 mit
d1.
-
Die
beiden Rohrbündel 2 und 8 sind
von einem gemeinsamen Mantel 10 umgeben, der einen Außenraum 11 um
die Rohre beider Rohrbündel 2 und 8 begrenzt.
Der Mantel 10 umfasst ein erstes Mantelteil 13,
das das erste Rohrbündel 2 umgibt, und
ein zweites Mantelteil 14, das das zweite Rohrbündel 14 umgibt.
Das zweite Mantelteil 14 besitzt mit D2 in Anpassung an
das kleinere Rohrbündel 8 einen
kleineren Innendurchmesser als das erste Mantelteil 13 mit
D1. Bei der Herstellung des Rohrbündelwärmeaustauschers werden zunächst zwei getrennte
Apparate gefertigt, wovon einer das erste Rohrbündel 2 mit dem ersten
Mantelteil 13 und der andere das zweite Rohrbündel 8 mit
dem zweiten Mantelteil 14 umfasst. Die Mantelteile 13 und 14 werden
dann miteinander verschweißt.
Sie sind in der Regel wiederum aus mehreren aneinander geschweißten Mantelteilen
zusammengesetzt.
-
Wie
aus 3 zu ersehen ist, sind die unteren Rohrenden des
zweiten Rohrbündels 8 axial
zum Mantel 10 hin ausgerichtet und in am Mantelteil 14 angeordnete
Rohrböden 16 und 17 gesteckt
und mit diesen verschweißt.
Auf die Rohrböden 16 und 17 sind
Hauben 18, 19 aufgeschweißt, so dass ausgehend von den
Hauben 18, 19 jeweils ein Medium auf die Rohre
der Rohrgruppen 7, 12 verteilt werden bzw. das
in den Rohren jeder Rohrgruppe 7, 12 fließende Medium
in einer der Hauben 18, 19 zusammengeführt werden
kann. Die Rohrböden 16 und 17 befinden
sich am Rohrbündelwärmeaustauscher
auf gleicher Höhe.
-
Die
oberen Rohrenden des ersten Rohrbündels 2 sind ebenfalls
axial zum Mantel 10 hin ausgerichtet und in am Mantelteil 13 angeordnete
Rohrböden
gesteckt, wobei von den insgesamt drei, da es drei Rohrgruppen 4, 5 und 6 gibt,
nur zwei Rohrböden 21 und 22 dargestellt
sind. Auf die Rohrböden 21, 22 sind
Hauben 23 und 24 aufgesetzt. Der dritte Rohrboden
und die dritte Haube sind in der gezeigten Darstellung nicht zu
sehen. Der dritte Rohrboden befindet sich jedoch auf gleicher Höhe wie die
zwei gezeigten Rohrböden 21 und 22.
-
Wie
aus 1 zu ersehen ist, stehen die Rohre der Rohrgruppe 6 des
ersten Rohrbündels 2 mit
den Rohren der Rohrgruppe 12 des zweiten Rohrbündels 8 in
direkter Strömungsverbindung.
Die Rohre der Rohrgruppe 5 stehen in direkter Strömungsverbindung
mit den Rohren der Rohrgruppe 7. Die Strömungsverbindung
ist jeweils hergestellt durch Rohrleitungen zwischen den in 3 gezeigten
Hauben 19 und 24 und zwischen den Hauben 18 und 23.
-
Die
Herstellung eines Rohrbündelwärmeaustauschers
mit einem Rohrbündel
ist in dem Artikel W. Förg
et al., „Ein
neuer LNG Baseload Prozess und die Herstellung der Hauptwärmetauscher,
Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft", Nr. 78 (1999), S.3 bis 11 näher beschrieben.
-
Des
Weiteren ist am Mantelteil 13, wie in 3 dargestellt,
ein Zwischeneinlass 26, beispielsweise ein Stutzen 26 mit
einer Einlassöffnung 25 angeordnet.
Der Zwischeneinlass 26 befindet sich in einer Höhe des Rohrbündelwärmetauschers
zwischen den unteren Rohrböden 21, 22 und
den oberen Rohrböden 16, 17.
Wie in 1 gezeigt, stehen die Rohre der Rohrgruppe 4 des
ersten Rohrbündels 2 in
direkter Strömungsverbindung
mit dem Zwischeneinlass 26. Über den Zwischeneinlass 26 kann
ein Medium in den Außenraum 11 eingespeist
werden. In einem bekannten Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas handelt
es sich dabei um ein in Rohren des ersten Rohrbündels 2 gekühltes Kältemittel,
das vor seiner Einspeisung gedrosselt wird.
-
Wie
in
3 näher
dargestellt, erfolgt die Verteilung des eingespeisten Mediums über einen Prallkasten
27 und
einen Ring-Vorverteiler
28, wie er beispielsweise in
DE 10 2004 040 974
A1 näher
beschrieben ist. Vom Ring-Vorverteiler
28 ausgehende Ablaufrohre
29 führen den
flüssigen
Anteil des eingespeisten Mediums in eine Verteilereinrichtung
30,
die die Flüssigkeit über den
Querschnitt des ersten Rohrbündels
2 im
Außenraum
um die Rohre des ersten Rohrbündels
2 verteilt.
Geeignete Verteilereinrichtungen sind beispielsweise in der oben
genannten
DE 10
2004 040 974 A1 beschrieben.
