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Regeneratorensystem für Luft-bzw. Gaszerlegungsanlagen
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf
Luft- bzw. Gaszerlegungsanlagen, insbesondere auf Grossanlagen dieser Art.
Bei Luft- und Gaszerlegungsanlagen ist es not- wendig, die einströmenden, zu zerlegenden Gase (z. B. Luft) durch Kälteaustausch mit den rück- strömenden Zerlegungsprodukten soweit abzukühlen, dass die einströmenden Gase möglichst nahe an der Verflüssigungs-Temperatur abgekühlt und Kälteverluste vermieden werden.
Während dies bei den klassischen (meist kleineren) Anlagen durch Röhrenaustauscher geschieht, arbeiten neuere grosse Anlagen meist nach dem Linde-Fränkl-Prinzip mit Regeneratoren. Da diese diskontinuierlich arbeiten, sind mindestens zwei vorgesehen, so dass jeweils einer dem einströmenden Gas, der andere dem ausströmenden Produkt zur Verfügung steht. Diese Verteilung wechselt in regelmässigen Zeitabschnitten. Wie weiter unten an Hand der Figuren im einzelnen erläutert werden wird, ergeben sich folgende Nachteile der bekannten Regeneratoren-Systeme :
Zunächst wird der Rektifikationsvorgang während der Umschaltung von einem Regenerator auf den andern sowohl auf der Eingangsseite als auch auf der Ausgangsseite der Trennanlage stillgelegt.
Ein besonders schwerwiegender Nachteil besteht darin, dass der jeweils von Stickstoff auf Luft umzuschaltende Regenerator nicht nur nicht seinen Stickstoffinhalt abgeben kann, sondern auch dieser durch die einströmende Luft in den Unterteil des Trennapparates gedrückt wird, wo er nichts zur Sauerstofferzeugung beiträgt, sondern die Rektifikation in unerwünschter Weise stört.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Systeme ergibt sich daraus, dass die im bisher luftführenden Regenerator enthaltene Pressluft zum Teil verloren geht.
Die vorliegende Erfindung vermeidet die genannten Nachteile dadurch, dass ein oder mehrere mit den andern Regeneratoren zusammenwirkende, vorzugsweise relativ kleine Hilfsregeneratoren vorgesehen sind, durch den oder die während der Umschaltzeit das störungsfreie Abströmen des aus dem Oberteil des Trenners abziehen-
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ratoren Behälter zugeordnet sind, in die der durch die Hilfsgeneratoren strömende Stickstoff ein- strömt und deren Grösse so bemessen ist, dass sie den Stickstoff ohne wesentliche Drucksteigerung aufnehmen.
Wenn zwei Hilfsregeneratoren vorgesehen wer- den, kann der eine für den aus dem Trenneroberteil abfliessenden Stickstoff, der andere Hilfsregenerator für den stossweise abströmenden Stickstoff vorgesehen sein, der jeweils aus dem umzustellen- den Regenerator abströmt.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen erläutert u. zw. zeigt Fig. 1 ein Schema einer bekannten Regeneratorenanlage, deren Zusammenwirken mit einer Trenn- oder Zerlegungs-Vorrichtung veranschaulicht ist, Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung und Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Bei den bekannten Anlagen strömt die beispielsweise auf 6 atü verdichtete Luft längs der Leitung L über das Ventil 2 bzw. das Ventil 2'in jeweils einen der Regeneratoren 3 bzw. 3'des Regeneratorenpaares 1. Es sei zunächst angenommen, dass der Regenerator 3'in Betrieb sei, d. h. dass der zu kühlende Luftstrom durch das Ventil 2'einströmt, während das Ventil 2 des Regenerators 3 geschlossen ist.
Der Regenerator 3 wird dann mit Kälte aufgeladen, die der aus dem oberen Teil a der Trennanlage ausströmende Stickstoff abgibt, welcher längs der Leitung 5 über das Rückschlagventil 6 in den Regenerator 3 einströmt, der sich dabei im unteren Teil auf etwa-172 C abkühlt. Der Stickstoff gelangt durch das geöffnete Ventil 7 und die Leitung S ins Freie, während das Ventil 7 des Regenerators 3'geschlossen bleibt. Die durch den Regenerator hindurchströmende Luft kommt über das Rückschlagventil 9'tiefgekühlt in die Leitung 8. Das Rückschlagventil 9 ist in dieser Betriebsphase geschlossen, weil der Druck in der Luftleitung 8 erheblich den Druck in der Stickstoffleitung überschreitet.
Wenn sich der Regenerator 3 in der Betriebsphase des Regenerators 3' genügend abgekühlt hat, findet die Umschaltung der Regeneratoren statt.
