DE69516594T2

DE69516594T2 - Verfahren und Wärmetauscher zum Verdampfen einer Flüssigkeit durch indirekten Wärmetausch mit einem Dampf hierfür

Info

Publication number: DE69516594T2
Application number: DE69516594T
Authority: DE
Inventors: Michael James Lockett; Vijayaraghavan Srinivasan; John Harold Ziemer
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1994-08-05
Filing date: 1995-07-14
Publication date: 2000-09-21
Anticipated expiration: 2015-07-15
Also published as: DE69516594D1; CN1128343A; US5537840A; BR9503333A; CA2153920A1; JPH0861868A; JP3051662B2; EP0695921A1; US5724834A; EP0695921B1; KR100227238B1; US5438836A; KR960008259A; ES2145184T3

Description

Verfahren und Wärmetauscher zum Verdampfen einer Flüssigkeit durch indirekten Wärmetausch mit einem Dampf hierfür

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf Abwärtsstrom-Wärmetauscher und ist besonders vorteilhaft für die Verwendung als Hauptaufkocher eines Doppelkolonnen-Tieftemperaturrektifikationssystems.

Stand der Technik

Der Hauptkondensor oder -autkocher in einer Doppelkolonnen-Tieftemperaturluftzerlegungsanlage war bislang im allgemeinen vom Thermosiphontyp. Bei diesem Wärmetauschertyp kondensiert Stickstoffdampf von der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne und tauscht mittels indirektem Wärmeaustausch Wärme mit dem bei niedrigerem Druck vorliegenden, verdampfenden flüssigen Sauerstoff der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne aus. Der flüssige Sauerstoff wird durch den Thermosiphoneffekt durch den Wärmetauscher nach oben gezogen, und der Wärmeaustausch wird durch die Gegenströmung des flüssigen Sauerstoffs gegen den herabströmenden gasförmigen Stickstoff durchgeführt.
Ein Problem mit der konventionellen Thermosiphonkonfiguration besteht in dem Umstand, dass der Kopf des flüssigen Sauerstoffes die Zirkulation antreiben muss, weshalb der Sauerstoffdruck an der Basis des Wärmetauschers erhöht wird. Die Sauerstoffflüssigkeit wird somit bei ihrem Eintreten in den Wärmetauscher unterkühlt. Beim Ansteigen der Flüssigkeit steigt deren Temperatur durch die Übertragung von sensibler Wärme an und der Druck fällt ab, bis die Temperatur schließlich die Sättigungstemperatur erreicht und ein Aufkochen auftritt. Die Gesamtfolge besteht darin, dass die thermische Wirksamkeit von Thermosiphonaufkochern verringert wird und der Druck des kondensierenden Stickstoffs nicht auf einen unterhalb eines Grenzwertes liegenden Wert reduziert werden kann.
Zur Begegnung dieses Problems ist beim Stand der Technik ein Abwärtsstrom-Wärmetauscher verwendet worden, indem sowohl der gasförmige Stickstoff wie der flüssige Sauerstoff während des Wärmeaustausches stromab im Gleichstrom strömt. Die Abwärtsstrom-Konfiguration reduziert den Stickstoffdruck in der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne und führt zu Energieeinsparungen.
Beim Betrieb eines Abwärtsstrom-Wärmetauschers ist es wichtig sicherzustellen, dass der siedende flüssige Sauerstoff nicht bis zur Austrocknung aufsiedet. Das Aufsieden des flüssigen Sauerstoffes bis zur Austrocknung reduziert die Wärmeaustauscheffizienz und kann die Kohlenwasserstoffkonzentration in lokalisierten Bereichen innerhalb der Wärmeaustauschdurchlässe erhöhen, bis in solchen Taschen eine entflammbare Konzentration erreicht wird, wodurch die Entzündungsgefahr ansteigt. Dementsprechend ist es in der Praxis der Tieftemperaturluftzerlegung mit Abwärtsstrom-Wärmetauschern wichtig, dass der flüssige Sauerstoff sowohl zu jedem der flüssigen Sauerstoffdurchlässe wie entlang jedes Durchlasses gleichmäßig verteilt wird. Diese gleichförmige Verteilung erfolgt im allgemeinen in zwei Stufen über den siedenden Wärmeaustauschdurchlässen, wobei eine erste Grobverteilungsstufe entfernt von einer ihr folgenden zweiten Feinverteilungsstufe angeordnet ist. Die gut verteilte Flüssigkeit strömt dann durch die Wärmeaustauschdurchlässe. Die erste Stufe hat bisher im allgemeinen entweder Mündungen, Öffnungen oder Einblasrohre verwendet, und die zweite Stufe hat bisher im allgemeinen Hardway-Rippen benutzt. Ein Nachteil besteht darin, dass bislang für die erste Stufe relativ teuere Komponenten verwendet worden sind, und zu einer vollständigen Verteilung der Flüssigkeit wäre es von Vorteil, ausschließlich die billigeren Hardway-Rippen zu verwenden. Weiterhin erfordern konventionelle Verteilungen der ersten Stufe genaue Toleranzen für die verwendeten Mündungen oder Öffnungen, um die Verteilung der ersten Stufe zu bewirken.
EP-A-0 566 435 offenbart einen Abwärtsstrom-Wärmetauscher mit über den Dampfdurchlässen angeordneten Flüssigkeitsverteilungsdurchlässen, wobei die Flüssigkeitsverteilung in einem mehrstufigen Abschnitt durchgeführt wird, der einen perforierten oberen Hardway-Rippenabschnitt und einen perforierten Riegel zur groben Verteilung und einen unteren Hardway-Rippenabschnitt zur feinen Verteilung aufweist. In dieser Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik geht eine signifikante Menge der in dem oberen Hardway-Rippenabschnitt bewerkstelligten feinen Verteilung verloren, da sich die Flüssigkeit bei der Überleitung zu dem unteren Hardway-Rippenabschnitt kanalisiert oder bündelt.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Abwärtsstrom- Wärmetauschers und eines Wärmeaustauschverfahrens, der/das effizient in der Tieftemperaturluftzerlegung verwendet werden kann und der/das die mit konventionellen Abwärtsstrom-Wärmetauschern verbundenen Probleme wie die ungleichmäßige Flüssigkeitsverteilung reduzieren kann.

