DE1059480B

DE1059480B - Regeneratorensystem fuer Luft- bzw. Gaszerlegungsanlagen

Info

Publication number: DE1059480B
Application number: DEK34144A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Alexander Melchior
Original assignee: Kloeckner Huettenwerk Haspe AG
Current assignee: Kloeckner Huettenwerk Haspe AG
Priority date: 1958-02-22
Filing date: 1958-02-22
Publication date: 1959-06-18
Also published as: GB862463A; LU36866A1; US3056269A; FR1228869A

Description

DEUTSCHES

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Luftbzw. Gaszerlegungsanlagen, insbesondere auf Großanlagen dieser Art.

Bei Luft- und Gaszerlegungsanlagen ist es notwendig, die einströmenden zu zerlegenden Gase (z. B. Luft) durch Kälteaustausch mit den rückströmenden Zerlegungsprodukten so weit abzukühlen, daß die einströmenden Gase möglichst nahe an der Verflüssigungstemperatur 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 Regeneratorensysteme:

Zunächst wird der Rektifikationsvorgang während der Umschaltung von einem Regenerator auf den anderen 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 S tickstoffinhalt abgeben kann, sondern auch dieser durch die einströmende Luft in das 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 verlorengeht.

Die vorliegende Erfindung vermeidet die genannten Nachteile dadurch, daß ein oder mehrere mit den anderen 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 das Entweichen des Stickstoffes aus dem auf Luft umgeschalteten Regenerator stattfindet.

Hierbei kann der einzige oder einer oder mehrere der Hilfsregeneratoren mit jedem der anderen Regeneratoren je über ein normalerweise geschlossenes steuerbares Ventil in Verbindung stehen, dessen Öffnung und Schließung mit der Öffnung und Schließung eines Überströmventils zwischen den Regeneratoren mechanisch, elektromagnetisch od. dgl. gekoppelt ist.

Außerdem kann zwischen dem Hilfsregenerator und der Stickstoffausstoßleitung der Regeneratoren eine Regeneratorensystem
für Luft- bzw. Gaszerlegungsanlagen

Anmelder:

Klöckner-Hüttenwerk Haspe

Aktienges ells chaf t,
Hagen (Westf.)-Haspe

Dipl.-Ing. Alexander Melchior, Hagen (Westf.)-Haspe, ist als Erfinder genannt worden

Verbindungsleitung mit einem Ventil vorgesehen sein, dessen Öffnung bei der Schließung der Regeneratorenventile für Luft und Stickstoff erfolgt.

Weiterhin kann der Hilfsregenerator ein Ventil für die Durchführung des die aufgespeicherte Kälte des Hilfsregenerators aufnehmenden Luftstromes aufweisen.

Hierbei kann das genannte Ventil durch die im kälteren Teil des Hilfsregenerators erreichte Temperatur steuerbar sein, wobei vorzugsweise Mittel vorgesehen sind, die nach dem Erreichen einer Höchsttemperatur der am kalten Ende des Hilfsregenerators austretenden Luft eine selbsttätige Schließung des Ventils bewirken.

Für den aus dem Niederdruckteil des Trenners abziehenden Stickstoff einerseits und den aus dem umgeschalteten Regenerator entweichenden Stickstoff können jeweils getrennte Wege im Hilfsregenerator vorgesehen sein.

Um sicherzustellen, daß der Stickstoff, der sich in dem auf Luft umgeschalteten Regenerator befindet, vollständig und schnell in den Hilfsregenerator einströmt und kein Überdruck nach dem Trenner hin erfolgt, kann die Verbindungsleitung zwischen Regenerator und Hilfsregenerator zusammen mit der Stickstoffzuführung aus dem Trenner nach Art eines Injektors (nach Art eines Venturi-Systems oder einer Flüssigkeitsstrahl-Saugpumpe) ausgebildet sein.

Der Hilfsregenerator kann auch ganz oder zum Teil als Röhrenaustauscher ausgebildet werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird dadurch erzielt, daß den Hilfsregeneratoren Behälter zugeordnet sind, in die der durch die Hilfsregeneratoren strömende Stickstoff einströmt und deren Größe so bemessen ist, daß sie den Stickstoff ohne wesentliche Drucksteigerung aufnehmen.

Wenn zwei Hilfsregeneratoren vorgesehen werden, kann der eine für den aus dem Trenneroberteil ab-

909 557/111

fließenden Stickstoff, der andere Hilfsregenerator für den stoßweise abströmenden Stickstoff \Orgesehen sein, der jeweils aus dem umzustellenden Regenerator abströmt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen erläutert.