Hiezu müssen die Ventilpaare 2, 2'und 7, 7' gesperrt werden, während das Überströmventil1 10 geöffnet wird, um einen Druckausgleich zwischen den Regeneratoren 3 und 3'zu bewirken. Die unter etwa 6 atü im Behälter 3'befindliche Luft strömt in den Behälter 3 ein und schiebt den darin befindlichen Stickstoff vor sich her. Nach der Öffnung des Ventils 2 wird dann der Stickstoff von der nachfolgenden Luft in die Leitung 8 gedrückt, die zum Sauerstoffsumpf 11 führt. Es gelangt also nicht nur keine Luft während und kurze Zeit nach dem Umschaltvorgang in den Sauerstoff sumpf 11, was bereits eine Verschlechterung der Sauerstoffanreicherung bedeutet, sondern es wird ausserdem reiner Stickstoff in den Sumpf geleitet.
Daher werden die unteren Böden der Vorrektifikationssäule, in denen bereits ein stark angereicherter Rohsauerstoff steht, anstatt von Luft- von Stickstoff durchströmt.
Einerseits wird dadurch die Rektifikation stark gestört ; anderseits fehlt der Sauerstoff rein zahlen- mässig. Es kommt hinzu, dass die Verflüssigung- leistung, die vom Kondensator 12 verlangt wird, durch diese Stickstoffmenge erhöht wird, ohne dass im oberen Teil a die der Mehrverdampfung entsprechende Rücklaufmenge an reinem Sauer- stoff zur Verfügung steht. Der im Hochdruck- raum befindliche angereicherte Sauerstoff gelangt über die Leitung 17 und das Ventil. M in die Rekti- fikationskolonne des Niederdruckraumes a des
Trenners.
Aus den Schalen 13, in die der im Kondensator
12 erzeugte flüssige Stickstoff hineinfliesst, gelangt der Stickstoff über das Ventil 15, über die Lei- tung 16 in den Kopf der Kolonne.
Der Umschaltvorgang und die hiebei erforder- liche Sperrung der Ventile 7 bzw. 7'haben weiter- hin den Nachteil, dass die Leitung für den Turbinenauspuff während des Umschaltvorganges ge- sperrt ist. Hiedurch sinkt die Umdrehungszahl der Kälteturbine erheblich ab, was einen Kälteverlust nach sich zieht.
Gemäss der Erfindung wird, wie in der Ausfüh- rungsform der Fig. 2 veranschaulicht ist, der Hilfsregenerator 3x eingeschaltet. Während des Umschaltvorganges gelangt nunmehr der Stickstoff aus der Leitung 5 über das Rückschlagventil 6x und das Ventil 7x ins Freie. (Der Rektifikationsvorgang im oberen Teil des Trenners wird also nicht gestört und die Tourenzahl der Kälteturbine nicht so stark vermindert. ) Ausserdem kann der im Behälter 3 befindliche Stickstoff nunmehr über die Leitung 20 in den Hilfsregenerator 3x abfliessen und seine Kühlwirkung inzwischen dort abgeben, anstatt-wie bei den bekannten Regeneratoren- : nach erfolgtem Druckausgleich zwischen den Regeneratoren über das Ventil 9 bzw. Ventil 9' in die Leitung 8 und damit in den Sauerstoffsumpf 11 gedrückt zu werden.
Die schnelle, eine vorzeitige Druckentstehung verhindernde Über- : führung des Stickstoffes vom Regenerator 3 in den Hilfsregenerator 3x kann noch dadurch verbessert werden, dass die Leitung 5 mit der Leitung 20 an der Einmündung in den Hilfsregenerator nach Art eines Injektors bzw. einer Flüssigkeitsstrahl- Saugpumpe ausgebildet ist. Um die im Hilfsregenerator aufgeladene Kälte nutzbar zu machen, ist ein Ventil2x vorgesehen, durch das komprimierte Luft aus der Leitung L in den Hilfsregenerator und von dort über das Rückschlagventil dz und über die Leitung 8 in den Sauerstoff sumpf gelangt.
