Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzeugung eines ozonhaltigen Prozessgases, bei welchem Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltendes Einsatzgas in einem oder mehreren Ozonerzeugern mit Ozon angereichert wird, das den bzw. die Ozonerzeuger verlassende mit Ozon angereicherte Prozessgas einem Verdichter oder einer aus mehreren parallelgeschalteten Verdichtern bestehende Verdichtergruppe zugeführt und in diesem bzw. dieser Gruppe auf einen gegenüber dem Druck auf der Saugseite des Verdichters erhöhten, im wesentlichen konstanten Druck gebracht wird und dann einem Reaktor oder einem anderen Verbraucher zugeführt wird, wobei der Prozessgas-Förderstrom einstellbar und/oder regelbar ist.
Ein Verfahren dieser Gattung ist beispielsweise aus der US-PS 5 366 703 bekannt.
Technologischer Hintergrund und Stand der Technik
In industriellen Anwendungen ist bei der Kompression von Gasen auf vorgebbare Enddrücke immer auch der Förderstrom zu regeln, wobei speziell in verfahrenstechnischen Anwendungen, wo Chemikalien miteinander in Wirkung treten müssen, der Massenstrom und nicht der Volumenstrom die zu regelnde Grösse sein wird. Je nach Verdichterart und insbesondere je nach volumetrisch wirkender Verdichterart (geförderter Volumenstrom ist annähernd konstant und unabhängig von der Dichte), wie z.B. bei Kolben-, Druckkolben-, Zahnrad-, Schrauben-Verdichter, rotierenden Verdichtern sowie Flüssigkeitsring-Pumpen, kann diese Regelung nach dem Stand der Technik über eine Drehzahl-Regelung, eine druckseitige Drossel-Regelung, intermittierenden Betrieb des Verdichters in Kombination mit einem Druckspeicher oder über eine Verdichter-Bypass-Regelung erfolgen.
Ist der zu verdichtende Gasstrom in einer derartigen verfahrenstechnischen Anwendung ein ozonhaltiges Gas, wie z.B. für den Fall der Bleichung von Zellstoff mittels Ozon, oder bei Kreisläufen mit möglichst hoher Ozon-Absorption in Wasser, so besteht neben der Forderung nach Regelbarkeit des Massen-Förderstromes auch die Forderung, die Zerstörung des Ozons im Verdichter z.B. zufolge Temperaturanstiegs bei der Verdichtung, möglichst zu verhindern.
Für die Kompression von ozonhaltigem Gas lassen sich diese Forderungen am besten mit Wasserring-Pumpen erfüllen, obwohl auch die Eignung wassergekühlter Einzel-Schraubenverdichter in der technischen Literatur erwähnt wird. Die Verdichtung solcher ozonhaltiger Gase mittels Injektoren ist auch möglich, jedoch auf Anwendungsfälle mit kleinerer Druckerhöhung beschränkt. Bei der hauptsächlich eingesetzten Wasserring-Pumpe (vgl. z.B.
LUEGGER Band 6 "Lexikon der Energietechnik und Kraftmaschinen", Deutsche Verlagsanstalt Stuttgart 1967, Seite 387, Stichwort "Flüssigkeitsring-Verdichter") ist eine Förderstrom-Regelung über Anpassung der Zellenrad-Drehzahl wegen der erforderlichen Stabilität des gebildeten Wasserringes nur sehr begrenzt anwendbar, ein intermittierender Betrieb oder eine variable druckseitige Drosselung scheiden aus wirtschaftlichen Gründen und für die erwünschten höheren Druckerhöhungsraten aus. Bis anhin wurden solche Wasserring-Pumpen für die erwähnten Anwendungen mittels einer Kombination von Saugstrom-Regelorgan und Verdichter-Bypass-Regelung (Umlaufregelung) auf Massen-Förderstrom geregelt.
Dabei wird der Verdichter stets mit gleicher Leistungsaufnahme und gleichem Gasstrom betrieben und der Differenzstrom zwischen Verdichter-Gasstrom und dem erwünschten Gas-Förderstrom via ein Bypassregelventil auf Saugdruck entspannt und dem Verdichter wieder zugeführt. Regel grösse für den Bypass ist dabei der einstellbare, sonst aber konstant gehaltene Saugdruck des Verdichters. Bei Kompressions-Überdrücken von z.B. 10 bis 14 bar konnte damit der Förderstrom innerhalb eines sinnvollen Bereiches von ca. 50 bis 100% geregelt werden, wobei der Verdichter-Saugdruck knapp unter den Ozonerzeuger-Gasdruck eingestellt wurde. Der Ozonerzeugerdruck ist stets höher als der atmosphärische Druck und wird konstant gehalten, der Überdruck beträgt typisch zwischen 0,4 bar und 2,0 bar, was bedeutet, dass der Kompressorvordruck auch immer höher als der atmosphärische Druck ist.