Zusammenfassung der Erfindung

Die obigen und weitere Aufgaben, welche dem Fachmann anhand der folgenden Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, wobei ein Erfindungsaspekt ein Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem Dampf gemäß Anspruch 1 ist.
Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung besteht in einem Wärmetauscher gemäß Anspruch 9.
Ein zusätzlicher Aspekt dieser Erfindung ist ein Doppelkolonnensystem gemäß Anspruch 15.
Der hier verwendete Begriff "flüssiger Sauerstoff" bezieht sich auf eine Flüssigkeit mit einer Sauerstoffkonzentration von mindestens 90 Molprozent.
Der hier verwendete Begriff "gasförmiger Stickstoff" bezieht sich auf einen Dampf mit einer Stickstoffkonzentration von mindestens 90 Molprozent.
Der hier verwendete Begriff "Kolonne" bezeichnet eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder - zone, d. h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines Fluidgemisches zu bewirken, z. B. indem die dampfförmige und die flüssige Phase an einer Reihe von vertikal in Abstand innerhalb der Kolonne angebrachten Böden oder Platten und/oder an Packungselementen in Kontakt gebracht werden. Für eine weitere Beschreibung von Destillationskolonnen sei verwiesen auf das "Chemical Engineers Handbook", fünfte Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, The Continuous Distillation Process. Der Begriff der Doppelkolonne wird hier so benutzt, dass er eine bei einem höheren Druck arbeitende Kolonne bezeichnet, deren oberes Ende in einer Wär meaustauschbeziehung mit dem unteren Ende einer bei einem niedrigeren Druck arbeitenden Kolonne steht. Eine nähere Beschreibung von Doppelkolonnen erscheint in Ruheman "The Separation of Gases", Oxford University Press, 1949, Kapitel VII, Commercial Air Separation.
Trennverfahren mit Dampf-/Flüssigkeitskontakt sind abhängig von der Differenz der Dampfdrücke der Komponenten. Die Komponente mit dem hohen Dampfdruck (oder die flüchtigere oder niedrigsiedende Komponente) wird dazu neigen, sich in der Dampfphase zu konzentrieren, wohingegen die Komponente mit dem niedrigeren Dampfdruck (oder die weniger flüchtige oder hochsiedende Komponente) dazu neigen wird, sich in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Partielle Kondensation ist das Trennverfahren, bei dem die Kühlung eines Dampfgemisches benutzt werden kann, um die flüchtige(n) Komponente(n) in der Dampfphase und dadurch die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Rektifikation oder kontinuierliche Destillation ist das Trennverfahren, das aufeinanderfolgende partielle Verdampfungen und Kondensationen kombiniert, wie sie durch eine Gegenstrombehandlung der dampfförmigen und flüssigen Phasen erzielt werden. Das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom ist normalerweise adiabatisch, aber es kann auch nichtadiabatisch sein und einen stufenweisen oder kontinuierlichen Kontakt zwischen den Phasen beinhalten. Trennverfahrensanordnungen, die die Prinzipien der Rektifikation zum Trennen von Gemischen benutzen, werden oft als Rektifikationskolonnen, Destillationskolonnen oder Fraktionierkolonnen bezeichnet, wobei diese Begriffe untereinander ausgetauscht werden können. Die Tieftemperaturrektifikation ist ein Rektifikationsverfahren, dass mindestens teilweise bei Temperaturen von 150ºKelvin (K) oder darunter durchgeführt wird.
Der hier verwendete Begriff "indirekter Wärmeaustausch" bezieht sich auf das Verbringen zweier Fluidströme in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeden physikalischen Kontakt oder jedes Vermischen der Fluide.
Der hier verwendete Begriff "Einsatzluft" bezieht sich auf ein hauptsächlich Stickstoff und Sauerstoff aufweisendes Gemisch wie z. B. Luft.
Der hier verwendete Begriff "einstufige Verteilungsverbesserung" bezieht sich auf eine gleichförmige Verteilung von Flüssigkeit über den Querschnitt eines Durchlasses durch einen einzigen Abschnitt der Verteilungsanordnung wie z. B. perforierte Hardway-Rippen.
Der hier verwendete Begriff "Hardway-Rippe" bezieht sich auf eine Struktur, in der die Rippen oder Wellungen senkrecht zu der Fluidströmung ausgerichtet sind, wodurch ein maximaler Widerstand gegenüber der Fluidströmung bereitgestellt wird.
Die hier verwendeten Begriffe "Kopf', "Boden", "über", "unter", "obere" und "untere" beziehen sich, wenn sie mit Bezug auf den Abwärtsstrom-Wärmetauscher dieser Erfindung verwendet werden, auf den Wärmetauscher in einer vertikalen Ausrichtung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine vereinfachte Darstellung einer den Abwärtsstrom-Wärmetauscher dieser Erfindung verwendenden Doppelkolonnenanordnung.
Fig. 2 ist eine detaillierte perspektivische Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des Abwärtsstrom-Wärmetauschers dieser Erfindung mit einer einstufigen Verteilungs-Verbesserungsanordnung.
Fig. 3 ist eine detaillierte perspektivische Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform des Abwärtsstrom-Wärmetauschers dieser Erfindung mit einer zweistufigen Verteilungs-Verbesserungsanordnung.
Fig. 4 ist eine stilistische Querschnittsdarstellung der Einzelheiten der Flüssigkeits- und Dampfdurchlässe der in der Fig. 2 dargestellten Abwärtsstrom-Wärmetauscherausführungsform.
Fig. 5 ist eine stilistische Querschnittsdarstellung der Einzelheiten der Flüssigkeits- und Dampfdurchlässe einer weiteren Ausführungsform des Abwärtsstrom-Wärmetauschers dieser Erfindung, in der die Flüssigkeitsverdampfungsdurchlässe am Kopf offen sein können.
Fig. 6 illustriert ein bevorzugtes Perforationsmuster für Hardway-Rippen, welches in der Praxis dieser Erfindung verwendet werden kann.

