DE596460C - Verfahren zur Verteilung der Frischgasmengen auf die verschiedenen zur Kuehlung verwendeten Regeneratoren - Google Patents

Description

G 84561

In der Technik der Gaszerlegung mittels Tiefkühlung werden Regeneratoren verwendet, um den Kälteaustausch zwischen Frisch-• gas und Zerlegungsprodukten möglichst vollkommen zu gestalten. Ein^r vollkommener Austausch ist jedoch nur dann möglich, wenn die Wärmemenge, die das Frischgas im Beharrungszustande an die Speichermasse abgibt, gleich derjenigen ist, die das Zerlegungsprodukt gerade zu seiner Aufwärmung auf die Eintrittstemperatur des Frischgases in den Kältetauscher benötigt, also daß der Unterschied der Wärmeinhalte für beide Gase an den beiden Enden des Kälteaustauschers gena:u gleich ist. Bei Gaszerlegungsanlagen sind nun mehrere Regeneratoren notwendig, bei der Zerlegung von Luft beispielsweise je zwei für Sauerstoff und je zwei für Stickstoff. Es besteht daher die Aufgabe, das Frischgas und die Zerlegungsprodukte so auf die einzelnen Regeneratoren zu verteilen, daß obige Bedingung für jeden einzelnen Regenerator streng erfüllt ist.

Wenn man, wie bisher üblich, den Wärmeaustausch in Gegenströmern durchführt, ist zwar ebenfalls eine derartige Verteilung der Gasmengen notwendig, jedoch bereitet sie hier keinerlei Schwierigkeiten, denn· die Wärmekapazität des Gegenströmers ist im Verhältnis zur Wärmekapazität des durchströmenden Gases so gering, daß bei Veränderungen der durchströmenden Gasmengen der neue Beharrungszustand sich nach kurzer Zeit einstellt. Es genügt daher, die Austrittstemperatur der Zerlegungsprodukte aus dem Kältetauscher zu beobachten, wobei jeder Verteilungsfehler sich sofort durch Absinken der Austrittstemperatur eines Gases gegenüber den anderen bemerkbar macht. Es bereitet dabei keine Schwierigkeit, die Verteilung so durchzuführen, daß die Differenz der Wärmeinhalte der austretenden Zerlegungsprodukte gegenüber dem eintretenden Frischgase ein Minimum wird.

Bei der Verwendung von Regeneratoren stellt sich nach einer Veränderung der durchströmenden Gasmengen der neue Beharrungszustand erst nach relativ langer Zeit, oft erst nach Stunden ein. Die oben für Gegenströmer beschriebene Regelung ist daher praktisch unmöglich, und es erscheint undurchführbar, die Frischgasmenge beispielsweise auf vier parallel arbeitende Regeneratoren richtig zu verteilen und die Vorteile, die Regeneratoren theoretisch bieten, auch praktisch zu verwerten.

Vorliegende Erfindung ermöglicht es nun, diese Schwierigkeit zu vermeiden und Verteilungsfehler auch bei beliebig langer Einstellzeit des Beharrungszustandes für den 6_Ö ganzen Regenerator sofort automatisch zu korrigieren.

Die Erfindung gründet sich auf die neue Beobachtung, daß auch bei Anwendung sehr

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großer Speichermassen, die Temperaturen am kalten Ende eines Regenerators relativ stark mit der Änderung der durchströmenden Gasmengen variieren. Diese Temperaturen, insbesondere die Temperaturdifferenz zwischen Frischgas und Zerlegungsprodukt, bleiben zwar "während einer Periode nicht konstant, sondern ändern sich stetig, besonders gegen Schluß einer Periode; ihr Verlauf während ίο einer Doppelperiode stellt gewissermaßen eine Hysteresisschleife dar. Die Temperaturdifferenz zwischen Frischgas und Zerlegungsprodukt am Ende einer Warmperiode ist. aber stark davon abhängig, ob das Zerlegungsprodukt in der vorhergehenden Periode zu viel oder zu wenig Kälte an die Regeneratoren abgegeben hat. Erfmdungsgemäß wird daher die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Zerlegungsprodukt am kalten Ende des Regenerators insbesondere am Ende einer Schaltperiode zur automatischen Regulierung der durch den Regenerator gehenden Gasmengen verwendet. In dem Gasstrom werden Thermometer angeordnet, die mittels geeigneter Steuerorgäne die Luftzufuhr an den einzelnen Regeneratoren regeln.

