DE69317576T2 - Vorrichtung und verfahren zur rückgewinnung von dampf - Google Patents

Description

1. Gebiet der Erfindung.
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Dampfrückgewinnungsvorrichtung und insbesondere auf eine Vorrichtung, welche verflüssigtes Gas zum Kondensieren von Dämpfen verbraucht.
2. Beschreibung des Standes der Technik.
• Seitdem der Clean Air Act verabschiedet wurde, fordert der Kongress der Vereinigten Staaten alle Personen oder Organisationen, welche mit Kohlenwasserstoffen oder Chemikalien arbeiten, deren Dämpfe die Luft verschmutzen können, dazu auf, Einrichtungen zum Rückgewinnen und Vermeiden der Verunreinigung der Luft durch derartige Dämpfe zu installieren. Derartige Verseuchungs- bzw. Verunreinigungsstoffe können Dämpfe von Benzin, Metylenchlorid und andere organische Verbindungen enthalten.
• Derartige Dämpfe werden erzeugt und in die Atmosphäre abgegeben, wenn alle Arten von Tanks mit flüssigen Kohlenwasserstoffen oder flüssigen Chemikalien gefüllt werden. Solche Tanks können große Speichertanks, Zugwaggontanks, Lastwagentanks, Unterbodenspeichertanks für Tankstellen und Kraftstofftanks in Lastwägen, Bussen und Automobilien sein.
• Wenn diese verschiedenen Arten von Tanks mit flüssigen Kohlenwasserstoffen oder flüssigen Chemikalien gefüllt werden, entkommen Dämpfe in die Atmosphäre und, wie wohlbekannt ist, werden derartige Dämpfe eine Quelle für Smog, der unter bestimmten Umgebungsbedingugen gefährliche Nebelzustände herstellt und so derart die Atmosphäre verschmutzt, daß er gefährliche Umweltrisiken für die Gesundheit der menschlichen Existenz erzeugt.
• Bekannte Dampfrückgewinnungssysteme verwendeten geschlossene Kühlkreisläufe, um ein Medium zu kühlen, das dann zum Kondensieren von Dämpfen verwendet wird. Das Kondensat kann zu einem Dekanter abgeführt werden, um schwere und leichte Bestandteile zu trennen, wie z.B. Benzin und Wasser. Die Kondensierspulen für derartige Einheiten werden periodisch erwärmt oder abgetaut, um zu verhindern, daß sich Eis und Frost aufbauen, welche den Durchgang von Dämpfen durch die Kondensiereinheit blockieren könnten. Siehe z.B. die US-Patente 4,027,495; 4,068,710; und 4,077,789. Ferner wird auf die US-A-4 249 596 Bezug genommen, welche die Entnahme von Dampf von einem Gasstrom durch Hindurchführen des Stroms durch einen ersten indirekten Wärmetauscher, und dann durch einen zweiten indirekten Wärmetauscher lehrt, wobei der zweite Wärmetauscher durch einen geschlossenen Kühlkreislauf gekühlt wird. Der Gasstrom wird dann zum ersten Wärmetauscher zurückgeführt, wo er das Kühlmittel für den eintretenden Gasstrom bildet.
• Derartige Rückgewinnungseinheiten sind gewöhnlich derart gestaltet, daß sie Spitzenströme der Dämpfe bewerkstelligen, welche im Laufe eines Arbeitstages erfaßt werden können. Um die Spitzenlasten aufzunehmen, müssen die Rückgewinnungseinheiten mit einer relativ hohen Kapazität ent wickelt werden, welche die meiste Zeit nicht ausgelastet ist.