Ausführliche Beschreibung

Die Erfindung weist einen Abwärtsstrom-Wärmetauscher und ein Wärmeaustauschverfahren auf, der/das besonders nützlich als der Hauptwärmetauscher eines solchen Doppelkolonnensystems ist, das üblicherweise bei der Tieftemperaturrektifikation von Luft verwendet wird, worin die gleichmäßige Verteilung von Flüssigkeit, z. B. von flüssigem Sauerstoff, über Dampf oder kondensierenden Wärmeaustauschdurchlässen auftritt, bevor sie in die Wärmeaustauschdurchlässe des Wärmetauschers eingeleitet wird. Die gleichförmig verteilte Flüssigkeit wird dann bevorzugt unter einem Winkel in die Flüssigkeits- oder Verdampfungswärmeaustauschdurchlässe auf Brückenrippen eingespeist. Der auf diese Weise durch die Verdampfung der Flüssigkeit in den Siedewärmeaustauschdurchlässen erzeugte Dampf behindert nicht die gleichmäßige Verteilung der Flüssigkeit, bevor sie in die Siedewärmeaustauschdurchlässe eingeleitet wird, wodurch eine Quelle einer ungleichmäßigen Flüssigkeitsverteilung reduziert oder beseitigt wird, welche zu einem ineffizienten Wärmeaustausch führen und möglicherweise sogar Sicherheitsprobleme aufwerfen könnte.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben werden. Bezugnehmend auf Fig. 1 sind der obere Teil einer ersten Kolonne 1 und der untere Teil einer zweiten Kolonne 2 eines Doppelkolonnensystems dargestellt, worin die erste Kolonne bei einem höheren Druck als die zweite Kolonne betrieben wird. In einer typischen Tieftemperaturluftzerlegungsanlage wird Einsatzluft in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 1 eingeleitet, wo sie mittels Tieftemperaturrektifikation in mit Stickstoff angereicherten Dampf und mit Sauerstoff angereicherte Flüssigkeit zerlegt wird. Diese Stoffe werden in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 2 zur Zerlegung mittels Tieftemperaturrektifikation in ein Stickstoff und Sauerstoffprodukt eingespeist. Zur Erzeugung von Rücklauf für die Kolonnen wird gasförmiger Stickstoff von der bei höherem Druck arbeitenden Kolonne gegen verdampfenden flüssigen Sauerstoff kondensiert. Gasförmiger Stickstoff wird von der Kolonne 1 durch eine Leitung 3 in einen vertikal ausgerichteten Hauptwärmetauscher 4 eingeleitet. Flüssiger Sauerstoff wird von der Kolonne 2 in einer Leitung 5 zu einer Flüssigkeitspumpe 6 und anschließend durch eine Leitung 7 und ein Ventil 8 in einen Flüssigsauerstoffspeicherbehälter 9 und dann in den oberen Teil des Hauptwärmetauschers 4 über der Stelle eingeleitet, an welcher der gasförmige Stickstoff dem Hauptwärmetauscher 4 zugeführt wird. Ein Teil 10 des Stroms 7 kann durch die Kolonne 2 durch ein Ventil 11 für Strömungskontrollzwecke zurückgeführt werden. Ein anderer Teil 12 des Stroms 7 kann als flüssiges Sauerstoffprodukt gewonnen werden.
Der flüssige Sauerstoff und gasförmige Stickstoff strömen im Gleichstrom hinunter durch den Hauptwärmetauscher 4, und in dem Verfahren wird der gasförmige Stickstoff gegen den verdampfenden flüssigen Sauerstoff kondensiert. Der sich ergebende kondensierte Stickstoff wird durch eine Leitung 13 aus dem Hauptwärmetauscher 4 hinaus- und als Rücklauf in die bei höherem Druck arbeitende Kolonne 1 hineingeleitet. Ein Teil 14 des flüssigen Stickstoffs von dem Hauptwärmetauscher wird in die bei niedrigerem Druck arbeitende Kolonne 2 als Rücklauf eingeführt, und ein Teil des Stroms 14 kann als flüssiger Stickstoff gewonnen werden. Derjenige flüssige Sauerstoff der während der gleichgerichteten Strömung durch den Hauptwärmetauscher 4 nicht verdampft wurde, strömt, wie durch einen Pfeil 15 gezeigt, aus dem Hauptwärmetauscher hinaus. Der sich aus dem obigen Wärmeaustausch innerhalb des Hauptwärmetauschers 4 ergebende gasförmige Sauerstoff wird von dem Hauptwärmetauscher in die zweite Kolonne eingeleitet, wie durch einen Pfeil 16 illustriert, und wird durch die Kolonne 2 als Dampfaufwärtsströmung für die Rektifikation hochgeleitet. Ein Teil dieses gasförmigen Sauerstoffes kann von der Kolonne 2 abgezogen und durch eine Leitung 17 als Produkt