Fig. 1 ist ein Schema einer bekannten Regeneratorenanlage, deren Zusammenwirken mit einer Trenn- oder Zerlegungs-Vorrichtung veranschaulicht ist;

Fig. 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 3 veranschaulicht 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 2¹ in jeweils einen der Regeneratoren 3 bzw. 3¹ des Regeneratorenpaares 1. Es sei zunächst angenommen, daß der Regenerator 3¹ in Betrieb sei, d. h. daß der zu kühlende Luftstrom durch das Ventil 2¹ einströmt, während das Ventil 2 des Regenerators 3 geschlossen ist.

Der Regenerator 3 wird dann mit Kälte aufgeladen, die der aus dem oberen Teil α 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 -172⁰C abkühlt. Der Stickstoff gelangt durch das geöffnete Ventil 7 und die Leitung 5 ins Freie, während das Ventil 7¹ des Regenerators 3¹ geschlossen bleibt. Die durch den Regenerator 3¹ hindurchströmende Luft kommt über das Rückschlagventil 9¹ tiefgekühlt in die Leitung 8. Die Rückschlagventile 6¹ und 9 sind 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 3¹ genügend abgekühlt hat, findet die Umschaltung der Regeneratoren statt.

Hierzu müssen die Ventilpaare 2, 2¹ und 7, 7¹ gesperrt werden, während das Überströmventil 10 geöffnet wird, um einen Druckausgleich zwischen den Regeneratoren 3 und 3¹ zu bewirken. Die unter etwa 6 atü im Behälter 3¹ 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 Sauerstoffsumpf 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 b, in denen bereits ein stark angereicherter Rohsauerstoff steht, anstatt von Luft von Stickstoff durchströmt.

Einerseits wird dadurch die Rektifikation stark gestört; andererseits fehlt der Sauerstoff rein zahlenmäßig. Es kommt hinzu, daß die Verflüssigungsleistung, die vom Kondensator 12 verlangt wird, durch diese Stickstoffmenge erhöht wird, ohne daß im oberen Teil α die der Mehrverdampfung entsprechende Rücklaufmenge an reinem Sauerstoff zur Verfügung steht. Der im Hochdruckraum befindliche angereicherte Sauerstoff gelangt über die Leitung 17 und das Ventil 18 in die Rektifikationskolonne des Niederdruckraumes α 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 Leitung 16 in den Kopf der Kolonne.

Der Umschaltvorgang und die hierbei erforderliche Sperrung der Ventile 7 bzw. 7¹ haben weiterhin den Nachteil, daß die Leitung für den Turbinenauspuff während des Umschaltvorganges gesperrt ist. Hierdurch sinkt die Umdrehungszahl der Kälteturbine 19 erheblich ab, was einen Kälteverlust nach sich zieht. Gemäß der Erfindung wird, wie in der Ausführungsform der Fig. 2 veranschaulicht ist, der Hilfsregenerator 3* eingeschaltet. Während des Umscha.lt-Vorganges gelangt nunmehr der Stickstoff aus der Leitung 5 über das Rückschlagventil 6^X, das Ventil 7^X und die Leitung S 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 3* abfließen und seine Kühlwirkung inzwischen dort abgeben, anstatt — wie bei den bekannten Regeneratoren — nach erfolgtem Druckausgleich zwischen den Regeneratoren 3 und 3¹ über das Ventil 9 in die Leitung 8 und damit in den Sauerstoffsumpf 11 gedrückt zu werden. Die schnelle, eine vorzeitige Druckentstehung verhindernde Überführung des Stickstoffes vom Regenerator 3 in den Hilfsregenerator 3* 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 Ventil 2^X vorgesehen, durch das komprimierte Luft aus der Leitung L in den Hilfsregenerator und von dort über das Rückschlagventil 9^X 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, wird das A^entil 2^X selbsttätig geschlossen. Die gesteuerten Ventile 21 und 21¹ in den Verbindungsleitungen 20 und 20¹ werden mittels mechanischer.

elektromagnetischer oder auf andere Weise steuerbarer Mittel synchron mit oder kurz vor der öffnung des Überströmventils — etwa bei einer Schließung des Ventilpaares 2, 2¹ und 7, 7¹ — geöffnet. Die Öffnung des Stickstoffventils 7^X erfolgt automatisch bei der Schließung der Stickstoffventile 7 bzw. 7¹.

Die Turbine 23 arbeitet über den Pufferbehälter 22 auf die Luftleitung L.

In Fig. 3 ist eine Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der der Stickstoff nicht ins Freie entweicht, sondern von den Hilfsregeneratoren über Leitungen 24¹ bzw. 24² in Behälter 23¹ bzw. 23² gelangt, die so bemessen sind, daß sie den Stickstoff ohne wesentliche Drucksteigerung aufnehmen. Nach dem Umschalten der Regeneratoren strömt der in den Behältern gespeicherte Stickstoff durch die Hilfsregeneratoren wieder zurück, nimmt die abgegebene 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 3' ab.