• Ferner erzeugen diese Rückgewinnungseinheiten nicht ohne weiteres Temperaturen, welche gering genug sind, um hochflüchtige Dämpfe zu kondensieren. Bestimmte hochflüchtige Schmutzstoffe können, wenn überhaupt, nicht wiedergewonnen werden, wenn nicht extrem niedrige oder tiefe Temperaturen erreicht werden. Sogar wenn extrem niedrige Temperaturen physikalisch nicht notwendig sind, kann die Beibehaltung der Konzentration des abgegebenen Schmutzstoffes unter einem verbindlichem Maximum die Verwendung von extrem niedrigen Temperaturen diktieren, um hohe Rückgewinnungsraten zu erzielen. Beispielsweise haben viele Staaten und lokale Gerichtsbarkeiten die zulässige Konzentration von Benzindämpfen in Speichern von 35 mg/l auf 10 mg/l gesenkt.
• Bekannte Dampfrückgewinnungssysteme wandten einen Kondensor bzw. Verflüssiger an, in welchen flüssiger Stickstoff gesprüht wurde. In diesem System wird der flüssige Stickstoff mit den Dämpfen vermischt, welche auf Grund der geringen Temperaturen des verdampfenden flüssigen Stickstoffs kondensieren. Die im Verflüssiger behandelten Gase mit dem gasförmigen Stickstoff werden dann durch einen Rekuperator geführt, um durch die Gase erwärmt zu werden, welche zur Eingangsleitung zum Verflüssiger strömen. Ein Nachteil dieses Systems ist die Tatsache, daß der flüssige Stickstoff mit den gewünschten Dämpfen verunreinigt ist und nicht in nachfolgenden chemischen Prozessen verwendet werden kann, welche reines Stickstoffgas erfordern.
• Das US-Patent 4,982,512 zeigt ein System zur Wiedergewinnung verdünnter Dämpfe in einem mehrstufigen Rückgewinnungssystem. Eine der Stufen verdampft flüssigen Stickstoff in einem Wärmetauscher Der verdampfte Stickstoff im Wärmetauscher wird als inerte Atmosphäre in einem Ofen verwendet. Der behandelte Gasstrom, welcher von den Dämpfen gereinigt wurde, ist relativ kalt, aber dieses Temperaturextrem wird nicht wiedergewonnen, um die Effektivität des Systems zu verbessern.
• Das US-Patent Nummer 4,551,981 zeigt ein dreistufiges Dampfkondensationssystem mit einer abschließenden Stufe, welche eine Kondensationssäule verwendet, in der flüssiger Stickstoff verdampft wird. Der verdampfte Stickstoff wird dann zur Vorkühlung zu einer stromaufseitigen Stufe weitergeleitet. Ein Nachteil bei diesem System liegt darin, daß der Stickstoff mit den verdünnten Dämpfen vermischt wird und daher so verunreinigt ist, daß er in anderen Prozessen nicht verwendbar ist, welche reinen Stickstoff erfordern können.
• Die US-Patente 3,857,251; 4,320,627; und 4,604,115 zeigen Systeme, welche flüssigen Stickstoff zum Kondensieren von Dämpfen verwenden. Das US-Patent 3,802,212 zeigt die Zumessung von Stickstoffgas durch Kühlspulen, um einen Lastwagen zu kühlen.
• Das US-Patent 4,017,283 zeigt die Verwendung von Stickstoff in einem geschlossenen Kreislauf zum Kondensieren von Dämpfen. Im US-Patent 3,347,055 wird Wasserstoff durch Einbringung in einen Stickstoffkühlkreislauf verflüssigt. Im US-Patent 3,874,185 wird natürliches Gas durch ein System verflüssigt, welches einen geschlossen Stickstoffkühlkreislauf enthält. Siehe auch die US-Patente mit den Nummern 4,380,907; 4,575,386; 4,620,962.
• Im US-Patent 3,807,396 wird die Eingabe und Ausgabe eines Tieftemperaturbehälters durch gegenüberliegende Seiten eines Wärmetauschers hindurchgeführt, um den hereinkommenden Strom wirksam vorzukühlen und die Temperatur des herausführenden Stroms zu mäßigen. Diese Referenz nimmt jedoch keinen Bezug auf die Dampfkondensation.und -rückgewinnung.