gewonnen werden. Alternativ dazu kann der Flüssigsauerstoffspeicherbehälter 9 weggelassen werden, und flüssiger Sauerstoff kann direkt durch die Leitung 7 und das Ventil 8 in den oberen Teil des Hauptwärmetauschers 4 eingeleitet werden. Als weitere Alternative kann die Flüssigkeit 18, die aus der Kontaktanordnung in der bei niedrigerem Druck arbeitenden Kolonne austritt, wie in Fig. 1 gezeigt, zu dem Flüssigsauerstoffspeicherbehälter 9 übergeleitet werden, oder sie kann direkt in den Sumpf der Kolonne 2 eingespeist werden, wo sie in die Flüssigkeitsmenge eintritt und sich mit der Flüssigkeit 15 vermischt, oder sie kann auch direkt in den oberen Teil des Hauptwärmetauschers 4 eingeleitet werden.
Fig. 2 illustriert eine bevorzugte Ausführungsform eines Abwärtsstrom-Wärmetauschers, der als Hauptwärmetauscher 4 verwendet werden kann. Ein Wärmetauscher 20 weist einen aus einer Reihe von parallel vertikal ausgerichteten Platten bestehenden Wärmetauscherkörper auf, wobei die Platten zur Ausbildung einer Reihe erster Durchlässe 21 und zweiter Durchlässe 22 in abwechselnder Reihenfolge angeordnet sind. Flüssigkeit 23, beispielsweise flüssiger Sauerstoff, wird in die ersten Durchlässe 21 eingeleitet. Die Flüssigkeit von dem oberen Teil des Wärmetauschers 20 kann aufgrund eines Abdichtriegels 24 nicht in die zweiten Durchlässe 22 fließen. Stützrippen 35 stützen die Unterteilungsplatte ab, damit diese nicht abknickt.
Innerhalb der ersten Durchlässe 21 durchquert die Flüssigkeit einen Abschnitt, der eine Verteilungs- Verbesserungsanordnung zur Bewerkstelligung einer gut verteilten Flüssigkeitsströmung aufweist. Die Fig. 2 stellt eine besonders bevorzugte Flüssigkeitsverteilungs-Verbesserungsanordnung dar. In der in der Fig. 2 illustrierten Ausführungsform wird die Flüssigkeit in einer einstufigen Verteilung gleichmäßig verteilt, indem sie durch einen Abschnitt geleitet wird, der eine einstufige Verteilungs-Verbesserungsanordnung aus perforierten Hardway-Rippen 25 aufweist, deren Perforationsflächen kontinuierlich von der Oberseite zu dem Boden des vertikal ausgerichteten Hardway-Rippenabschnittes zunimmt. So kann die perforierte Fläche der Hardway-Rippen an der Oberseite der Hardway-Rippen beispielsweise weniger als 5% der gesamten Hardway-Rippenfläche an der Oberseite der Hardway-Rippen ausmachen, und sie kann kontinuierlich zunehmen, um 20% und bevorzugt 25% der gesamten Hardway-Rippenfläche an dem Boden der Hardway-Rippen zu übertreffen.
Die einstufigen perforierten Hardway-Rippen fungieren zum Erzeugen einer gut verteilten Flüssigkeitsströmung, indem sichergestellt wird, dass die Flüssigkeit am Kopf des Wärmetauschers gleichmäßig durch sämtliche erste Durchlässe strömt. Die einstufige Verteilung ist gegenüber der konventionellen mehrstufigen Verteilung vorteilhaft, da Übergangszonen oder -flächen zwischen Stufen beseitigt werden, an denen eine Tendenz zum Auftreten einer Flüssigkeitsfehlverteilung vorliegt. Nach dem Durchlass durch die Hardway-Rippen strömt die gut verteilte Flüssigkeit auf einen geneigten Abdichtriegel 26, dessen Neigung bei einem Winkel im Bereich von 30 bis 60º zur Horizontalen liegt. Die Flüssigkeit strömt entlang des Abdichtriegels 26 bei diesem Winkel durch einen Schlitz 27 von den ersten Durchlässen 21 bei einem Abschnitt hinunter in die zweiten Durchlässe 22, der Brückenrippen 28 aufweist. Die Brückenrippen sind vorzugsweise aus einem dickeren Füllmaterial hergestellte einfache Rippenwellungen, und sie sind in Längsrichtung zu den Hardway-Rippen unter rechten Winkeln ausgerichtet. Die Brückenrippen dienen einem zweifachen Zweck: (1) der Bereitstellung einer mechanischen Stütze für die Unterteilungsplatten in dem geschlitzten Bereich und (2) der Feinkanalisierung und Aufrechterhaltung der in den ersten Durchlässen 21 erhaltenen feinen Flüssigkeitsverteilung, während die Flüssigkeit zu den zweiten Durchlässen 22 übertragen wird.
