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Die
Erfindung betrifft das Wasserschloss einer Gasfackelanlage, bestehend
aus einem geschlossenen Behälter
mit einer Eintrittsöffnung
für das
Fackelgas im Behältermantel,
einer mit dem Fackelrohr verbundenen Austrittsöffnung für das Fackelgas in der Behälterdecke,
einem im geschlossenen Behälter
unter Bildung eines hohlzylinderförmigen Ringspalts mit dem Behältermantel
konzentrisch angeordneten Rohrabschnitt, der über einen an seinem oberen
Rand umlaufenden den hohlzylinderförmigen Ringspalt nach oben
verschließenden
Außenflansch
mit dem Behältermantel
verbunden ist, und einem in den geschlossenen Behälter konzentrisch eingesetzten
mit Wasser gefüllten
offenen Behälter.
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Bei
der Durchführung
verfahrenstechnischer Prozesse, insbesondere in chemotechnischen
Anlagen, werden brennbare nicht verwertete oder nicht verwertbare
Gase aus dem Prozess ausgeleitet und mit offener Flamme verbrannt,
indem die Gase mittels eines am Austrittsende eines kaminähnlichen Fackelrohrs,
dem sogenannten Fackelkopf, befindlichen Brenners vernichtet werden.
Um ein Zurückschlagen
der Fackelflamme über
das Fackelrohr in die Anlage im Falle eines plötzlichen Expansion der dem
Fackelrohr zugeführten
Gase und damit Schäden
zu vermeiden, ist vor dem Fackelrohr ein sog. Wasserschloss angeordnet,
das in einem einfachen Aufbau aus einem teilweise mit Wasser gefüllten geschlossenen
Behälter
besteht. Das Austrittsende der Zufuhrleitung für das Gas taucht von oben her
in das Wasser ein, das Gas wird aus der Mündung der Zufuhrleitung in
das Wasser gedrückt,
perlt durch das Wasser nach oben und strömt über die in der Decke des Behälters befindliche
Austrittsöffnung
in das Fackelrohr, an dessen Austrittsende es mit offener Flamme
verbrannt wird. Bei einem plötzlichen
Expansion des zugeführten
Gases kann die Fackelflamme nur bis in den oberhalb des Wasserspiegels
liegenden Behälterraum
zurückschlagen.
Zusätzlich
zu dieser Funktion lässt
sich mit Hilfe des Wasserschlosses die Größe des im Normalfall gewünschten Gasdrucks
einstellen, bei dessen Überschreiten
das Gas aus der Mündung
der Zufuhrleitung in das Wasser eingeleitet wird. Der Nachteil eines
solchen Wasserschlosses besteht darin, dass durch die bei einer infolge
einer Betriebstörung
verursachte schnelle Gasexpansion, beispielsweise in Raffinerieanlagen, und
dem damit verbundenen plötzlichen
Druckanstieg des dem Wasserschloss zugeführten Gases das Wasser aus
dem Wasserschloss herausgeschleudert wird und damit die Sperre gegen
ein Zurückschlagen
der Fackelflamme aufgehoben ist.
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Um
diesen Nachteil zu vermeiden, ist in der
DE-A-33 41 849 ein Wasserschloss
einer Gasfackelanlage vorgesehen, das einen unten geschlossenen und
oben an das abgehende Fackelrohr angeschlossenen Behälter mit
einem darin konzentrisch angeordneten zylinderförmige Rohr umfasst, dessen Durchmesser
wenig kleiner als der Durchmesser des Behälters ist. Das Rohr bildet
mit der Innenseite der Behälterwand
einen Ringraum, der am oberen Ende geschlossen ist und in dessen
oberen Abschnitt über entsprechend
angeordnete Durchbrechungen der Behälterwand das Fackelgas eingeleitet
werden kann. Das Rohr endet oberhalb des Behälterbodens und besitzt am unteren
Ende mehrere axial verlaufende Schlitze, deren Breite von unten
nach oben kontinuierlich abnimmt. Durch diese Maßnahme soll erreicht werden,
dass das in dem Ringraum über
den ganzen Umfang des Behälters
verteilte, von oben nach unten strömende Fackelgas zunächst einen kleinen
und danach einen zunehmend größeren Querschnitt
vorfindet, über
den das Fackelgas aus dem Ringraum durch das Wasser nach oben perlen kann.