Tn der Abb.-1 ist beispielsweise der Verlauf der Temperatur am kalten Ende eines Regenerators, der zum Wärmeaustausch zwischen Sauerstoff und Luft dient, in Abhängigkeit von der Zeit während einer Umschaltperiode schematisch dargestellt. Der in der einen Schaltperiode durch den Regenerator strömende Sauerstoff weist konstant etwa seine Verdampfungstemperatur auf. Die Luft, die nach dem Umschalten durch den Regenerator in umgekehrter Richtung strömt, besitzt anfangs die gleiche Temperatur wie der Sauerstoff, bis auf den geringfügigen Unterschied, der durch die Verluste beim Wärmeübergang Gas-Speichermasse-Gas auftritt. Gegen Ende der Periode steigt jedoch die Temperatur der Luft stetig an, da die Speichermasse sich unter gleichzeitiger Abkühlung der vorher hindurchgegangenen Luftmenge erwärmt hat. Ist die Luftmenge im Verhältnis zum Zerlegungsprodukt richtig gewählt, so weist die Temperatur der Luft beispielsweise den in der Abbildung durch die ausgezogene Linie dargestellten Verlauf an. Die Erwärmung gegen Ende der Umschaltperiode ist durch den un-■ vermeidlichen Unterschied¹ des Wärmeinhaltes zwischen komprimierter Luft und entspanntem Zerlegungsprodukt bedingt. Wenn durch den Regenerator im Verhältnis¹ zu der Menge des Zerlegungsproduktes zuviel Luft strömt, dann steigt die Temperatur der Luft nach den gestrichelten Linien in der zweiten Hälfte und besonders gegen Ende der Schaltperiode .: wesentlich stärker an; ist die Luftmenge zu klein, dann bleibt die Temperatur der Luft gegen Ende der Schaltperiodte nahe der des Zerlegungsproduktes. Wenn nun gegen Ende einer Schaltperiode ein Regenerator zu warme Luft der Zerlegungsanlage zuführt, werden die Verunreinigungen der Luft, wie Kohlendioxyd, Stickoxydul, die in den Regeneratoren reversibel zurückgehalten werden sollen, nur unvollständig abgeschieden und gelangen in den Zerlegungsapparat, in dem sie sich anreichern und dann schwere Störungen bedingen.

Das Verfahren wird an Hand der Abb. 2 für ein spezielles Ausführungsbeispiel erläutert, ι stellt eine Vorrichtung zur Zerlegung von Luft (Doppelrektifikator) dar; der bei 6 austretende Stickstoff wird in dem Regeneratorpaar 2, 3 im Wärmeaustausch mit der Hauptmenge der Luft erwärmt, während der bei 7 den Zerlegungsapparat verlassende Sauerstoff in dem Regeneratorpaar 4, 5 seine Kälte an den Rest der zu zerlegenden Luft abgibt. Am kalten Ende der Regeneratoren befinden sich in den Leitungen, für die Luft und die Zerlegungsprodukte bei 8, 9, 10, 11 Thermometer, beispielsweise Widerstandsthermometer, deren Trägheit so gering ist, daß sie den Schwankungen der Temperaturen während jeder Umschaltperiode folgen. Die Widerstandsthermometer 8 und 9 bilden' zwei Zweige einer Wheatstoneschen Brücke, die Thermometer 10 und 11 die entsprechenden Zweige einer zweiten Brücke. Als Nullinstrument wird in den Brücken ein sogenanntes Fallbügelinstrument verwendet, das so eingestellt wird, daß die Bügel am Ende einer jeden Regeneratorperiode etwa 10 bis 20 Sekunden vor dem Umschalten der Regeneratoren fallen. Die Brücke und die Empfindlichkeit des Instruments werden so abgestimmt, daß das Fallbügelinstrument anspricht, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Zerlegungsprodukten einen bestimmten Bereich nach oben oder unten überschreitet. Beträgt die Temperaturdifferenz zwischen Luft und Zerlegungsprodukt bei richtiger Einstellung der Regeneratoren beispielsweise 6°, dann wird die Brückenanordnung so eingestellt, daß das Fallbügelinstrument anspricht, wenn die Temperaturdifferenz weniger als 4 oder mehr als 8° beträgt. Durch das Fallbügelinstrument wird eine Drosselklappe in der Luftzuführung zu dem Regenerator, durch den die Luft strömt, in bekannter Weise, evtl. unter Zwischenschaltung von Relais, in der Weise gesteuert, daß die Luftzufuhr gedrosselt wird, wenn die Temperaturdifferenz 8° übersteigt, und daß sie vergrößert wird, wenn die Temperaturdifferenz 4⁰ unterschreitet.

