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Umschaltverfahren für Gasgemisch-Zerlegungsanlagen mit Kältespeicher-Umschalt-Wechselbetrieb
Bei der Verwendung von Kältespeichern im Umschalt-Wechselbetrieb an Stelle von kontinuierlich
wirkenden Gegenstrom-Röhrentauschern für die Zerlegung von Gasgemischen 'setzt bisher
während des Umschalters .die Druckluftzufuhr zur Kondensatorseite,des Verdampfers
für einige Sekunden aus, weil der jeweils von den ohne überdruck herausgeleiteten
Zerlegungsprodukten durchströmte Kältespeicher erst mit Druckluft aufgefüllt und
aus dem anderen mit Druckluft beschickten Kältespeicher erst der Überdruck abgeblasen
werden mußte, ehe nach erfolgter Umschaltung die Kondensation und damit die Verdampfung
einsetzen konnte.
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Dieses periodische Aussetzen der Verdampfung zufolge der sekundenweisen
Unterbrechung der Druckluftzufuhr während des Umschalters verursacht empfindliche
Störungen der Rektifikation sowohl in der Druck- als auch in der Atmosphärensäule,
weil sich dabei jedesmal der Flüssigkeitsstand ändert.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein neues Umschaltverfahren, bei
welchem während des Umschalters derjenige Druckluft-Kältespeicher, durch den vor
dem Umschalten eines der Zerlegungsprodukte ohne Überdruck herausgeleitet wurde,
vorher finit Druckluft gefüllt wird, ehe aus dem anderen Kältespeicher der Druck
abgeblasen wird, d. h. daß der jeweils mit Druckluft beschickte Kältespeicher auch
während des Umschalters noch so lange mit Druckluft weiter beschickt wird, bis auch
der andere Kältespeicher, durch den in .dieser Zeit keines der Zerlegungsprodukte
herausgeleitet wird, unter Druck gebracht ist. Vorübergehend stehen also während
des Umschalters beide Kältespeicher unter dem Kondensationsdruck, und erst dann
wird .der Überdruck aus dem einen Kältespeicher abgeblasen, aus welchem hernach
eines der Zerlegungsprodukte ohne Überdruck herausgeleitet werden soll.
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Bei diesem Umschaltverfahren entsteht keinerlei Unterbrechung in der
Druckhiftzufuhr zur Kondensatorseite des Verdampfers und demgemäß auch keine Unterbrechung
der Verdampfung auf der Verdampferseite, und die bisher beobachteten Störungen des
Rektifikationsprozesses während des Umschalters sind damit behoben.
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Nachdem aber hier, wenn auch nur für einige Sekunden, beide Kältespeicher
unter Druck gesetzt werden, so kann in dieser Zeit das betreffende Zerlegungsprodukt
aus dem
Rektifikator nicht abziehen, und das würde zur Überdruckbildung
im Rektifikator führen. Um dies zu vermeiden, wird während dieser an sich äußerst
kurzen Zeit dieses Zerlegungsprodukt (in der Regel handelt es sich um das leichter
siedende) entweder durch ein zweites Kältespeicherpaar oder durch einen kontinuierlich
wirkenden Röhrenkältetauscher herausgeleitet.
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Handelt es sich um Anlagen zur Gewinnung von Handelssauerstoff, dann
erfolgt die Entnahme des Stickstoffs während der Umschaltung durch einen Hochdruck-Sauerstoffverdampfer
nach Patent 3407o6 oder 3440i5.
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Auf beiliegender Zeichnung, Abb. i, ist das Verfahren in einem Ausführungsbeispiel
für die Zerlegung von Luft dargestellt.
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Die zugehörige Einrichtung besteht aus den beiden Kältespeichern.
A' und A", dem Kondensator/Verdampfer b, dem unteren (Überdruck-)
Rektifikator c', -dem oberen (drucklosen) Rektifikator c", dem Hochdruck-Sauerstoffverdampfer
d und dem Füllluftkessel C. Die Umschaltventile f', f" sind für die Druckluftzufuhr
bestimmt, e' und e" für Fülluft und g', g" für den Stickstoffabzug.
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Alle Umschaltventile werden von einer (nicht dargestellten) Schaltmaschine
aus durch Druckluft oder elektromagnetisch in der Weise gesteuert, daß vor dem Eintritt
der Druckluft in den einen Speicher A' zuerst das Stickstoffabzugsventil g' schließt
und dann das Fülluftventil e' öffnet, das sich aber sofort wieder schließt, wenn
der Speicher unter Druck gesetzt ist, worauf sich das Drucklufteintrittsventil f'
öffnet.
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Das Stickstoffauslaßventil des anderen Kältespeichers A", g" ist dabei
geschlossen, und das. Drucklufteinlaßventil f " bleibt noch so lange geöffnet, bis
sich der erste Kältespeicher A' mit Druckluft (2 bis 4 atü) gefüllt hat.