• In all diesen Systemen wird das verflüssigte Gas und der gereinigte Gasstrom nicht einer Weise bearbeitet, welche einen effizienten und wirtschaftlichen Verbrauch des flüssigen Gases optimiert.
Zusammenfassung der Erfindung
• Entsprechend den anschaulichen Ausführungsformen, welche die Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung demonstrieren, wird eine Dampfrückgewinnungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 geschaffen. [Fiie:ANM\EEOI 0281 .doc] Beschreibung, 20.11.97 94904819.3 /0671964 Edwards Engineering Corp.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruch 7 vorgestellt.
• Durch Anwendung derartiger Vorrichtungen und Verfahren wird eine verbesserte Dampfrückgewinnungsvorrichtung erzielt. In einem bevorzugten System wird ein Dampfstrom durch einen Sparwärmetauscher und dann einen Endbehandlungswärmetauscher hindurchgeführt Der Endbehandlungswärmetauscher wird mit flüssigem Stickstoff beauf schlagt, welcher verdampft, um die darin strömenden Dämpfe zu Kühlen und zu Kondensieren. Vorzugsweise wird der Verbrauch des flüssigen Stickstoffs durch ein thermostatisch gesteuertes Ventil reguliert, welches auf die Ausgangstemperatur des behandelten Gases anspricht, das den abschließenden Wärmetauscher verläßt. Dieses abgeschreckte, behandelte Gas wird dann zum Sparwärmetauscher geführt, um die durch diesen hindurchströmenden Dämpfe vorzukühlen.
• Der Sparwärmetauscher bietet den Vorteil der Nutzung des Kühlpotentials, welches im behandelten Gas bleibt, das den Endbehandlungswärmetauscher verläßt. Statt diese kalten Gase einfach zur Atmosphäre abzugeben, nachdem die Dämpfe entfernt wurden, werden die abgeschreckten Gase daher verwendet, um den stromaufwärtigen Sparwärmetauscher anzutreiben.
• Ebenfalls in einer bevorzugten Ausführungsform kann der Sparwärmetauscher zwei Stufen aufweisen. Der zu behandelnde Dampfstrom durchläuft nacheinander die erste und zweite Stufe. Der zu behandelnde Strom wird durch die Gase abgestreckt, welche bereits im Endbehandlungswärmetauscher behandelt wurden. Diese behandelten Gase passieren die erste Stufe bevor sie die zweite Stufe erreichen. (Obwohl in anderen Ausführungsformen der Durchfluß umgekehrt oder parallel durch die beiden Stufen sein kann).
• In einer bevorzugten Ausführungsform wird die zuvor beschriebene Vorrichtung als eine Nebeneinrichtung am Ausgang einer herkömmlichen Dampfrückgewinnungseinheit verwendet, wobei ein geschlossener Kühlkreislauf zum Kondensieren der Dämpfe angewendet wird. Wenn die Kapazität dieser herkömmlichen Rückgewinnungseinheit überschritten wird, können dampfbelandene Gase durch die beiden hier beschriebenen Wärmetauscher behandelt werden.
• Vorzugsweise entfernt ein Entfrostungssystem gefrorene Dämpfe in den Tauschern durch Rückkopplung der die Spareinheit verlassenden sauberen Gase zum Dampfeinlaß des Sparwärmetauschers. Daher bildet der Dampfweg durch beide Wärmetauscher eine geschlossene Schleife, welche die Temperatur im Weg erhöht. Die Temperatur kann auch durch Anwenden eines Gebläses aktiv erhöht werden, welches gegen eine Blende arbeitet, um Wärme zu schaffen, oder durch Anwenden einer zusätzlichen Wärmequelle, welche aus einer indirekt beheizten Spule besteht, die im Gebläseweg installiert ist, oder durch Anwenden einer Wärmequelle von einer bestehenden Dampfrückgewinnungseinheit (Vaper Recovery Unit VRU).