-
Des
Weiteren weist der Rohrbündelwärmetauscher
unterhalb des zweiten Rohrbündels 8 eine Sammeleinrichtung 32 auf,
die ein aus dem Außenraum 11 um
die Rohre des oberen, zweiten Rohrbündels 8 herabfließendes flüssiges Medium
auffängt. Über ein
Ablaufrohr 34 wird das flüssige Medium in den Ring-Vorverteiler 28 eingespeist,
wo es sich mit dem über
den Zwischeneinlass 26 eingespeisten Medium vermischt.
-
Da
der Zwischeneinlass 26 von anderen Einrichtungen, Öffnungen
oder Schweißnähten am
Mantel 10 des Rohrbündelwärmeaustauschers,
beispielsweise von den Rohrböden 21 und 22 oder
von der in 3 eingezeichneten Schweißnaht 31 am oberen Ende
des ersten Mantelteils 13, hinreichend weit entfernt sein
muss und der Prallkasten 27 sowie der Ring-Vorverteiler 28 in
Längsrichtung
des Rohrbündelwärmeaustauschers
Raum einnehmen, wird insgesamt ein erheblicher Raum in Längsrichtung
des Rohrbündelwärmeaustauschers
zwischen dem ersten Rohrbündel 2 und
dem zweiten Rohrbündel 8 benötigt.
-
Durch
Anordnen der beiden Rohrbündel 2 und 8 übereinander
und durch den durch die Zwischeneinspeisung benötigten Raum zwischen den beiden
Rohrbündeln 2 und 8 erreicht
der Rohrbündelwärmeaustauscher
eine erhebliche Bauhöhe.
Wird zudem noch ein Mannloch 36, wie in 1 in
unterbrochenen Linien dargestellt, benötigt, das in der Höhe des Zwischeneinlasses 26 nicht
angeordnet werden kann, so muss der Abstand zwischen den Rohrbündeln 2 und 8 in
Längsrichtung
des Rohrbündelwärmeaustauschers
noch weiter vergrößert werden.
Denn das Mannloch 36 muss in Längsrichtung des Rohrbündelwärmeaustauschers
und damit in vertikaler Richtung wiederum ausreichend von dem Einlassstutzen 26 und
den Rohrböden 21 und 22 beabstandet
sein.
-
Nachteilig
an einer großen
Bauhöhe
sind die Windempfindlichkeit und die Kosten für Bühnen und Leitern, die mit steigender
Bauhöhe
zunehmen. Umfasst der Rohrbündelwärmeaustauscher
noch weitere Rohrbündel
mit weiteren Zwischeneinspeisestellen, so können erhebliche Bauhöhen resultieren.
-
7 zeigt
eine Stoffaustauscherkolonne, beispielsweise eine Rektifikationskolonne,
mit zwei übereinander
angeordneten Stoffaustauscherbereichen 102 und 108,
wie beispielsweise Packungen. Auch hier wird ein erhebliche Bauhöhe der Kolonne durch
die Stoffaustauscherbereiche 102 und 108 und durch
den zwischen dem oberen Ende des unteren Stoffaustauscherbereichs 102 und
dem unteren Ende des oberen Stoffaustauscherbereichs 108 für eine Zwischeneinspeisung über einen
Zwischeneinlass 26 und ggf. für ein Mannloch 36 benötigten Raum
erreicht.
-
Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stoff- oder Wärmeaustauscherkolonne der
eingangs genannten Art, insbesondere einen Rohrbündelwärmeaustauscher, mit reduzierter
Bauhöhe
bereitzustellen.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
mit einer Wärme- oder
Stoffaustauscherkolonne nach Anspruch 1 oder einem Rohrbündelwärmeaustauscher
nach Anspruch 4.
-
Demnach
wird eine Stoff- oder Wärmeaustauscherkolonne
bereitgestellt mit einem ersten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereich, insbesondere
einem ersten Rohrbündel,
und einem räumlich über dem
ersten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereich angeordneten,
zweiten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereich,
insbesondere einem zweiten Rohrbündel,
die von einem Mantel umgeben sind. Die Kolonne umfasst (a) zumindest
einen Zwischeneinlass zur Zwischeneinspeisung eines Mediums in die
Kolonne oder (b) zumindest ein Mannloch zur Zugänglichkeit der Kolonne oder
(c) zumindest einen Zwischenauslass zum Zwischenausleiten eines
Mediums aus der Kolonne. Erfindungsgemäß ist
- – ein unterer
Abschnitt des zweiten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichs durch
einen ersten Zwischenraum von dem Mantel der Kolonne beabstandet,
wobei der erste Zwischenraum dadurch gebildet ist, dass der Mantel
im Bereich des unteren Abschnitts einen größeren Durchmesser aufweist
als im Bereich eines oberen Abschnitts des zweiten Stoff- oder Wärmetauscherbereichs
und/oder
- – ein
oberer Abschnitt des ersten Stoff- oder Wärmetauscherbereichs durch einen
zweiten Zwischenraum von dem Mantel der Kolonne beabstandet ist,
wobei der zweite Zwischenraum dadurch gebildet ist, dass der Mantel
im Bereich des oberen Abschnitts einen größeren Durchmesser aufweist
als im Bereich eines unteren Abschnitts des ersten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichs,
und
wobei im Bereich des ersten Zwischenraums und/oder des zweiten Zwischenraums
der Zwischeneinlass und/oder das Mannloch und/oder der Zwischenauslass
angeordnet sind.