Das eingebaute Rohr verhindert, dass die Fackelgase stoßweise durch
das Wasser treten und damit das Entstehen von Schwingungen unterbleibt. Um
das Herausschleudern des gesamten Wassers bei einem plötzlich stark
ansteigendem Gasdruck zu vermeiden, ist in das Rohr zusätzlich ein
oben offener Topf konzentrisch eingesetzt, der in Bodennähe relativ
kleine Durchtrittslöcher
besitzt und dem kontinuierlich Wasser in begrenzter Menge zugeführt und
ein bestimmtes über
ein Siphon geregeltes Wasserniveau eingestellt wird. Das in den
Behälter
eingeleitet Fackelgas drückt
den Wasserspiegel in dem Ringraum so weit nach unten bis das Fackelgas über die axial
verlaufenden Schlitze in dem zwischen der Außenseite des Rohrs und der
Außenseite
der Topfwand bestehenden Ringraum empor perlt. Wenn der Gasdruck
plötzlich
sehr stark ansteigt kann es passieren, dass das gesamte Wasser durch
den Gasdruck herausgedrückt
wird und kurzzeitig eine direkte Gasverbindung zwischen der Eintritts-
und der Austrittsöffnung
für das
Fackelgas besteht. Dieses Geschehen hat auf das in dem Topf befindliche
Wasser so gut wie keinen Einfluss, da die Durchtrittslöcher eine
zu kleine Angriffsfläche
für das
Fackelgas und eine zu starke Drosselwirkung für das Wasser darstellen. Sobald
der Gasdruck wieder zusammenbricht, tritt durch die Durchtrittslöcher genügend Wasser
aus, um den zwischen der Innenwand des Behälters und der Innenwand des
Rohr bestehenden Ringraum mit Wasser zu füllen und damit eine Barriere gegen
die ggf. zurückschlagende
Fackelflamme zu bilden.
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Die
US-Schrift 3,892,519 beschreibt
eine Vorrichtung für
die gesteuerte Verbrennung von verbrennbaren Gasen, bestehend aus
einem zylindrischen Flüssigkeitsbehälter und
einer Einrichtung mittels derer eine bestimmte Flüssigkeitshöhe einer nicht
brennbaren Flüssigkeit
in dem Flüssigkeitsbehälter aufrecht
erhalten wird. Um eine gefahrlose Verbrennung und Zündung hochexplosiver
Gase zu erreichen, ist eine erste Wand außerhalb der Behälterwand
vorgesehen, die einen ersten Ringraum bildet, der den Flüssigkeitsbehälter für die Abwärtsströmung der
brennbaren Gase umgibt. Das Gas wird gezwungen, durch eine Vielzahl
von um den Umfang in der Wand des Behälters in Nähe seines Bodens ausgebildeten
kleinen Öffnungen,
die mit dem ersten Ringraum in Verbindung stehen, hindurch zugehen. Die
Vorrichtung zur gesteuerten Verbrennung von brennbaren Gasen besteht
weiterhin aus innerhalb des Behälters über den Öffnungen
aber unter der Oberfläche
der Flüssigkeiten
angebrachte Leitteile, die mindestens eine erste waagerechte Platte
mit einer Vielzahl von kleinen Öffnungen
umfassen, einer zylindrischen Hülle
im Inneren des Behälters über der Flüssigkeitsoberfläche und
einer Wärmeisolierung zwischen
der Hülle
und der Wand des Behälters,
einer Einrichtung für
die Zufuhr des brennbaren Gases an das obere Ende des Ringraums
sowie einer Einrichtung für
die Zündung
des Gases über
der Flüssigkeitsoberfläche. Der
Aufbau der Vorrichtung ist äußerst aufwendig
und somit kostenintensiv.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das eingangs beschriebene
Wasserschloss einer Gasfackelanlage so zu gestalten, dass im Fall
eines plötzlichen
Abblasens vergleichsweise großer Gasmengen
sowohl die Sperrfunktion des Wasserschlosses gegen ein Zurückschlagen
der Fackelflamme erhalten bleibt als auch eine infolge der mit der plötzlichen
Expansion von Gas verbundenen Temperatursenkung verursachte Eisbildung
im Wasserschlosses unterbleibt. Darüber hinaus soll das Wasserschloss
betriebssicher sein.