Dampf, z. B. gasförmiger Stickstoff, wird in die ersten Durchlässe 21 bei 29 unterhalb des geneigten Abdichtriegels 26 und des Schlitzes 27 eingeleitet, wo die gut verteilte Flüssigkeit von den ersten Durchlässen in die zweiten Durchlässe eingespeist wird. Der Dampf und die Flüssigkeit strömen dann im Gleichstrom durch die ersten bzw. zweiten Durchlässe hinunter, wobei der Dampf in Durchlässen 21 kondensiert und die Flüssigkeit mittels indirektem Wärmeaustausch in den Durchlässen 22 verdampft wird. Dieser Wärmetauscherabschnitt, indem die Fluide im Gleichstrom strömen, ist der Wärmeaustauschabschnitt, und die Durchlässe innerhalb dieses Wärmeaustauschabschnittes weisen vorzugsweise in Längsrichtung ausgerichtete Rippen auf, die entlang der Länge der Durchlässe verlaufen und die Wärmeübertragung unterstützen. Die sich ergebende Flüssigkeit und der Dampf treten aus den ersten bzw. zweiten Durchlässen aus, wie durch Pfeile 30 bzw. 31 dargestellt, wobei die Flüssigkeit bzw. der Dampf aus illustrativen Zwecken nur für einen Satz Durchlässe dargestellt ist, die als Stickstoff und Sauerstoff bezeichnet sind. Die Verdampfungsdurchlässe sind am Kopf durch den Abdichtriegel 24 geschlossen, so dass der gesamte verdampfte Sauerstoff aus dem Boden des Wärmetauschers austritt.
Fig. 3 stellt eine weitere Ausführungsform des Abwärtsstrom-Wärmetauschers dieser Erfindung dar, in der anstelle einer einstufigen Verteilung der Flüssigkeit vor ihrer Weiterleitung in die zweiten Durchlässe und durch den Wärmeaustauschabschnitt eine zweistufige Verteilung verwendet wird, die durch einen Spalt zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe definiert ist. Die Bezugsziffern in der Fig. 3 entsprechen für allgemeine Elemente denjenigen aus der Fig. 2, wobei die Arbeitsweise dieser Elemente nicht noch einmal beschrieben wird.
Die in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsform verwendet zwei Abschnitte von Hardway-Rippen. In dieser Ausführungsform wird die Flüssigkeit einer zweistufigen Verteilung unterzogen, namentlich einer anfänglichen groben Verteilung in dem oberen Abschnitt und einer zweiten feinen Verteilung in dem unteren Abschnitt. Der obere Abschnitt 32 verwendet perforierte Hardway-Rippen mit einer kleinen perforierten Fläche, die in diesem Abschnitt im allgemeinen im Bereich von 2 bis 15% der gesamten Hardway-Rippenfläche liegt, während der untere Abschnitt 33 perforierte Hardway-Rippen mit einer größeren perforierten Fläche verwendet, die im allgemeinen im Bereich von 20 bis 30% der gesamten Hardway-Rippenfläche in diesem Abschnitt liegt. Die zwei Hardway-Rippenabschnitte sind durch einen Spalt 34 getrennt. Die in der Fig. 3 dargestellte zweistufige Verteilung ist nicht so bevorzugt wie die in der Fig. 2 illustrierte einstufige Verteilung, aber diese zweistufige Ausführungsform kann einfacher oder billiger herzustellen sein.
Anstelle der oder zusätzlich zu den perforierten Hardway-Rippen können in der Praxis dieser Erfindung auch andere Anordnungen als Verteilungs-Verbesserungsanordnung verwendet werden, um die gut verteilte Flüssigkeitsströmung zu bewerkstelligen. Als Beispiele für diese anderen Anordnungen können gezahnte oder eingeschnittene Hardway-Rippen oder Packmaterialien aufgeführt werden.
Fig. 4 illustriert in repräsentativer Weise Querschnittsansichten eines ersten Durchlasses und eines zweiten Durchlasses der in der Fig. 2 dargestellten Wärmetauscherausführungsform, jedoch aus einem unterschiedlichen Winkel. Die Bezugsziffern in Fig. 4 entsprechen denjenigen aus der Fig. 2.