-
Damit
sind der Zwischeneinlass, das Mannloch oder der Zwischenauslass
in Höhe
eines Stoff- oder Wärmeaustauscherabschnitts,
d.h. parallel zu einem Stoff- oder Wärmeaustauscherabschnitt, angeordnet
und nicht wie beim Stand der Technik zwischen den übereinander
angeordneten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichen.
Dadurch kann der Abstand der übereinander
angeordneten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereiche
gegenüber
dem Stand der Technik verringert und damit die Bauhöhe der Kolonne
reduziert werden.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform weist
die Stoff- oder Wärmeaustauscherkolonne
ein erstes Mantelteil mit einem ersten Durchmesser und ein zweites
Mantelteil mit einem zweiten Durchmesser auf, wobei der erste Durchmesser
größer ist
als der zweite Durchmesser und wobei der erste Stoff- oder Wärmeaustauscherbereich
und der untere Abschnitt des zweiten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichs
in dem ersten Mantelteil und der obere Abschnitt des zweiten Stoff-
oder Wärmeaustauscherbereich
in dem zweiten Mantelteil angeordnet sind. Eine derartige Ausgestaltung
ist vorteilhaft, wenn der erste Stoff- oder Wärmeaustauscherbereich einen größeren Außendurchmesser
aufweist als der zweite Stoff- oder Wärmeaustauscherbereich. Dann
besteht die Möglichkeit,
den unteren Abschnitt des zweiten, kleineren Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichs
in das erste Mantelteil hineinragen zu lassen, dessen Durchmesser
in Anpassung an den ersten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereich größer ist
als der Außendurchmesser
des zweiten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichs.
Somit wird um den unteren Abschnitt des zweiten Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichs ein
ringförmiger
Zwischenraum zum Mantel geschaffen. Und damit ist die Möglichkeit
gegeben, am Mantel im Bereich dieses Zwischenraums den Zwischeneinlass
und/oder Zwischenauslass und/oder das Mannloch anzuordnen.
-
Die
Stoff- oder Wärmeaustauscherkolonne kann
auch drei Kolonnenabschnitte, einen ersten Kolonnenabschnitt mit
einem ersten Durchmesser und einen zweiten Kolonnenabschnitt mit
einem zweiten Durchmesser sowie einen zwischen dem ersten und dem
zweiten Kolonnenabschnitt befindlichen dritten Kolonnenabschnitt
mit einem dritten Durchmesser aufweisen, wobei der erste Stoff-
oder Wärmeaustauscherbereich
in dem ersten Kolonnenabschnitt, der untere Abschnitt des zweiten
Stoff- oder Wärmeaustauscherbereichs
in dem dritten Kolonnenabschnitt und der obere Abschnitt des zweiten
Stoff- oder Wärmeaustauscherbereich
in dem zweiten Kolonnenabschnitt angeordnet sind, wobei der dritte
Durchmesser größer ist
als der zweite Durchmesser und der erste Durchmesser kleiner oder
größer als
der dritte Durchmesser ist. Damit ist auch eine Ausgestaltung umfasst,
bei der die Stoff- oder Wärmeaustauscherbereiche
gleiche Außendurchmesser
aufweisen. In diesem Fall wird dann ein mittiger, dritter Kolonnenabschnitt
mit größerem, erweiterten
Durchmesser geschaffen, der den unteren Abschnitt des zweiten Stoff-
oder Wärmeaustauscherbereichs
umgibt.
-
Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung wird auch ein Rohrbündelwärmeaustauscher
mit zumindest einem ersten Rohrbündel
und einem räumlich über dem
ersten Rohrbündel
angeordneten, zweiten Rohrbündel
bereitgestellt, wobei die beiden Rohrbündel von einem Mantel umgeben
sind, der einen Außenraum
um die Rohre beider Rohrbündel
begrenzt, und der Rohrbündelwärmeaustauscher
einen Zwischeneinlass zur Zwischeneinspeisung eines Mediums, insbesondere
eines flüssigen
Mediums, in den Außenraum
um die Rohre des ersten Rohrbündels
und/oder ein Mannloch zur Zugänglichkeit
des Außenraums
aufweist. Erfindungsgemäß ist ein
unterer Abschnitt des zweiten Rohrbündels durch einen den unteren
Abschnitt umgebenden Zwischenraum von dem Mantel beabstandet, wobei
der Zwischenraum dadurch gebildet ist, dass der Mantel im Bereich
des unteren Abschnitts des zweiten Rohrbündels einen größeren Durchmesser
aufweist als im Bereich eines oberen Abschnitts des zweiten Rohrbündels und
wobei im Bereich des Zwischenraums der Zwischeneinlass und/oder
das Mannloch angeordnet sind. Durch das parallele Anordnen des Zwischeneinlasses
und/oder des Mannlochs zu dem unteren Abschnitt des zweiten, oberen
Rohrbündels kann
im Vergleich zum Stand der Technik der Abstand der Rohrbündel zueinander
und damit die Bauhöhe
des Rohrbündelwärmetauschers
verringert werden.