Wenn der Hilfsregenerator sich infolge der hindurchgehenden Luft bis zum Erreichen einer bestimmten Höchsttemperatur erwärmt hat, so wird das Ventil 2x selbsttätig geschlossen. Die i gesteuerten Ventile 21 und 21'in den Verbindungsleitungen 20 und 20'werden mittels mechanischer, elektromagnetischer oder auf andere Weise steuerbarer Mittel synchron mit oder kurz vor der Öffnung des Überströmventils-etwal bei einer Schliessung des Ventilpaares 2, 2'und 7, 7'- geöffnet. Die Öffnung des Stickstoffventils 7x erfolgt automatisch bei der Schliessung
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der Stickstoffventile 7 bzw. 7'. Der mit der Luft- leitung L verbundene Druckausgleichsbehälter 22 ist an einen Kompressor 23 angeschlossen.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Erfin- dung veranschaulicht, bei der der Stickstoff nicht ins Freie entweicht, sondern von den Hilfsrege- neratoren in Behälter gelangt, die so bemessen sind, dass sie den Stickstoff ohne wesentliche
Drucksteigerung aufnehmen. Nach dem Um- schalten der Regeneratoren strömt der in den Be- hältern gespeicherte Stickstoff durch die Hilfs- regeneratoren wieder zurück, nimmt die abge- gebene Kälte wieder auf und gibt sie, nachdem er sich mit dem übrigen abziehenden Stickstoff wieder vereinigt hat, auf dem normalen Wege an den Regenerator 3 oder J'ab.
Wie im einzelnen aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind an Stelle des Hilfsregenerators 3x zwei Hilfs- regeneratoren 3xl und 3x2 vorgesehen. Der
Hilfsregenerator 3xl ist durch die Leitung 22 mit der Stickstoffleitung 5 verbunden und nimmt beim Umschalten den aus dem Oberteil abfliessen- den Stickstoff auf. Der Hilfsregenerator 3x2 ist durch die bereits bekannten Leitungsteile 20 und 20'unter Zwischenschaltung der Ventile 21 und 21'mit dem unteren Teil der beiden Regene- ratoren verbunden. Wie bei der Ausführungs- form gemäss Fig. 2 soll hiedurch der Stickstoff aus dem jeweils auf Luft umzustellenden Regene- rator abfliessen.
Zunächst könnte man daran denken, den Stick- stoff im kalten Teil in entsprechenden Behältern zu speichern, um ihn nach dem Schaltvorgang normal abströmen zu lassen. Dies würde aber
Behälter von solchen Ausmassen erfordern, wie sie wegen der hohen Kälteverluste nicht tragbar wären. Bei der Ausführungsform gemäss Fig. 3 hingegen können die relativ geringen Austauschverluste der Hilfsregeneratoren in Kauf genommen werden, um grosse Behälter bei Normaltemperatur benutzen zu können, aus denen nach dem
Schaltvorgang der Stickstoff abfliesst, die abgegebene Kälte wieder mit zurücknimmt und sich mit dem abziehenden Stickstoff vereinigt.
Die in Fig. 3 beschriebene Ausführungsform weist zusätzliche Vorteile auf.
Da keine Luft zur Rückgewinnung der Kälte benutzt wird, entfällt der Schaltverlust des Hilfsregenerators. Dadurch kann man in der Bemessung etwas grosszügiger sein.
Als weiterer wesentlicher konstruktiver Vorteil ergibt sich die Tatsache, dass die Hilfsregeneratoren nur leicht gebaut zu werden brauchen, da die unter hohem Druck stehende Luft nicht mehr durch die Hilfsregeneratoren geht, also keine Drücke auftreten. Aus dem gleichen Grunde können auch die den Hilfsregeneratoren zugeordneten Sammelbehälter sehr dünnwandig ausgebildet sein.
Auch auf der Seite der Ventilausbildung ergibt sich ein wesentlicher Fortschritt. So wird für den Hilfsregenerator 3xl weder im warmen noch im kalten Teil ein Ventil benötigt. Der Hilfsregenerator 3x2 braucht nur im kalten Teil die beiden
Ventile 21 und 21'. Ausserdem wird das Fahren der Anlage dadurch sehr erleichtert, dass man aus den sich einstellenden Drücken in den Behältern 231 und 232 die Stickstoffmengen errechnen kann.
Im Vorhergehenden ist die Erfindung an Hand einer Luft-Stickstoff-Trennanlage erläutert.
Es versteht sich von selbst, dass die Anwendung der
Erfindung überall da erfolgen kann, wo der ein- strömenden Luft ein anderes Gas oder eine Mehr- zahl anderer Gaskomponenten und dem aus dem
System auströmenden Stickstoff ebenfalls ein anderes Gas oder eine Mehrzahl anderer Gaskomponenten entspricht. Die Bezeichnung Luft oder Stickstoff stehen also zur terminologischen Vereinfachung stellvertretend für beliebig andere Gase oder Gasgemische, die einem ähnlichen Trennprozess unterzogen werden können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Regeneratorensystem für Luft- bzw. Gaszerlegungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere mit den andern Regeneratoren zusammenwirkende, vorzugsweise relativ kleine Hilfsregeneratoren vorgesehen sind, durch den oder die während der Umschaltzeit das störungsfreie Abströmen des aus dem Oberteil des Trenners abziehenden Stickstoffes und/oder durch den das Abströmen des Stickstoffes aus dem auf Luft umgeschalteten Regenerator stattfindet.