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Obige kurze Beschreibung, wie auch andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden verdeutlicht anhand der folgenden detaillierten Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten, aber trotzdem darstellenden Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Erfindung, in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, wobei:
• Figur 1 eine axonometrische Ansicht einer Dampfrückgewinnungsvorrichtung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung ist;
• Figur 2 ein schematisches Flußdiagramm ist, welches die Beriebsumgebung der Dampfrückgewinnungsvorrichtung gemäß Figur 1 darstellt;
• Figuren 3A-3C schematische Diagramme sind, welche drei alternative Verbindungsschemen für den Sparwärmetauscher der Figuren 1 und 2 zeigen.
Detallierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• In Figur 1 ist eine Dampfrückgewinnungsvorrichtung mit einem Endbehandlungswärmetauscher 10 gezeigt. Der Tauscher weist eine Mehrzahl an mit Rippen versehenen Rohren 12 auf, welche horizontal verlaufen, mit Ausnahme von U-förmigen Umkehrverbindungen an den Enden jedes horizontalen Wegs. Die horizontalen Rohre sind seriell miteinander verbunden, um einen Serpentinenweg zu bilden, so daß jede horizontale Auslenkung des Rohres in einer Zick-Zack Weise von einer vertikalen nachgefolgt wird. Die Rohre 12 schaffen einen Kühlmittelweg, der an einem Einlaßrohr 14 beginnt und an einem Auslaßrohr 16 endet.
• Die mit Rippen versehenen Rohre 12 können eine herkömmliche Struktur aufweisen, wie sie gewöhnlich durch einen Wärmetauscher angewendet wird. Die Rippen sind in einer vertikalen Ebene senkrecht zur Längserstreckung der Rohre 12 montiert. Der Abstand von Rippe zu Rippe kann 1/4 Zoll sein, obwohl der Abstand in anderen Ausführungsformen in Abhängigkeit von der gewünschten Wärmetransferrate, -kapazität, dem Druckabfall, dem Durchflußvolumen und der Notwendigkeit zur Speicherung von gefrorenen Kohlenwasserstoffen, etc. variiert werden kann. Die Rohre 12 sind aus Materialien hergestellt, die zur Behandlung eines Tieftemperaturfluids wie zum Beispiel flüssigem Stickstoff oder einem anderem derartigen Medium geeignet sind, welches durch die Rohre 12 strömen kann.
• Der Endbehandlungswärmetauscher 10 ist an einem Innengehäuse 18 montiert, welches doppelte Wandungen aufweist, die durch einen Isolator wie z.B. einem Urethanschaum getrennt sind. Die Dicke und das Material des Isolators kann entsprechend dem gewünschten Isolationsmaß und der Effektivität gewählt werden.
• Der Wärmetauscher 10 ist vom Boden des Gehäuses 18 abgehoben, um unterhalb des Tauschers 10 einen Freiraum oder ein unteres Fangbecken 20 auszubilden. Das Fangbecken 20 kann abgestuft sein, um das Kondensat zu einem Abfluß 22 umzuleiten. Das Fangbecken 20 ist Teil eines inneren Gasdurchgangs. Ein Endbehandlungsweg nach den Rippen der Rohre 12 setzt sich längs des Wegs 24 zum Weg 26 fort. Ein Temperatursensorelement 15 ist gezeigt und am Weg 26 benachbart der untersten Rippen des Wärmetauschers 10 zum gegenwärtig beschriebenen Zweck montiert.