-
Wenn
das erste Rohrbündel
einen Durchmesser aufweist, der sich vom Durchmesser des zweiten
Rohrbündels
unterscheidet, besteht die Möglichkeit,
das kleinere Rohrbündel über einen
Teil seiner Länge
in den Mantel des größeren Rohrbündels hineinragen
zu lassen, wodurch der Zwischenraum gebildet wird. Vorzugsweise
weist das zweite, obere Rohrbündel
einen kleineren Durchmesser auf als das erste, untere Rohrbündel.
-
Vorzugsweise
sind in dem Zwischenraum, der den unteren Abschnitt des zweiten
Rohrbündels umgibt,
eine oder mehrere der folgenden Einrichtungen angeordnet: ein Umlenkungsmittel
zur Umlenkung des eingespeisten Mediums, ein Phasentrennungsmittel
zur Auftrennung des eingespeisten Mediums in seine Phasen, ein Verteiler
zum Verteilen des eingespeisten Mediums im Außenraum. Der von diesen Einrichtungen
benötigte
Raum muss dann nicht mehr wie beim Stand der Technik zwischen den übereinander
angeordneten Rohrbündeln
bereitgestellt werden, wodurch der Abstand der Rohrbündel zueinander
und somit die Bauhöhe
des Rohrbündelwärmetauschers
reduziert werden kann.
-
Vorzugsweise
weist der Mantel des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmetauschers einen ersten Mantelabschnitt
mit einem ersten Durchmesser und einen zweiten Mantelabschnitt mit
einem zweiten Durchmesser sowie einen zwischen dem ersten und dem
zweiten Mantelabschnitt befindlichen dritten Mantelabschnitt mit
einem dritten Durchmesser auf, wobei das erste Rohrbündel in
dem ersten Mantelabschnitt, der untere Abschnitt des zweiten Rohrbündels in
dem dritten Mantelabschnitt und der obere Abschnitt des zweiten
Rohrbündels
in dem zweiten Mantelabschnitt angeordnet sind, wobei der dritte
Durchmesser größer ist
als der zweite Durchmesser und der erste Durchmesser größer ist
als der dritte Durchmesser. Bei dieser Ausführungsform kann der Durchmesser
des dritten Mantelabschnitts, der den unteren Abschnitt des zweiten
Rohrbündels umgibt,
optimal an den von einem Zwischeneinlass, einem Mannloch und Umlenkungs-Phasentrennungs-
und Verteilereinrichtungen benötigten
Raum angepasst werden.
-
Vorzugsweise
umfasst bei dem erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeaustauscher
das zweite Rohrbündel
eine Mehrzahl von Rohren, die um ein Kernrohr gewickelt sind, wobei
die Rohre am unteren Ende des zweiten Rohrbündels in ein oder mehreren Gruppen
in ein oder mehreren Bündeleinrichtungen, insbesondere
Rohrböden,
zusammengeführt
sind, und wobei zumindest ein Zwischeneinlass, insbesondere ein
Stutzen, zur Zwischeneinspeisung eines Mediums in den Außenraum
und/oder ein Mannloch auf einer Höhe des Rohrbündelwärmeaustauschers angeordnet
ist, die sich oberhalb der zumindest einen Bündeleinrichtung befindet.
-
Die
Erfindung betrifft außerdem
die Verwendung eines derartigen Rohrbündelwärmeaustauschers zur Durchführung eines
indirekten Wärmeaustauschs
zwischen einem kohlenwasserstoffhaltigen Strom und zumindest einem
Wärme-
oder Kältemittel.
-
Vorzugsweise
wird durch einen im Bereich des Zwischenraums angeordneten Zwischeneinlass ein
in Rohren des ersten Rohrbündels
unterkühltes und
anschließend
gedrosseltes Kältemittel
eingespeist und im Außenraum
um die Rohre des ersten Rohrbündels
verteilt.
-
Der
kohlenwasserstoffhaltige Strom kann beispielsweise durch Erdgas
gebildet sein.
-
Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun anhand von Ausführungsbeispielen
mit Bezug auf die beigefügten
Figuren näher
beschrieben. Es zeigen:
-
1 einen
Rohrbündelwärmeaustauscher gemäß des Standes
der Technik mit zwei übereinander
angeordneten Rohrbündeln 2 und 8 und
einem Zwischeneinlass 26;
-
2 eine
Ausführungsform
eines Rohrbündelwärmeaustauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit zwei übereinander
angeordneten Rohrbündeln 2 und 8 und
einem Zwischeneinlass 26;
-
3 eine
Detailansicht eines Abschnittes des Rohrbündelwärmeaustauschers von 1 des Standes
der Technik im Bereich zwischen dem ersten Rohrbündel 2 und dem zweiten
Rohrbündel 8;
-
4 eine
Detailansicht eines Abschnittes des erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeaustauschers
von 2 im Bereich zwischen dem ersten Rohrbündel 2 und
dem zweiten Rohrbündel 8;
-
5 eine
zweite Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeaustauscher mit
zwei übereinander
angeordneten Rohrbündeln 2 und 8 und
einem Zwischeneinlass 26;
-
6 den
in 2 und 4 gezeigten Rohrbündelwärmeaustauscher
mit Hauptverfahrensströmen
in einem Verfahren zur Verflüssigung
von Erdgas;
-
7 eine
Stoffaustauscherkolonne gemäß des Standes
der Technik mit zwei übereinander
angeordneten Stoffaustauscherbereichen 102 und 108 unterschiedlichen
Durchmessers und einem Zwischeneinlass 26;
-
8 eine
erste Ausführungsform
einer Stoffaustauscherkolonne gemäß der vorliegenden Erfindung
mit zwei übereinander
angeordneten Stoffaustauscherbereichen 102 und 108 unterschiedlichen
Durchmessers und einem Zwischeneinlass 26;
-
9 eine
zweite Ausführungsform
einer Stoffaustauscherkolonne gemäß der vorliegenden Erfindung
mit zwei übereinander
angeordneten Stoffaustauscherbereichen 202 und 208,
beispielsweise Packungen, gleichen Durchmessers sowie einem Zwischeneinlass 26;
-
Die 1 und 3 zeigen
einen Rohrbündelwärmeaustauscher
nach dem Stand der Technik, der beispielsweise in einem Verfahren
zur Verflüsssigung
von Erdgas verwendet wird, mit zwei übereinander angeordneten Rohrbündeln 2 und 8 und
einem Zwischeneinlass 26 zwischen beiden Rohrbündeln 2 und 8.