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Nun schließt sich durch Einwirkung der Schaltmaschine zunächst .das
Drucklufteinl,aßventil f" des zweiten Kältespeichers, und zwar gleichzeitig mit
dem Fülluftventile' des ersten Kältespeichers, und erst anschließend daran öffnet
sich das Stickstoffauslaßventil g" des zweiten Kältespeichers, um den Luftüberdruck
aus dem Speicher A" abblasen zu lassen und den Stickstoffaustritt freizugeben.
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Beim nächsten Umschalten schließt zuerst das Ventil g", worauf das
Füllventil e" öffnet, beide auf Speicher A". Sobald Speicher A"
mit
Druckluft gefüllt ist, was nur etwa 2 bis 3 Sekunden dauert, öffnet sich das Druckluftventil
f", und gleichzeitig mit dem Fülluftventil e" auf Speicher A" schließt sich das
Ventil f', und anschließend daran öffnet sich da,s Ventil g' auf Speicher A'. Um
das jeweilige Auffüllen des betreffenden Speichers mit Druckluft zu beschleunigen,
wird ein Fülluftkessel C aufgestellt, welcher zwischen den Umschaltungen vom Kompressor
mit verdichteter Luft aufgepumpt wird, die während des Umschaltens .durch die gesteuerten
Füllufteinlaßventile .in die jeweils aufzufüllenden Kältespeicher mit großer Geschwindigkeit
einströmt. Dieser Fülluftkessel findet auch bei dem am Schluß beschriebenen Betriebsverfahren
mit 4 Kältespeichern nach Abb.3 (für Industriesauerstoff) Anwendung.
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Die Druckluft aus den Speichern strömt zunächst in den Überdruckrelctifikator
c' und wird dort in 4ooloigen flüssigen Sauerstoff und reinen gasförmigen Stickstoff
vorzerlegt. Der Stickstoff strömt nun zur Kondensatorseite des Verdampfers b, wird
da kondensiert und als Flüssigkeit in den Rektifkator c" geleitet, um dort als Waschflüssigkeit
für die aus dem Veridalnpfer b kommenden Sauerstoffdämpfe zu .dienen.
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Der ausgeschiedene Stickstoff zieht bei h abwechselnd durch den Kältespeicher
A' oder A" ab. In den Stickstoffabzug ist ein Überdruckventil r eingesetzt, das
sofort öffnet, sobald während des Umschaltens vorübergehend im Rektifikator c" der
Druck höher als o, i atü steigt. Die während des Umschaltens sekundenweise aus dem
Überdruckventil r entströmenden Stickstoffdämpfe nehmen ihren Weg nach dem Hochdruck-Sauerstoffverdampfer
d und geben dort ihre Kälte an das im äußeren Rohr der Doppelrohrspirale s im Gegenstrom
unter hohem Druck eingeleitete Gasgemisch gleichzeitig mit dem im inneren Rohr der
Spirale herausgele:iteten Sauerstoff, also getrennt von diesem, ab.
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An Stelle dieses Hochdruck-Sauerstoffverdampfers kann für das zeitweilige
Herausleiten des Stickstoffs während des Umschaltvorgangs auch ein anderer Gegenströmer
oder der Zusatzluftverflüssiger treten.
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Es kann aber auch ein dritter Kältespeicher angeordnet werden, welcher
während der Betriebsdauer einer Umschaltperiode (2 bis 3 Minuten) mit Druckluft
gefüllt wird. Diese Gestaltung ist in Abb.2 im Grundrißschema angegeben. In diesem
Fall wird dann, im Kreis geschaltet, und die Füllluftventile e für alle drei Speicher
werden an ,die Schaltmaschine verlegt, da bei dieser Schaltungsweise für die Füllventile
und auch für die zugehörigen Rohrleitungen nur kleine Abmessungen in Frage kommen,
nachdem hier zum Auffüllen eines Speichers mit Druckluft genügend Zeit zur Verfügung
steht.
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Der Schaltvorgang geht wie folgt vor sich: Zuerst schließt sich das
Stickstoffventil a' auf
Speicher A', dann öffnet sich das Füllventil
e' für Speicher A', welches von der Schaltmaschine w unmittelbar gesteuert wird,
während die anderen Ventile von der Schaltmaschine mittelbar, d. h. durch Druckluft-Fernsteuerung,
bedient werden.
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Der Speicher A' wird nun in der Zeit von 2 bis 3 Minuten, nämlich
während der Betriebsdauer, zwischen zwei Umschaltungen langsam mit Druckluft vom
Kompressor direkt aufgefüllt - ein Fülluftkessel, wie in Abb. i angegeben, ist beim
3-Speicherbetrieb entbehrlich -, dann öffnet sich das Druckluftventil f'.
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In dieser Zeit wird durch Speicher A"' die Druckluft eingeleitet und
durch A" der Stickstoff herausgeführt. (Der Sauerstoff wird flüssig entnommen.)