Wie im einzelnen aus Fig. 3 ersichtlich ist, sind an Stelle des Hilfsregenerators 3^X zwei Hilfsregeneratoren 3^X1 und 3*² vorgesehen. Der Hilfsregenerator 3^V ^x ist durch die Leitung 22* ¹ mit der Stickstoffleitung 5 verbunden und nimmt beim Umschalten den aus dem Oberteil abfließenden Stickstoff auf. Der Hilfsregenerator 3^X2 ist durch die bereits genannten Leitungsteile 20 und 20¹ unter Zwischenschaltung der Ventile 21 und 21¹ sowie Leitung 22*² mit dem unteren Teil der beiden Regeneratoren verbunden. Wie bei der

Ausführungsform gemäß Fig. 2 soll hierdurch der Stickstoff aus dem jeweils auf Luft umzustellenden Regenerator abfließen.

Zunächst könnte man daran denken, den Stickstoff im kalten Teil in entsprechenden Behältern zu speiehern, 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 Austauscherverluste 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 3^X1 weder im warmen noch im kalten Teil ein Ventil benötigt. Der Hilfsregenerator 3*² braucht nur im kalten Teil die beiden Ventile 21 und 21¹. 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 einströmenden Luft ein anderes Gas oder eine Mehrzahl anderer Gaskomponenten und dem aus dem System ausströmenden Stickstoff ebenfalls ein anderes Gas oder eine Mehrzahl anderer Gaskomponenten entspricht.

Die Bezeichnung Luft oder Stickstoff steht also zur terminologischen Vereinfachung stellvertretend für beliebig andere Gase oder Gasgemische, die einem ahnliehen Trennprozeß unterzogen werden können.

Claims

Patentansprüche:

1. Regeneratorensystem für Luft- bzw. Gaszerlegungsanlagen, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere mit den anderen Regeneratoren (3, 3¹) zusammenwirkende, vorzugsweise relativ kleine Hilfsregeneratoren (3* bzw. 3^xl, 3^x2) 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.

2. Regeneratorensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der, einer der oder mehrere Hilfsregeneratoren (3* bzw. 3*²) mit jedem der anderen Regeneratoren je über ein normalerweise geschlossenes steuerbares Ventil (21, 21¹) in Verbindung stehen, dessen Öffnung und Schließung mit der Öffnung und Schließung eines Überströmventils (10) zwischen den Regeneratoren — z. B. mechanisch, elektromagnetisch od. dgl. — gekoppelt ist.

3. Regeneratorensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einem oder mehreren Hilfsregeneratoren (3^xl, 3^x2) Behälter (23¹,23²) zugeordnet sind, in die der durch den Hilfsregenerator strömende Stickstoff einströmt.

4. Regeneratorensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Hilfsregenerator (3^X) und der Stickstoffausstoßleitung (S) der Regeneratoren eine mit einem Ventil (7^X) versehene Verbindungsleitung vorgesehen ist, wobei die Öffnung des letztgenannten Ventils bei der Schließung der Regeneratorenventile für Luft und Stickstoff während der Umschaltung von einem Regenerator auf den anderen erfolgt.

5. Regeneratorensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsregenerator (3^X) ein Ventil (2^X) für die Durchführung des die aufgespeicherte Kälte im Hilfsregenerator aufnehmenden Luftstromes aufweist.

6. Regeneratorensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Ventil durch die im kälteren Teil des Hilfsregenerators erreichte Temperatur steuerbar ist, wobei vorzugsweise Mittel vorgesehen sind, die nach dem Erreichen einer Höchsttemperatur des Hilfsregenerators eine selbsttätige Schließung des Ventils bewirken.

7. Regeneratorensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für das Abströmen des aus dem Niederdruckteil (α) des Trenners abziehenden Stickstoffes und das Entweichen des Stickstoffes aus dem von Stickstoff auf Luft umgeschalteten Regenerator jeweils getrennte Wege im Hilfsregenerator vorgesehen sind.

8. Regeneratorensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindungsleitung (20, 20¹) zwischen Regenerator und Hilfsregenerator zusammen mit der Stickstoffzuführung aus dem Trenner nach Art eines Injektors (z. B. nach Art eines Venturi-Systems oder einer Flüssigkeitsstrahl-Saugpumpe) ausgebildet ist.

9. Regeneratorensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfsregenerator ganz oder teilweise als Röhrenaustauscher mit Speicheransätzen ausgebildet ist.

10. Regeneratorensystem nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine solche Bemessung der Behälter, daß der Stickstoff ohne wesentliche Drucksteigerung aufgenommen werden kann.

11. Regeneratorensystem nach Anspruch 3 und einem oder mehreren der übrigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsregenerator (3^xl) mit nachgeschaltetem Behälter (23¹) für den gleichmäßig aus dem Trennapparat abziehenden Stickstoff und ein anderer Hilfsregenerator (3^x2) mit nachgeschaltetem Behälter (23²) für den stoßweise aus dem auf Luft umgeschalteten Regenerator entweichenden Stickstoff vorgesehen ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

1 909 557/111 6.59