Der Rohrbündelwärmeaustauscher
wurde bereits in obiger Beschreibungseinleitung ausführlich beschrieben.
Es wird daher auf die obige Beschreibung verwiesen.
-
Die 2 und 4 zeigen
eine Ausführungsform
eines Rohrbündelwärmeaustauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung mit ebenfalls zwei übereinander
angeordneten Rohrbündeln 2 und 8. 2 zeigt
eine schematische Gesamtansicht, wohingegen 4 einen
Ausschnitt im Bereich zwischen dem ersten Rohrbündel 2 und dem zweiten Rohrbündel 8 zeigt.
Bauteile, in denen der in 2 und 4 gezeigte
Rohrbündelwärmeaustauscher mit
dem in den 1 und 3 gezeigten
Rohrbündelwärmeaustauscher übereinstimmt,
sind mit gleichen Bezugsziffern versehen. Es wird daher auf die obige
Beschreibung des Rohrbündelwärmeaustauschers
von 1 und 3 verwiesen.
-
Ein
Vergleich der 2 und 4 mit den 1 und 3 zeigt,
dass bei dem erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeaustauscher
das zweite Rohrbündel 8 über einen
Teil seiner Länge,
nämlich einem
unteren Endabschnitt 40 in das erste Mantelteil 13' hineinragt.
Das erste Mantelteil 13' ist,
um den unteren Endabschnitt 40 des zweiten Rohrbündels 8 vollständig aufnehmen
zu können, über das obere
Ende des ersten Rohrbündels 2 hinaus
nach oben verlängert
ausgeführt.
-
Wie
aus 4 zu ersehen ist, sind die Rohrböden 16 und 17,
in die die unteren Enden des zweiten Rohrbündels 8 eingesteckt
sind, am ersten Mantelteil 13 angeordnet und nicht wie
bei dem Rohrbündelwärmeaustauscher
gemäß des Standes
der Technik am zweiten Mantelteil 14. Da der Durchmesser D1
des ersten Mantelteils 13' größer ist
als der Außendurchmesser
d2 des zweiten Rohrbündels 8,
ergibt sich ein ringförmiger
Zwischenraum 41 zwischen dem Endabschnitt 40 des
zweiten Rohrbündels 8 und dem
ersten Mantelteil 13'.
Im Bereich dieses Zwischenraums 41 ist in einer Höhe oberhalb
der Rohrböden 16 und 17 am
ersten Mantelteil 13' der
Einlassstutzen 26 zur Zwischeneinspeisung eines Mediums
in den Außenraum
um die Rohre des ersten Rohrbündels 2 angeordnet.
Ebenso sind der Prallkasten 27 und der Ring-Vorverteiler 28 in
diesem Zwischenraum 41 angeordnet. Im Prallkasten 27 findet
neben einer Umlenkung des eintretenden flüssigen Mediums in den Ring-Vorverteiler 28 auch
eine Gas-Flüssigkeitstrennung,
d.h. Phasentrennung statt. Über
den Zwischeneinlass 26 kann somit ein Medium mit flüssigen und
gasförmigen
Anteilen eingespeist werden.
-
Somit
werden der Einlassstutzen 26, der Prallkasten 27 sowie
der Ring-Vorverteiler 28 nicht, wie bei dem Rohrbündelwärmetauscher
gemäß des Standes
der Technik, in einem Abschnitt des Rohrbündelwärmetauschers zwischen den unteren
Rohrböden 21 und 22 und
den oberen Rohrböden 16 und 17 angeordnet.
Gegenüber
dem Rohrbündelwärmeaustauscher
des Standes der Technik von 1 und 3 ist
daher bei dem erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeaustauscher
der in Längsrichtung
des Rohrbündelwärmeaustauschers
benötigte
Abstand zwischen den oberen Rohrböden 16, 17 und
den unteren Rohrböden 21, 22 und
damit der Abstand zwischen dem ersten Rohrbündel 2 und dem zweiten Rohrbündel 8 reduziert.
Damit ist auch die Bauhöhe des
erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeaustauschers,
was ein Vergleich der 2 mit 1 zeigt, gegenüber dem
Rohrbündelwärmeaustauscher
gemäß des Standes
der Technik reduziert. Die Länge des
erfindungsgemäßen Rohrbündelwärmeaustauschers
ist um eine Länge Δl reduziert.