Fig. 5 ist eine das gleiche Schema der Fig. 4 verwendende Illustration einer weiteren in der Praxis dieser Erfindung anwendbaren Anordnung, worin die Flüssigkeit den ersten Durchlässen von der Seite anstelle von oben bereitgestellt wird. Die Bezugsziffern der Fig. 5 entsprechen dabei für die allgemeinen Elemente denjenigen aus der Fig. 2. Die Rippen in dem Wärmeaustauschabschnitt sind in den Fig. 4 und 5 nicht gezeigt. In dieser Ausführungsform liegt ein Flüssigkeitsspeicherbehälter 36 um die ersten und zweiten Durchlässe herum, nicht aber über ihnen, und die Flüssigkeit wird durch einen Flüssigkeitseinlass 37 den ersten Durchlässen bereitgestellt. Verteilungsrippen 39, die senkrecht zu der Hauptströmungsrichtung angeordnete perforierte Rippen sein können, werden zur Beförderung der Flüssigkeit von dem Flüssigkeitseinlass 37 zu der Oberseite der Hardway-Rippen 25 verwendet. Mit dieser Anordnung können die Verdampfungsdurchlässe 22 an der Oberseite offen sein, wodurch ermöglicht wird, dass ein Teil des von dem Wärmeaustausch erzeugten Dampfes, z. B. gasförmiger Sauerstoff, wie durch Pfeile 38 angezeigt aus dem Kopf des Abwärtsstrom-Wärmetauschers heraus in die zweite Kolonne eingeleitet werden kann, anstatt dass der gesamte Dampf aus dem Boden des Wärmetauschers herausgeleitet wird. Ein Abdichtriegel 40 wird zum Abdichten der Oberseite der Durchlässe 21 verwendet, und Stützrippen 41 werden zwischen den Verteilungsrippen 39 und dem Abdichtriegel 40 in den Durchlässen 21 verwendet. Über den Brückenrippen 28 in den Durchlässen 22 kommen zusätzliche Stützrippen 42 zur Anwendung.
Fig. 6 stellt ein bevorzugtes Perforationsmuster für Hardway-Rippen dar, das in der Praxis dieser Erfindung nützlich ist, wobei eine dreieckige Gestaltung der Perforationen illustriert ist. Dies ist eine bevorzugte Gestaltung, obgleich auch andere Entwürfe wie z. B. eine quadratische Gestaltung verwendet werden können. In der Fig. 6 sind die durchgängigen Linien, welche bei einem Winkel θ zur Horizontalen vorliegen, solche Linien, entlang derer die Perforationen ausgerichtet sind. Zum Herstellen von Rippen wird das Material entlang solcher Linien gefaltet, die parallel zu der gestrichelten Linie liegen. Der schattierte Bereich gibt eine Fläche des Rippenmaterials an, die einen Durchlass 21 aufspannt, wenn die Rippen in einem Durchlass 21 enthalten sind.
Zur Sicherstellung einer gleichförmigen Flüssigkeitsströmung durch die Rippen ist es bevorzugt, dass sich das Lochmuster mit kurzen regelmäßigen Abständen entlang der Rippenlänge wiederholt. In der Fig. 6 ist dieser Abstand als p dargestellt. Es liegen diskrete Werte von θ vor, die ein sich regelmäßig wiederholendes Lochmuster sicherstellen, wobei diese Werte von A 30º, 60º, 70,9º, 76,1º, 79,1º, 81,1º, 82,4º, 83,4º usw. sind, wo A = tan&supmin;¹ ((2n + 1)/ 3) und n einen ganzzahligen Wert einnimmt. Der Abstand p nimmt bei einer Zunahme von θ zu.
Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass sichergestellt ist, dass sämtliche Rippenoberflächen mindestens einige Perforationen enthalten, denn andernfalls würde eine Flüssigkeitsströmung durch den Durchlass verhindert werden. In der Fig. 6 muss die schattierte Fläche mindestens einige Perforationen enthalten. Wenn θ reduziert wird, steigt die Wahrscheinlichkeit, dass eine oder mehrere Rippenoberfläche(n) unperforiert sein könnte(n). Es wurde ermittelt, dass die optimalen Werte von A 70,9º, 76,1º oder 79,1º sind, wobei ein Wert von 76,1º im allgemeinen bevorzugt ist. Dies stellt sicher, dass alle Rippenoberflächen zusammen mit einem befriedigenden Wert von p perforiert sind.
Die Veränderung in der Perforationsfläche der Hardway-Rippen kann bewerkstelligt werden, indem der Zwischenraum zwischen den Löchern reduziert wird. Eine Reduzierung des Zwischenraums führt zu einem geringeren Lochabstand, wodurch die Perforationsfläche erhöht wird. Für ein 5%-offenes Rippenmaterial beträgt der Zwischenraum 10,6 mm, und für die 25%-offene Fläche beträgt der Zwischenraum 4,76 mm für Löcher mit einem Durchmesser von 2,5 mm und für einen dreieckigen Zwischenraum.
Durch die Anwendung dieser Erfindung ist jetzt die Verwendung eines Abwärtsstromflüssigkeits-Wärmetauschers mit einer verbesserten Flüssigkeitsverteilung im Vergleich zu dem Wärmeaustausch möglich, der mit bislang verfügbaren Abwärtsstrom-Wärmetauschern möglich war. Obgleich die Erfindung ausführlich mit Bezug auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, versteht sich für den Fachmann, dass auch andere Ausführungsformen der Erfindung innerhalb des Rahmens der Ansprüche liegen.