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Gelöste ist
diese Aufgabe dadurch, dass die Eintrittsöffnung für das Fackelgas im Unterteil
des Mantels des geschlossenen Behälters angebracht ist, der Boden
des offenen Behälters
oberhalb der den Scheitel der Eintrittsöffnung für das Fackelgas einschließenden Horizontalebene
liegt, in dem offenen Behälter
ein mit dem Behälterboden
verbundenes mit dem Behältermantel
einen hohlzylinderförmigen
Ringspalt bildendes Rohr mit im unteren Randbereich des Mantels
umlaufend angebrachten Durchbrechungen konzentrisch angeordnet ist,
der Mantel des offenen Behälters
von unten her in den von dem Rohrabschnitt und dem Mantel des geschlossenen Behälters bestehenden
hohlzylinderförmigen
Ringspalt ragt, der mit dem Mantel des geschlossenen Behälters verbundene
Rohrabschnitt von oben her in den zwischen dem in dem offenen Behälter befestigten
Rohr und dem Mantel des offenen Behälters bestehenden hohlzylinderförmigen Ringspalt
eintaucht, auf der Außenseite
des Bodens des geschlossenen Behälters
zwei wärmeleitend
verbundene Schlangenrohre spiralförmig um die Mitte des Bodens
gewickelt befestigt sind, der Zulauf der einen Rohrschlange mit
der am Boden des offenen Behälters
austretenden Fallleitung für
das abströmende
Wasser und der Ablauf mit der in den Behälter mündenden Steigleitung für das zuströmende Wasser
verbunden sind und die andere Rohrschlange mit gesättigtem
Niederdruck-Wasserdampf beaufschlagbar ist.
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Bei
verfahrenstechnischen Anlagen, in denen vergleichsweise große unter
einem erhöhten Druck,
beispielsweise von 2 bis 6 bar(a) stehende Gasmengen vorhanden sind,
fallen beim Abblasen vergleichsweise große Gasmengen, beispielsweise 250
bis 400 t/h, an, die innerhalb einer relativ kurzen Zeit von beispielsweise
5 bis 10 min über
die Gasfackelanlage abgeführt
und am Austrittsende des Fackelrohrs verbrannt werden müssen. Als
Folge der plötzlichen
Gasexpansion wird zum einen die in dem zwischen dem Mantel des offenen
Behälters
und dem in dem offenen Behälter
befestigten Rohr bestehenden hohlzylinderförmigen Ringspalt befindliche Wassermenge
in den oberhalb des Wasserspiegels liegenden Raum des geschlossenen
Behälters
geblasen und zum andern die Gastemperatur auf Werte erniedrigt,
die erheblich niedriger als der Eispunkt t0 =
0°C sind
und beispielsweise im Temperaturbereich von –60 bis –80°C liegen, so dass sich vor allem
auf der Innenseite des in dem offenen Behälter angeordneten Rohrs Eis
bilden kann. Da die plötzliche
Gasexpansion praktisch keinen praktischen Einfluss auf die in dem
in dem offenen Behälter
befestigten Rohr vorhandene Wassermenge ausübt, strömt unmittelbar nach Ablauf
der Gasexpansion, d.h. nach dem Zusammenbrauch des Gasdrucks, Wasser über die im
unteren Randbereich des Mantels des in dem offenen Behälter angebrachten
Rohrs umlaufenden Durchbrechungen, deren Durchmesser jeweils 20
bis 50 mm beträgt,
in den von dem Mantel des geschlossenen Behälters und dem darin befestigten
Rohr gebildeten hohlzylinderförmigen
Ringspalt und baut somit wieder eine Sperre gegen ein eventuelles
Zurückschlagen
der Fackelflamme auf. Die ggf. auf der Innenseite des in dem offenen
Behälter
befindlichen Rohrs gebildete Eisschicht wird durch das in dem offenen
Behälter
enthaltene eine Temperatur von < 100°C besitzende
Wasser geschmolzen, wodurch Sicherheit gegen die Bildung von Eis
gewährleistet
ist.
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Im
Rahmen der Ausgestaltung des Wasserschlosses beträgt die radiale
Dicke des von dem Rohrabschnitt und dem Mantel des geschlossenen Behälters und
des von dem Mantel des offenen Behälters und dem von dem in dem
offenen Behälter angebrachten
Rohr gebildeten hohlzylinderförmigen Ringspalts,
angepasst an die abzuführenden
Gasmengen, jeweils 20 bis 50 mm.