-
Wie
aus 4 zu ersehen ist, ist der Einlassstutzen 26 am
ersten Mantelteil 13' ungefähr in Höhe des unteren
Wicklungsanfangs bzw. Wicklungsendes des zweiten Rohrbündels 8 angeordnet.
-
Der
in 2 und 4 gezeigte Rohrbündelwärmetauscher
kann auch, was jedoch nicht dargestellt ist, einen zweiten Zwischeneinlass
aufweisen, der beispielsweise in Höhe des bereits vorhandenen
Zwischeneinlasses 26 angeordnet ist.
-
Auch
ein in 2 in unterbrochenen Linien dargestelltes Mannloch 36 zur
Zugänglichkeit
des Außenraums 11' kann am Mantelteil 13' im Bereich des
Zwischenraums 41 Bauhöhe
sparend angeordnet sein, beispielsweise in Längsrichtung des Rohrbündelwärmetauschers
in einer Höhenlage
zwischen dem Einlassstutzen 26 und den Rohrböden 16, 17, was
in 4 mit einem Pfeil angedeutet ist. Der Einlassstutzen 26 müsste in
diesem Fall noch etwas höher
gesetzt sein und damit das erste Mantelteil 13' nach oben noch
weiter verlängert
werden, da der Einlassstutzen 26 von dem Mannloch 36 und
das Mannloch 36 von Rohrböden 16, 17 einen
gewissen Abstand aufweisen muss. Somit muss für das Mannloch 36 auch
kein Mantelabschnitt in Längsrichtung
des Rohrbündelwärmeaustauschers
zwischen den oberen Rohrböden 16, 17 und
den unteren Rohrböden 21, 22 bereitgestellt
werden, was ebenfalls die Bauhöhe
des Rohrbündelwärmetauschers
reduziert. Somit kann auch bei einem Rohrbündelwärmeaustauscher, der keinen
Zwischeneinlass 26 aufweist, sondern nur ein beispielsweise
durch Vorschriften vorgeschriebenes Mannloch 36 am oberen
Ende des ersten Mantelteils 13 aufweisen muss, die Bauhöhe reduziert
werden.
-
Das
zweite Mantelteil 14' des
Rohrbündelwärmeaustauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist gegenüber
dem entsprechenden zweiten Mantelteil 14 des Rohrbündelwärmetauschers
des Standes der Technik, was im Vergleich von 2 zu 1 zu
sehen ist, kürzer
ausgeführt.
In diesem verkürzten,
zweiten Mantelteil 14' ist
ein oberer Abschnitt 39 des zweiten Rohrbündels 8 angeordnet. Der
untere Endabschnitt 14 und der obere Abschnitt 39 des
zweiten Rohrbündels 8 bilden
zusammen die Gesamtlänge
des zweiten Rohrbündels 8.
-
Wie
aus
4 zu ersehen ist, weist der erfindungsgemäße Rohrbündelwärmeaustauscher
des Weiteren eine in unterbrochenen Linien angedeutete Sammeleinrichtung
43 auf,
in der aus dem Außenraum
um die Rohre des zweiten Rohrbündels
8 herabfließendes flüssiges Medium
zusammen mit dem in den Ablaufrohren
29 des Ring-Vorverteilers
28 herabfließenden flüssigen Medium
gesammelt wird und anschließend
mit einem darunter angeordneten Verteiler
44 über den
Querschnitt des ersten Rohrbündels
2 im
Außenraum
11 um
die Rohre des ersten Rohrbündels
2 verteilt
wird. Geeignete Verteiler sind beispielsweise in der
DE 10 2004 040 974 A1 beschrieben.
-
5 zeigt
eine zweite Ausführungsform
eines Rohrbündelwärmeaustauschers
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Bei dieser weist das erste Mantelteil 13'' in einem oberen Abschnitt 48,
in welchem die Rohrböden 16, 17 und 21, 22 und
der Zwischeneinlass 26 angeordnet sind, einen kleineren
Innendurchmesser D3 auf als ein darunter liegender Abschnitt 46 des
ersten Mantelteils 13'' mit D1. Somit umfasst
der Mantel 10'' der in 5 dargestellten Ausführungsform
drei Abschnitte, einen ersten Mantelabschnitt 46 mit einem
Innendurchmesser D1, einen zweiten Mantelabschnitt 47 mit
einem Innendurchmesser D2 und einen dritten, zwischen dem ersten
und dem zweiten Mantelabschnitt befindlichen Mantelabschnitt 48 mit
einem Innendurchmesser D3. Im ersten Mantelabschnitt 46 ist
das erste Rohrbündel 2,
im dritten Mantelabschnitt 48 der untere Endabschnitt 40 des
zweiten Rohrbündels 8 und
im zweiten Mantelabschnitt 47 die Restlänge des zweiten Rohrbündels 8,
d.h. der obere Abschnitt 39 des zweiten Rohrbündels 8,
angeordnet.