Dies ist eine Sonder-Betriebsweise solcher Wasserringkompressoren, die bis jetzt nur in Kombination mit Ozonerzeugung eingesetzt wurde (vgl. US-PS 5 366 703).
Bei Anwendungen von Wasserring-Pumpen mit diesem Regelkonzept wurde indessen trotzdem Ozonzersetzung beobachtet, deren Ausmass in etwa proportional zum eingestellten Bypass-Strom ausfiel und die daher speziell bei tieferen Förderstrom-Teillasten zu unerwünschten Energie- und Einsatzgas-Mehrverbrauch in den Ozonerzeugern führte.
Kurze Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erzeugung und Verdichtung eines ozonhaltigen Prozessgases anzugeben, das einen erhöhten Förderstromregelungsbereich aufweist, aber nicht die Gefahr von Zerstörung des Ozons.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass dem Verdichter bzw. der Gruppe saugseitig ein Gasstrom-Regelorgan vorgeschaltet, und der variable Massenstrom im wesentlichen über eine variable Sauggasdichte vor dem Verdichter bzw. der Verdichtergruppe beeinflusst wird.
Der Erfindung liegt dabei die Idee zugrunde, den variablen Massenstrom nicht wie bis jetzt proportional zum Volumenstrom einzustellen, sondern über eine variable Sauggasdichte, das heisst, den Verdichter-Saugdruck und den Verdichter-Förderstrom nicht mehr in etwa konstant zu halten, sondern den (die) Verdichter und das (die) zugeordnete(n) Bypass-System(e) so auszulegen, dass, je nach erwünschtem, über den gesamten Regelbereich für eine Anwendung jedoch annähernd konstant zu haltenden Kompressionsenddruck, in einem durch das saugseitige Förderstrom-Regelorgan beeinflussbarem Förderstrom-Leistungsbereich von z.B. 60 bis 100% der Saugdruck des Verdichters sich ohne Eingriff des Bypass-Regelsystems frei und förderstromgerecht einstellen kann.
Die Erfindung lehnt sich dabei in einem gewissen Sinne an die bekannte Regelung von Kreiselgebläsen an, z.B. bei Hochofengebläsen, wo unabhängig vom Widerstand des Hochofens stets die gleiche Luftmenge zugeführt werden soll, wie es beispielsweise aus dem Buch von Friedrich Kluge "Kreiselgebläse und Kreiselverdichter radialer Bauart", Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg, 1953, Seiten 208 und 209, insbesondere Abb. 249 auf Seite 209. Dort erfolgt die Regelung auf gleiches Ansauggewicht durch eine Blende in der Saugleitung des Verdichters. Im Gegensatz hierzu geht es bei der vorliegenden Erfindung um die Ermöglichung eines stets gleichen, dem nachgeschalteten Reaktor bereitzustellenden Verdichterenddruck trotz Veränderung des Massen-Förderstroms zufolge des variablen Ozonbedarfs des nachgeschalteten Prozesses.
Dabei wird der Verdichter-Ansaugdruck nicht direkt geregelt, sondern er kann sich innerhalb vergleichsweise weiter Grenzen frei anpassen, was gleichbedeutend ist mit einer Variation des Verdichtungsverhältnisses über dem Massenstrom-Regelbereich.
Für weitere Reduktion des Förderstromes auf z.B. 30 bis 60% des Nenn-Förderstromes kann beim erfindungsgemässen System nach Erreichen eines einstellbaren, tiefsten sinnvollen Saugdruckes dann zusätzlich die Bypass-Regelung in Eingriff gebracht werden.
Vorteilhaft bei diesem erfindungsgemässen System sind der weitaus grössere ermöglichte Massenförderstrom-Regelbereich und die weitestgehende Eliminierung von Ozon-Zersetzung durch Einschränkung des die Ozonzersetzung fördernden Verdichter-Bypasses. Der vergrösserte Förderstrom-Regelbereich wird sich im allgemeinen auch in einer Reduktion der Anzahl parallel zu schaltenden Verdichter auswirken, und somit zur Verringerung der Investitionskosten beitragen.
Die Anwendung der erfindungsgemässen Saugstromregelung mit Auslegung für frei sich einstellenden Saugdruck, sowie ein Bypass-System ermöglicht auch in diesem Anwendungsfalle einen kontinuierlichen Betrieb der Verdichter im gesamten sinnvollen Gas-Förderbereich und führen zu apparatetechnischer Vereinfachung, bzw. einer Reduktion der Anzahl notwendiger parallelgeschalteter Verdichter.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie weitere damit erzielbare Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in Gestalt einer Anlage zur Erzeugung von Ozon mit nachgeschaltetem Verdichter, dem seinerseits ein Reaktor nachgeschaltet ist, in welchem ozonhaltiges Gas mit einer Substanz behandelt wird.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Die dargestellte Anlage umfasst einen Ozonerzeuger 1. Diesem ist über ein Massenstrom-Regelorgan 2 ein erster Verdichter, eine Wasserring-Pumpe 3 nachgeschaltet. Das verdichtete ozon haltige Gas gelangt dann in einen Reaktor 4, in welchem das ozonhaltige Gas auf eine andere Substanz, z.B. Zellstoff-Pulpe, einwirkt. Das "verbrauchte" Gas kann über eine Gasaufbereitungsanlage 5 in den Ozonerzeuger 1 zurückgeführt werden. Anlagen dieser Art sind zum Stand der Technik zu zählen und beispielsweise in der eingangs genannten US-PS 5 336 703 in allen wesentlichen Einzelheiten beschrieben. In dieser Patentschrift ist neben verfahrenstechnischen Details auch der Aufbau und die Funktion der hier zum Einsatz kommenden Wasserring-Pumpe 3 ausführlich beschrieben.