Claims

1. Verfahren zum Verdampfen einer Flüssigkeit mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem Dampf, wobei im Zuge des Verfahrens:

(A) ein Wärmetauscher (20) bereitgestellt wird, der mindestens einen ersten Durchlass (21) sowie in abwechselnder Reihenfolge mindestens einen zweiten Durchlass (22) aufweist;

(B) Flüssigkeit (23) in den (die) ersten Durchlass (Durchlässe) (21) und nach unten durch den ersten Durchlass bzw. die ersten Durchlässe durch einen Abschnitt geleitet wird, der Verteilungs-Verbesserungsmittel mit perforierten Hardway-Rippen (25, 32, 33) aufweist, deren Perforation vom oberen zum unteren Teil des Hardway-Rippenabschnittes zunimmt, um eine gut verteilte Flüssigkeitsströmung zu erreichen;

(C) die gut verteilte Flüssigkeit von dem Abschnitt des (der) ersten Durchlasses (Durchlässe) (21) in den (die) zweiten Durchlass (Durchlässe) (22) unter einem Winkel im Bereich von 30 bis 60º zur Horizontalen und unter einem Winkel auf die Rippenwellungen (28) geleitet wird, die in Längsrichtung unter rechten Winkeln zu den Hardway-Rippen (25, 32, 33) ausgerichtet und innerhalb des (der) zweiten Durchlasses (Durchlässe) (22) in dem Bereich angeordnet sind, innerhalb welchem die Flüssigkeit von dem (den) ersten in den (die) zweiten Durchlass (Durchlässe) übergeleitet wird;

(D) Dampf in den (die) ersten Durchlass (Durchlässe) unterhalb der Stelle geleitet wird, wo die gut verteilte Flüssigkeit von dem (den) ersten Durchlass (Durchlässen) übergeleitet wird; und