-
Bei
Herstellung der Rohrbündelwärmeaustauscher
von 2, 4 oder 5 werden
zunächst
zwei getrennte Apparate gefertigt, wovon einer das erste Rohrbündel 2 mit
dem ersten Mantelteil 13', 13'' und der andere das zweite Rohrbündel 8 mit dem
zweiten Mantelteil 14', 14'' umfasst. Beim Zusammenbau der
beiden Apparate wird der Endabschnitt 40 des zweiten Rohrbündels 8 von
oben in das erste Mantelteil 13', 13'' eingesteckt
und die beiden Apparate dann miteinander verschweißt. Die Mantelteile 13', 13'' und 14, 14'' sind ihrerseits aus mehreren aneinander
geschweißten
Mantelteilen zusammengesetzt. Das erste Mantelteil 13'' des Rohrbündelwärmetauschers von 5 umfasst
die Mantelabschnitte 46 und 48, die verschiedene
Innendurchmesser D1 und D3 aufweisen.
-
6 zeigt
den Rohrbündelwärmeaustauscher
der 2 und 4 in einem Verfahren zur Verflüssigung
von Erdgas. Es kann jedoch auch der in 5 gezeigte
Rohrbündelwärmeaustauscher verwendet
werden.
-
Der
in vorangehenden Verfahrensschritten vorbehandelte Erdgasstrom tritt
von unten über
die Leitung 50 mit etwa 239K und 50 bar in das erste Rohrbündel 2 ein,
strömt
durch die ihm bestimmten Rohre der Rohrgruppe 6 und anschließend unter
weiterer stetiger Abkühlung
durch das obere Rohrbündel 8 durch
die Rohre der Rohrgruppe 12 bis es nach Entspannung über die
Drossel 51 in der Leitung 52 in einen Tank 53 eingefüllt werden
kann.
-
Die
Kühlung
des Erdgasstroms erfolgt in dem Rohrbündelwärmeaustauscher durch indirekten Wärmetausch
mit einem Kältemittel.
Es handelt sich dabei um ein Gemisch aus beispielsweise Stickstoff, Methan,
Ethan und Propan. Nach Verdichten, Abkühlen und teilweise Verflüssigen des
Kältemittels
tritt die in einem Abscheider 57 abgetrennte, flüssige Fraktion über die
Leitung 54 von unten in das erste Rohrbündel 2 ein und strömt durch
die Rohre der Rohrgruppe 4, wo die flüssige Fraktion unterkühlt wird
und über
die Leitung 55 aus dem ersten Rohrbündel 2 oben austritt.
Es erfolgt dann eine Entspannung des Kältemittelstroms über die
Drossel 56. Der gedrosselte überwiegend flüssige Kältemittelstrom,
der einen geringen Gasanteil aufweist, wird dann über den Zwischeneinlass 26 in
den Rohrbündelwärmeaustauscher
zwischeneingespeist und über
die in Bezug auf 2 und 4 beschriebenen,
im Zwischenraum 41 befindlichen Umlenkungs-, Phasentrennungs
und Verteilereinrichtungen 27 und 28 und die Verteilereinrichtung 44 in
den Außenraum
der Rohre des dreiteiligen ersten Rohrbündels 2 als Kühlmittel
aufgegeben. Im Abwärtsstrom
verdampft es bei steigender Temperatur und wird vollständig vergast
am unteren Ende des Rohrbündelwärmeaustauschers über die Leitung 58 abgezogen.
-
Der
aus dem Abscheider 57 bei 239K über die Leitung 59 gasförmig entweichende
Kältemittelstrom
wird in den Rohren der Rohrgruppe 5 zunächst im ersten, unteren Rohrbündel 2 abgekühlt und
teilverflüssigt
und im oberen, zweiten Rohrbündel 8 in den
Rohren der Rohrgruppe 7 weiter verflüssigt und unterkühlt. Nach
einer Entspannung über
eine Drossel 60 in der Leitung 61 wird der Kältemittelstrom
am Kopf des Wärmetauschers
eingespeist und als Kältemittel
auf das zweite, obere Rohrbündel 8 aufgegeben,
der dann im Abwärtsstrom
verdampft und sich mit dem über
den Zwischeneinlass 26 zwischeneingespeisten Kältemittelstrom
mischt.
-
Die 7 zeigt
eine Stoffaustauscherkolonne, beispielsweise eine Rektifikationskolonne,
gemäß des Standes
der Technik mit zwei übereinander angeordneten
Stoffaustauscherbereichen 102 und 108, beispielsweise
Packungen, sowie einem Zwischeneinlass 26 zur Zwischeneinspeisung
eines flüssigen
Mediums in den ersten Stoffaustauscherbereich 102. Der
Zwischeneinlass 26, der Prallkasten 27 und der
Ring-Vorverteiler 28 nehmen Raum ein zwischen dem oberen
Ende des ersten Stoffaustauscherbereichs 102 und dem unteren
Ende des zweiten Stoffaustauscherbereichs 108.
-
Wie
aus 8 zu ersehen, ist bei einer ersten Ausführungsform
einer Stoffaustauscherkolonne gemäß der vorliegenden Erfindung
ein unterer Endabschnitt 140 des zweiten Stoffaustauscherbereichs 8 von
oben in das erste Mantelteil 113 eingesteckt. Da der Innendurchmesser
D1 des ersten Mantelteils 113 größer ist als der Außendurchmesser d2
des zweiten Stoffaustauscherbereichs 108 ergibt sich auch
hier ein ringförmiger
Zwischenraum 141, der den unteren Endabschnitt 140 umgibt.