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Nach
einem weiteren Erfindungsmerkmal verlaufen der Mantel des offenen
Behälters
in der Mittelebene des von dem Rohrabschnitt und dem Mantel des
geschlossenen Behälters
gebildeten hohlzylinderförmigen
Ringspalts und der Rohrabschnitt in der Mittelebene des von dem
Mantel des offenen Behälters
und dem dann angebrachten Rohr gebildeten hohlzylinderförmigen Ringspalts,
wobei der Abstand zwischen dem freien Ende des Mantels des offenen
Behälters
und dem gegenüberliegenden Außenflansch
des Rohrabschnitts und dem Abstand zwischen dem freien Ende des
Rohrabschnitts und dem gegenüberliegenden
Boden des offenen Behälters
jeweils der Hälfte
des Wertes der radialen Dicke des Ringspalts entspricht.
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Der
natürliche
Umlauf des in dem offenen Behälter
enthaltenen, eine Temperatur von < 100°C, vorzugsweise
95 bis 99°C
besitzenden Wassers wird durch Dichteunterschiede erzeugt, wofür ein Temperaturgefälle zwischen
dem aus dem offenen Behälter abströmenden und
dem in den offenen Behälter
zuströmenden
Wasser von 20 bis 50°C
erforderlich ist. Da in dem offenen System des Wasserschlosses die Verdampfungstemperatur
auf 100°C
festgelegt ist, wird das in dem offenen Behälter enthaltene Wasser auf < 100°C erwärmt, um
die Verdampfung von Wasser und damit die Zufuhr von Frischwasser
weitgehend zu vermeiden. Zur Erzeugung des Temperaturgefälles wird
das abströmende
Wasser indirekt mit gesättigtem
Niederdruck-Wasserdampf und gleichzeitig auch der Sumpf des geschlossenen
Behälters beheizt.
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Ein
besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass aus dem in
den offenen Behälter
einströmenden
Gas in dem zwischen dem Boden des offenen Behälters und dem Boden des geschlossenen Behälters bestehenden
Leerraum die in dem Gasstrom enthaltenen CnHm-Aerosole
abgeschieden werden und sich im Sumpf des geschlossenen Behälters sammeln.
Durch die indirekte Beheizung des Sumpfs verdampfen die CnHm, werden mit dem
Fackelgasstrom zum Fackelrohr gefördert und mit dem Fackelgas
verbrannt.
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Durch
die in dem offenen Behälter
enthaltene Wassermenge wird ein Druck von 450 bis 750 mmWS, vorzugsweise
600 mmWS erzeugt.
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Die
Erfindung ist in der Zeichnung näher
und beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
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1 einen
Längsschnitt
durch das Wasserschloss einer Gasfackel;
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2 eine
Draufsicht auf die Außenseite
des Behälterbodens
des geschlossenen Behälters.
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Der
geschlossenen Behälter
(1) des Wasserschlosses hat in der Behälterdecke (2) eine
mit einem nach oben außen
anschließenden
Fackelrohr (3) verbundene Austrittsöffnung (4) für das Fackelgas.
Das unter einem Druck von 5 bar(a) stehende Fackelgas ist über die
in dem Unterteil des Mantels (5) des geschlossenen Behälters (1)
angeordnete Eintrittsöffnung
(6) in den geschlossenen Behälter (1) einleitbar. Im
Oberteil des geschlossenen Behälters
(1) ist konzentrisch ein Rohrabschnitt (7), der
mit dem Behältermantel
(5) einen hohlzylinderförmigen
Ringspalt (8) bildet, über
einen an seinem oberen Rand angebrachten Außenflansch (9) mit
der Behältermantel
(5) verbunden und verschließt den Ringspalt (8)
nach oben. Im Oberteil des geschlossenen Behälters (1) befindet
sich konzentrisch angeordnet ein mit Wasser gefüllter offener Behälter (10)
dessen gewölbter Boden
(11) oberhalb der den Scheitel der Eintrittsöffnung (6)
für das
Fackelgas einschließenden
Horizontalebene verläuft
und dessen Mantel (12) von unten her in den zwischen dem
Rohrabschnitt (7) und dem Mantel (5) des geschlossenen
Behälters
(1) bestehenden hohlzylinderförmigen eine radiale Breite
von 40 mm besitzenden Ringspalt (8) erstreckt. Auf der Innenseite
des Bodens (11) des offenen Behälters (10) ist ein
Rohr (13) befestigt, das mit dem Mantel (12) des
geschlossenen Behälters
(10) einen hohlzylinderförmigen Ringspalt (14)
mit einer radialen Breite von 40 mm bildet, in den von oben her
der mit dem Mantel (5) des geschlossenen Behälters (1)
verbundene Rohrabschnitt (7) eintaucht. Umlaufend am unteren
Randbereich des in dem offenen Behälter (10) befestigten
Rohrs (13) befinden sich mehrere einen Durchmesser von
jeweils 20 mm aufweisenden Durchbrechungen (15).