(E) der Dampf und die Flüssigkeit im Gleichstrom durch den (die) ersten bzw. zweiten Durchlass (Durchlässe) geleitet wird und die Flüssigkeit in dem (den) zweiten Durchlass(Durchlässen) mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem Dampf in dem (den) ersten Durchlass (Durchlässen) während der gleichgerichteten Strömung verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Flüssigkeit (23) flüssiger Sauerstoff ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Dampf gasförmiger Stickstoff ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Verteilungs-Verbesserungsanordnung zum Erreichen einer gut verteilten Flüssigkeitsströmung eine einstufige Verteilungs-Verbesserungsanordnung ist, die einen Abschnitt der besagten perforierten Hardway-Rippen (25) aufweist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem die Perforationsfläche der Hardway-Rippen (25) in dem unteren Teil des Abschnittes die Perforationsfläche der Hardway-Rippen in dem oberen Bereich des Abschnittes übersteigt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem die Perforationsfläche der Hardway-Rippen (25) kontinuierlich von dem oberen zu dem unteren Bereich des Abschnittes zunimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem kein Teil der verdampften Flüssigkeit aus dem Wärme tauscher (20) vom Kopf des Wärmetauschers austritt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Teil der verdampften Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher (20) von dem Kopf des Wärmetauschers austritt.

9. Wärmetauscher versehen mit:

(A) einem Wärmetauscherkörper mit mindestens einem ersten Durchlass (21) und mindestens einem zweiten Durchlass (22) in wechselnder Reihenfolge, wobei der (die) erste Durchlass (Durchlässe) einen Abschnitt mit einer Verteilungs-Verbesserungsanordnung mit perforierten Hardway-Rippen (25, 32, 33) aufweist, deren Perforation vom oberen Teil zum unteren Teil des Hardway-Rippenabschnittes zunimmt, um eine gut verteilte Flüssigkeitsströmung zu erzielen;

(B) einer Anordnung zum Überleiten von Flüssigkeit (23) in den (die) ersten Durchlass (Durchlässe) (21) oberhalb der Verteilungs-Verbesserungsanordnung;

(C) einer Flüssigkeitsüberleitungsanordnung (26, 27) unterhalb der Verteilungs-Verbesserungsanordnung, um Flüssigkeit von dem Abschnitt des (der) ersten Durchlasses (Durchlässe) (21) in den (die) zweiten Durchlass (Durchlässe) (22) unter einem Winkel im Bereich von 30 bis 60º zur Horizontalen auf Rippenwellungen (28) zu leiten, die in Längsrichtung unter rechten Winkeln zu den Hardway-Rippen (25, 32, 33) ausgerichtet und innerhalb des (der) zweiten Durchlasses (Durchlässe) (22) in dem Bereich angeordnet sind, in welchem die Flüssigkeit von dem (den) ersten in den (die) zweiten Durchlass (Durchlässe) übergeleitet wird; und

(D) eine Anordnung zum Überleiten von Dampf in den (die) ersten Durchlass (Durchlässe) (21) unterhalb der Flüssigkeitsüberleitungsanordnung (26, 27).

10. Wärmetauscher nach Anspruch 9, bei welchem die Verteilungs-Verbesserungsanordnung zum Erreichen einer gut verteilten Flüssigkeitsströmung eine einstufige Verteilungs-Verbesserungsanordnung ist, die einen Abschnitt mit perforierten Hardway-Rippen (25) umfasst.

11. Wärmetauscher nach Anspruch 10, bei dem die Perforationsfläche der Hardway-Rippen (25) in dem unteren Teil (33) des Abschnittes die Perforationsfläche der Hardway-Rippen des oberen Teils (32) des Abschnittes übersteigt.

12. Wärmetauscher nach Anspruch 11, bei dem die Perforationsfläche der Hardway-Rippen (25) kontinuierlich von dem oberen Teil (32) zu dem unteren Teil (33) des Abschnittes zunimmt.

13. Wärmetauscher nach Anspruch 9, bei welchem der erste Durchlass (die ersten Durchlässe) (22) in dem oberen Teil (32) abgedichtet ist (sind), wodurch Dampf daran gehindert wird, aus dem Kopf des Wärmetauschers (20) aus dem (den) zweiten Durchlass (Durchlässen) auszutreten.

14. Wärmetauscher nach Anspruch 9, bei dem der erste Durchlass (die ersten Durchlässe) (22) in dem oberen Teil (32) nicht abgedichtet ist (sind), so dass Dampf von dem Kopf des Wärmetauschers (20) aus dem (den) zweiten Durchlass (Durchlässen) austreten kann.

15. Doppelkolonnensystem mit einer ersten Kolonne (1), einer zweiten Kolonne (2) und einem Hauptwärmetauscher (4) gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14.