Im Bereich dieses Zwischenraums 141 ist am Mantelteil 113 der Zwischeneinlass 26 und
ggf. ein Mannloch 36 angeordnet. In dem Zwischenraum 141 befinden
sich der Ring-Vorverteiler 28 und
der Prallkasten 27. Da der Zwischeneinlass 26,
ggf. das Mannloch 36 und der Vorverteiler 28 mit
dem Prallkasten 27 in der Kolonne parallel zum zweiten
Stoffaustauscherbereich 108 angeordnet sind, wird hierfür kein Raum
mehr in der Kolonne zwischen dem oberen Ende des ersten Stoffaustauscherbereichs 102 und
dem unteren Ende des zweiten Stoffaustauscherbereichs 108 benötigt. Somit
kann die Bauhöhe
des Stoffaustauschers reduziert werden.
-
In 9 ist
eine Stoffaustauscherkolonne einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Diese Stoffaustauscherkolonne
unterscheidet sich von derjenigen der 8 dadurch,
dass der Außendurchmesser d201
des ersten, unteren Stoffaustauscherbereichs 202 mit dem
Außendurchmesser
d2 des zweiten Stoffaustauscherbereichs 208 übereinstimmt.
Der Mantel 210 der Kolonne weist drei Abschnitte, einen ersten
Abschnitt 246, einen zweiten Abschnitt 247 und
einen zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt befindlichen
dritten Abschnitt 248 auf. Die Innendurchmesser D201 und
D2 der ersten und zweiten Mantelabschnitte 246 und 247,
die angepasst sind an die Außendurchmesser
d1 und des ersten Stoffaustauscherbereichs 202 bzw. des
zweiten Stoffaustauscherbereichs 208, sind gleich. Im Bereich
eines unteren Endabschnitts 240 des zweiten Stoffaustauscherbereichs 108 ist
der Kolonnendurchmesser auf D3 vergrößert, wodurch ein ringförmiger Zwischenraum 241 gebildet
ist. Im Bereich dieses Zwischenraums 241, also auf Höhe des unteren Endabschnitts 240 des
zweiten Stoffaustauscherbereichs 208, sind der Zwischeneinlass 26 und
die Einrichtungen 27 und 28 zur Umlenkung und
Vorverteilung des eingespeisten Mediums angeordnet. Diese benötigen dann
keinen Raum mehr zwischen dem oberen Ende des ersten Stoffaustauscherbereichs 202 und
dem unteren Ende des zweiten Stoffaustauscherbereichs 208.
Die Bauhöhe
der Kolonne ist damit reduziert.
-
Auch
ein Rohrbündelwärmeaustauscher
gemäß der vorliegenden
Erfindung kann gemäß 9 aufgebaut
sein, wobei die Stoffaustauscherbereiche 202 und 208 durch
Rohrbündel
ersetzt sind.
-
Abweichend
von den in den 1 bis 9 dargestellten
Ausführungsformen
kann der Rohrbündelwärmeaustauscher
oder die Stoffaustauscherkolonne auch mehr als zwei, beispielsweise
drei Rohrbündel
oder Stoffaustauscherbereiche umfassen. Beispielsweise kann in 2 ein
drittes Rohrbündel oberhalb
des zweiten Rohrbündels
angeordnet sein. Sofern auch hier eine Zwischeneinspeisung und/oder ein
Mannloch vorgesehen ist, kann auch hier das dritte Rohrbündel im
Bereich eines unteren Endabschnitts von einem Mantelabschnitt größeren Durchmessers
zur Schaffung eines Zwischenraums umgeben sein. Besitzt das dritte
Rohrbündel
einen kleineren Außendurchmesser
als das zweite Rohrbündel,
so kann das dritte Rohrbündel
mit einem unteren Endabschnitt in das zweite Mantelteil 14' von oben hineinragen
wie es bei dem zweiten Rohrbündel 8 der 3 der
Fall ist, das mit einem Endabschnitt 40 in das erste Mantelteil 13' des größeren Rohrbündels 2 hineinragt.
-
Die
in 2 bis 9 gezeigten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können, was
in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist, anstatt des Zwischeneinlasses 26 oder
zusätzlich
zu dem Zwischeneinlass 26 im Bereich des ringförmigen Zwischenraums 41, 41, 141 oder 241 auch
einen Zwischenauslass, wie einen Auslassstutzen, aufweisen, beispielsweise
zur Zwischenausleitung eines flüssigen
oder gasförmigen
Mediums aus dem Außenraum
um die Rohre der Rohrbündel 2 oder 8.
-
Generell
besteht auch die Möglichkeit,
was in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist, einen oberen Endabschnitt
des ersten Stoff- oder Wärmetauscherbereichs 2, 102, 202 mit
einem Mantelabschnitt mit vergrößertem Manteldurchmesser
zu umgeben, um parallel zu diesem oberen Endabschnitt einen Zwischeneinlass,
einen Zwischenauslass oder ein Mannloch anzuordnen. Im Falle des
Rohrbündelwärmetauschers
von 4 würde
dies bedeuten, dass der Zwischeneinlass, Zwischenauslass und/oder
das Mannloch unterhalb der Rohrböden 21 und 22,
in welche die oberen Enden des ersten, unteren Rohrbündels 2 eingesteckt
sind, angeordnet werden würden.