Durch jeden einzelnen Steuervorgang wird die Luftmenge so verändert, daß die Tem-

Claims (4)

peraturdifferenz zwischen Zerlegungsprodukt und Luft am kalten Ende des Regenerators im Beharrungszustande um einen1 bestimmten Wert, beispielsweise 2°, verändert wird. Die Einstellung des neuen Beharrungszustandes nach einem Steuervorgang dauert auch am unteren· Ende des Regenerators mehrere Umschaltperioden. Wenn man daher am Ende jeder Regeneratorperiode eine Steuerung vornimmt, würde eine starke Übersteuerung bewirkt werden.. Diese Schwierigkeit kann man auf zwei Wegen umgehen. Entweder man nimmt nur jede fünfte bis zehnte Umschaltperiode eine Steuerung vor, oder aber man verhindert die Übersteuerung durch eine geeignete Rückführung. Die Rückführung geschieht in diesem Falle zweckmäßig auf elektrischem Wege, indem gleichzeitig mit dem Steuervorgang durch Zu- und Abschalten zusätzlicher Widerstände die Brücke so abgeglichen wird, als ob die einem Steuervorgang im Beharrungszustand) entsprechende Änderung der Temperaturdifferenz zum Teil, z. B. zu 1Z3, schon eingetreten wäre. Bei der nächsten Messung dler Temperaturdifferenz an dem gleichen Regenerator, bei dem das Fallbügelinstrument in der Ruhelage verbleibt, wird die Rückführung aufgehoben. Zur Steuerung sämtlicher Regeneratoren braucht nur ein einziges Fallbügelinstrument verwendet werden. Wenn die Umschaltperiode eines Regeneratorpaares' beispielsweise 3 Minuten beträgt, so sind die Umschaltzeiten der beiden Paare um I1Z2 Minuten gegeneinander versetzt, so' daß alle I1Z2 Minuten eine Umschaltung stattfindet. Durch einen geeigneten Zeitschalter wird nun etwa ι Minute vor jedem Schaltvorgang an den Regeneratoren das Fallbügelinstrument in die zugehörige Brücke eingeschaltet, und beispielsweise 10 Sekunden, bevor das Regeneratorpaar umgeschaltet wird, fallen die Bügel des Fallbügelinstruments, wodurch das Ventil gesteuert wird', durch welches die Luft in den gerade von Luft durchströmten Regenerator eintritt. 1Z2 Minute nach dem Umschalten wird durch den Zeitschalter das Fallbügelinstrument in diejenige Brücke eingeschaltet, die zu dem I1Z2 Minute später umgeschalteten Regeneratoren, gehört. Von dem Prinzip der Erfindung, die die Regeneratoren durchströmende Gasmengen durch die Regeneratortemperaturen automatisch zu steuern, kann auch in anderer Weise als in dem Ausführungsbeispiel Gebrauch gemacht werden. An Stelle der Temperaturdifferenz zwischen Zerlegungsprodlukt und Frischgas kann z.B. auch die absolute Temperatur des Frischgases am kalten Ende des Regenerators zur Steuerung verwendet werden. Eine weitere Arbeitsweise besteht darin, daß man die Temperaturdifferenz zwischen zwei zu einem Paar gehörenden Regeneratoren zur Mengenregulierung verwendet, wobei die Thermometer zweckmäßig in der kaiten Hälfte der Regeneratoren angebracht werden. Als Thermometer sind mechanische Thermometer, wie Metallthermometer, Gasthermometer, Dampfdruckthermometer, verwendbar, jedoch bieten elektrische Thermometer (Thermoelemente oder Widerstandsthermometer) den Vorteil unmittelbarer elektrischer Übertragung. In gleicher Weise, wie in dem angeführten Beispiel die Luftmengen durch automatische Regulierung auf die vier Regeneratoren verteilt werden, läßt sich das Verfahren auf die Zerlegung bzw. Abkühlung beliebiger Gasgemische anwenden. Patknta ν si'uij eins:

1. Verfahren zur Verteilung der Frischgasmengen auf die verschiedenen zur Kühlung verwendeten Regeneratoren bei der 8s Zerlegung von Gasgemischen durch Tiefkühlung, dadurch gekennzeichnet, daß die durch jeden Regenerator hindurchgehenden Gasmengen durch die Temperatur des aus dem Regenerator austretenden kalten Frischgases fortlaufend automatisch geregelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmengen durch die Differenz der Temperaturen zwischen den beiden Regeneratoren gesteuert werden, die in aufeinanderfolgenden Schaltperioden von der gleichen Gasart durchströmt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmengen durch

■ die Differenz der Temperaturen zwischen Frischgas und Zerlegungsprodukten am kalten Ende des Regenerators gesteuert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasmengen mittels Widerstandsthermometer in Wheatstonescher Brückenschaltung mit einem Doppelfallbügelinstrument als Nullinstrument und elektrischer Rückführung gesteuert werden.

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