Im weiteren Verlauf der Umschaltung schließt sich nun zuerst das Druckluftventil
f"' auf SpeicherA"', und sodann 'öffnet sich das Stickstoffventil g'" auf Speicher
A"', und es schließt sich das Stickstoffventil g" auf Speicher A", während sich
das Fülluftventil e" an der Schaltmaschine für Speicher A" öffnet, so daß sich nunmehr
Speicher A" mit Druckluft füllen kann, während in. dieser Zeit durch Speicher A'
Druckluft eingeleitet und durch Speicher A"' der Stickstoff herausgeführt wurde.
Nach dem Füllen öffnet sich sofort das Druckluftventil f" auf Speicher A", während
sich gleichzeitig das Fülluftventil e" schließt. Beim nächsten Vorgang schließt
sich das Druckluftventil f' auf Speicher A', und es öffnet sich das Stickstoffventil
g' auf Speicher A', während sich das Stickstoffventil g"' auf Speicher A"' schließt
und das Fülluftventil e"' an der Schaltmaschine für Speicher A' öffnet, wodurch
dieser mit Druckluft gefüllt wird.
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In dieser Zeit wird die Druckluft durch Speicher A" eingeleitet und
der Stickstoff durch A' herausgeführt.
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Damit ist eine Kreisschaltperiode beendet, und es kann die nächste
wieder mit dem Schließen des Druckluftventils f" und Öffnen des Stickstoffventils
g" auf Speicher A" und mit dem Schließen des Stickstoffventils g' und Öffnen des
Fülluftventils für Speicher A' und mit Auffüllen des Speichers A' mit Druckluft
beginnen.
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Der dritte Speicher hat demnach nur die Aufgabe, den Fülluftkessel
zu ersetzen und das Aufpumpen desselben mit einem etwas höheren Druck, als der normale
Betriebsdruck erfordert, zu vermeiden.
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Bei Anlagen für Industrie-Sauerstoff von weniger als 98 °[o Reinheit,
welche durchwegs mit 2 Paar Kältespeichern betrieben werden, wobei in einem abwechselnd
Druckluft/Stickstoff und im anderen Druckluft/Sauerstoff verkehrt, werden immer
zwei Speicher mit Druckluft beschickt, während durch die anderen beiden die Zerlegungsprodukte
herausgeleitet wenden. Ein Gegenströmer für die zeitweise Ableitung des Stickstoffs
und des Sauerstoffs während der Umschaltung ist hier nicht vorhanden. In diesem
Falle wird dann so verfahren, daß während des Umschaltens durch einen Speicher so
lange die gesamte Druckluft eingeleitet wird, bis vom anderen Paar ein Speicher
mit Druckluft aufgefüllt ist. In dieser Zeit wird also von jedem Speicherpaar ein
Speicher frei für den Abzug der Zerlegungsprodukte und der dritte ist im Auffüllen.
mit Druckluft begriffen, während der vierte den Kondensator mit Druckluft versorgt.
Sobald nun der dritte Speicher mit Druckluft aufgefüllt .ist, wird der vierte abgeblasen
und .damit ebenfalls für den Abzug der Zerlegungsprodukte frei. Dafür wird aber
jetzt ein anderer mit Druckluft aufgefüllt, so daß nunmehr der Normalzustand wieder
hergestellt ist, wonach stets zwei Speicher mit Druckluft beschickt sind und durch
die beiden anderen die Zerlegungsprodukte abziehen. In Abb.3 ist für diese Betriebsart
des Verfahrens eine Einrichtung im Grunidrißschema angegeben. In den größeren Speichern
A' und A" verkehrt abwechselnd Druckluft mit Stickstoff in den kleineren
B' und B" Druckluft und Sauerstoff.
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Vor dem Umschalten ist der Speicher A' und B' mit Druckluft beschickt,
aus Speicher A" wird in dieser Zeit Stickstoff und aus B" Sauerstoff herausgeleitet.
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Nun wird aus Speicher B' der Überdruck abgeblasen und dieser damit
für den Abzug des Sauerstoffs frei. In dieser Zeit wird die gesamte Druckluft durch
den Speicher A' geleitet.
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Anschließend daran wird der Speicher B" mit Druckluft gefüllt und
sodann der Speicher A abgeblasen, damit derselbe für den Stickstoffabzug frei wird.
Jetzt wird die gesamte Druckluft durch Speicher B" eingeleitet.
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Darauf wird der Speicher A" unter Druck gesetzt, und damit ist der
normale Betriebszustand, wonach die Druckluft durch zwei Speicher eingeleitet und
durch die anderen zwei Speicher die Zerlegungsprodukte getrennt herausgeführt werden,
bis zur nächsten Umschaltung wieder hergestellt. Während aber vor .der Umschaltung
die Speicher A', b"
mit Druckluft beschickt waren, sind es jetzt die Speicher
A", B". Nach etwa 2 bis 3 Minuten wiederholt sich stets der Umschaltvorgang,
jetzt jedoch in umgekehrter Reihenfolge, indem zuerst B" abgeblasen, dann
B'
gefüllt, dann A" abgeblasen und A' gefüllt wird.