Um nun den Massenstrom durch den Reaktor 4 einzustellen bzw. auch zu regeln, ist dem Massenstrom-Regelorgan 2 ein Durchfluss-Regler FC zugeordnet. In diesem wird der Durchfluss-Ist-Wert F - erfasst in einem Durchflussmesser 8 zwischen Ozonerzeuger 1 und Massenstromregelorgan 2 - mit dem vom Verbraucher in jedem Zeitpunkt vorzugebenden Massenstrom (SET POINT M) verglichen und durch Kombination von \ffnungsquerschnitt und Druckdifferenz - Vordruck ist der um p im Durchflussmesser 8 verringerte konstante Druck p NOt am Ausgang des Ozonerzeugers 1, Nachdruck ist der variable, sich frei einstellende Saugdruck pS - so geregelt, dass sich jeweils ein gleichbleibender Verdichterenddruck pV einstellt.
Dazu ist das Massenstrom-Regelorgan 2 so ausgelegt, dass z.B. bei Nenn-Massenstrom dieser Saugdruck pS gerade noch unterhalb einem Druck liegt, der sich aus der Differenz von Ozonerzeugerdruck pO und für Regelstabilität minimal erforderlichen Druckabfall pO-pS am Durchflussmesser 8 und Massenstrom-Regelorgan 2 ergibt, im tiefsten Teillastpunkt der Saugdruck pS aber nicht auf zu tiefe Werte absinkt, weil ansonsten die Gefahr der Ozonzerstörung bei zu grossen Druckabfall am Massenstrom-Regelorgan 3 besteht. Auch bestehen untere technische Grenzen für den Saugdruck wie z.B. Verdampfungserscheinungen in der Wasserring-Pumpe 3.
Der Saugdruck pS des Verdichters 3 bzw. der Verdichtergruppe ist bei spezifiziertem Kompressions-Enddruck innerhalb eines Förderstrom-Regelbereiches von Nennleistung bis zu minimaler Teillast mindestens aber bis zu 80% Nennleistung frei innerhalb der für den Verdichter 3 möglichen Saugdruckgrenzen einstellbar.
Zur Erweiterung des Förderstrom-Regelbereiches zu noch tieferen Förderströmen hin ist nun gemäss einer Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens vorgesehen, dass mittels eines Bypasses und eines weiteren Massenstrom-Regelorgans 6 zwischen Druck- und Saugseite des Verdichters 3 verdichtetes Prozessgas auf dessen Saugseite geführt wird. Die Beeinflussung des weiteren Massenstrom-Regelorgans 6 erfolgt dabei in einem Druckregler PC durch Vergleich des Ist-Wertes des Drucks pS mit einem eingebbaren Sollwert (SET POINT P).
Um auch die Grundlast innerhalb bestimmter Grenzen frei wählen zu können, sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, der Reihenschaltung von Verdichter 3 und erstem Massenstrom-Regelorgan 2 mindestens einen weiteren Verdichter 7 parallelzuschalten. Dieser Verdichter 7 ist vorzugsweise ebenfalls eine Wasserring-Pumpe und erbringt eine Förderstrom-Grundlast.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich aber auch für andere Prozesse anwenden, in denen andere Gase in regelbarem Massenstrom auf bestimmte, für die jeweilige Anwendung jeweils gleichbleibende Enddrücke zu verdichten sind. So ist z.B. für luftgespeiste Ozonerzeuger die Kompression der Luft auf 3.5 bis 4.5 bar sehr wirtschaftlich. Bisher wurden für diese Anwendungen in der Regel ölarme oder ölfreie Kolben-Kompressoren eingesetzt, die in intermittierendem Betrieb einen Gasspeicher aufladen.
Der dafür erforderliche höhere Ladedruck, der Gasspeicher selbst und der notwendige intermittierende Betrieb führen zu Verteuerung der Betriebs- und Investitionskosten.
Bezeichnungsliste
1 Ozonerzeuger
2 erstes Gasstrom-Regelorgan
3 erste Wasserring-Pumpe
4 Reaktor
5 Gasaufbereitungsanlage
6 zweites Gasstrom-Regelorgan
7 zweite Wasserring-Pumpe
8 Durchflussmesser
F Durchfluss
FC Durchfluss-Regler
PC Druck-Regler