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Auf
der Außenseite
des Bodens (16) des geschlossenen Behälters (1) sind zwei
wärmeleitend verbundene
Rohrschlangen (17, 18) spiralförmig um die Mitte des Bodens
(16) gewickelt befestigt. Der Zulauf der einen Rohrschlange
(17) ist mit der von dem offenen Behälter (10) kommenden
Fallleitung (19) und der Ablauf mit der in den offenen
Behälter
(10) mündenden
Steigleitung (20) und der Zulauf der anderen Rohrschlange
(18) mit dem Vorlauf (21) und der Ablauf mit dem
Rücklauf
(22) einer nicht dargestellten gesättigten Niederdruck-Wasserdampf
führenden
Leitung verbunden. Der natürliche
Umlauf des in dem offenen Behälter
(10) enthaltenden Wassers wird durch den Dichteunterschied
zwischen dem vergleichsweise kühleren
aus dem offenen Behälter (10)
abströmenden
Wasser und dem relativ wärmeren
dem offenen Behälter
(10) aufgegebenen Wasser erreicht. Das aus dem offenen
Behälter
(10) ablaufende Wasser wird auf dem Weg durch die Rohrschlange
(17) indirekt durch den durch die Rohrschlange (18)
strömenden
gesättigten
Niederdruck-Wasserdampf
auf eine um etwa 45°C
höhere Temperatur
erwärmt.
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Das über die
Eintrittsöffnung
(6) des geschlossenen Behälters (1) mit einem
Druck von 5 bar(a) eintretende Fackelgas strömt durch die zwischen dem Boden
(16) des geschlossenen Behälters (1) und dem
Boden (11) des offenen Behälters (10) bestehenden
Raum (23), in dem die in dem Fackelgas enthaltenen CnHm-Aerosole abgeschieden
werden und sich im Sumpf des geschlossenen Behälters (1) sammeln. Über den
zwischen dem Mantel (5) des geschlossenen Behälters (1)
und dem Mantel (12) des offenen Behälters (10) bestehenden
radial außen liegenden
Teil des hohlzylinderförmigen
Ringspalts (8) strömt
das Fackelgas in den zwischen dem Mantel (12) und dem Rohrabschnitt
(7) bestehenden radial innen liegenden Teil des hohlzylinderförmigen Ringspalts
(8) und drückt
in diesem den Wasserspiegel nach unten bis das Fackelgas das untere
Ende erreicht und in dem von dem Rohrabschnitt (7) und dem
in dem offenen Behälter
(10) angebrachten Rohr (13) begrenzten Teilabschnitt
des zwischen dem Mantel (12) des offenen Behälters und
dem in diesem angebrachten Rohr (13) gebildeten hohlzylinderförmigen Ringspalt
(14) durch das Wasser nach oben perlt und über die
Austrittsöffnung
(4) des geschlossenen Behälters (1) in das Fackelrohr
(3) strömt.
Im Abblasfall kann das Wasser vollständig aus dem radial außen liegenden
Teil und den radial innen liegenden Teil des hohlzylinderförmigen Ringspaltes
(8) herausgedrückt
werden; durch die im unteren Randbereich des in dem offenen Behälter (10)
befestigten Rohrs (13) angebrachten Durchbrechungen (15)
tritt jedoch eine so große
Wassermenge aus, dass die Teilringspalte in kurzer Zeit wieder mit
Wasser gefüllt sind
und somit eine zurückschlagende
Flamme das Wasserschloss nicht passieren kann.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass im Abblassfall keine Eisbildung im Wasserschloss eintritt,
durch den natürlichen
Umlauf des Wassers der Einsatz von Pumpen unterbleiben kann und
die indirekten Beheizung sowohl für die Herstellung des natürliche Umlauf
des in dem offenen Behälter
enthaltenen Wasser als auch Beheizung des Sumpfs des geschlossenen
Behälters
nutzbar ist.