• Der Weg 26 setzt sich durch das Fangbecken 22 fort und macht einen Aufwärtsschwenk in den inneren Durchgang, der zwischen der inneren Wandung des Gehäuses 18 und einem Ende des Endbehandlungswärmetauschers 10 besteht. In dieser Ausführungsform wirkt der Weg 26 mit einem mit einem Flansch versehenen Leitungskanal 27 zur Zulieferung zu einem hier beschriebenen Ort zusammen. In anderen Ausführungsformen kann sich der Strom vom Weg 26 durch den inneren Durchgang fortsetzen, um durch einen Weg 27A (einem in der dargestellten Ausführungsform blockierten Weg) zum hier beschriebenen Zweck austreten.
• Das Gehäuse 18 ist fluchtend mit einem oberen Gehäuse 20 dargestellt. Während die Gehäuse 18 und 20 als separate Einheiten dargestellt sind, werden sie in den meisten Ausführungsformen als ein durchgehendes Gehäuse ausgebildet. In jedem Fall weist das Gehäuse 20 eine doppelwandige Konstruktion mit einem Isolator ähnlich wie beim Gehäuse 18 auf. Montiert innerhalb des oberen Gehäuses 20 ist ein Sparwärmetauscher 30. Der Tauscher 30 enthält einen oberen, Primärstufentauscher 32 und einen Sekundärstufentauscher 34. Jede der Tauscherstufen 32 und 34 weist eine Mehrzahl an mit Rippen versehenen Rohren auf, welche an jedem Ende derart offen sind, daß die Rohre in jeder Stufe wirksam parallel verbunden sind. Die fernen Enden der Rohre der Tauscherstufe 32 und 34 wirken durch einen inneren Durchgang 36 mit dem Weg 29 zusammen. Die nahen Enden der Rohre der Tauscherstufe 32 sind durch eine Barriere 38 von denen der Tauscherstufe 32 getrennt. Die nahen Enden der Rohre der Tauscher 32 und 34 wirken jeweils mit den mit Flanschen versehenen Leitungskanälen 31 und 42 zusammen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Leitungskanäle 27 und 31 miteinander verbunden.
• Mit den aneinandergefügten Gehäusen 18 und 20 kann ein Deckel 46 über dem Gehäuse 20 montiert werden, um einen Durchfluß durch den mit einem Flansch versehenen Leitungs kanal 47 zum Dampfweg 44-24 durch den Tauscher 30 zu ermöglichen. Mit dem auf dem Gehäuse 18 montierten Gehäuse 20 und den miteinander verbundenen Leitungskanälen 27 und 31 wirken die Wege 44, 24 und 26 über das Fangbecken 20 und durch die dargestellten Leitungskanäle in die Rohre der Tauscherstufe 32, zurückkehrend im Weg 29 und über die Rohre der Tauscherstufe 34 mit dem Leitungskanal 42 zusammen. In einer alternativen Ausführungsform ist der Weg 26 nicht oben blockiert, so daß Gas längs dem Weg 27A unmittelbar in die Rohre der Tauscherstufe 34, zurückkehrend durch die Rohre der Tauscherstufe 32, zum Leitungskanal 42 strömt.
• Der Durchflußweg 44 um die Rohre und parallel zu den Rippen der Tauscher 32 und 34 wird hier als ein Dampfweg bezeichnet. Der zusammengeschaltete Durchflußweg durch die mit Rippen versehenen Rohre der Tauscher 32 und 34 mit dem Weg 29 wird hier als ein Rückgewinnungsweg bezeichnet.
• Der Abstand zwischen Rippe und Rippe im Sekundärstufentauscher kann 1/4 Zoll sein, wobei dieser Abstand jedoch in Abhängigkeit von der gewünschten Effektivität, Kapazität, Wärmetransferrate, etc variieren kann. Der gezeigte Primärstufentauscher 32 weist einen Rippen zu Rippen Abstand auf, der sich in stromabwärtiger Richtung verringert. Der größere Rippen zu Rippen Abstand in der stromaufwärtigen Lage ist konstruiert, um eine gewisse Ausbildung von gefrorenem Dampf auf den Rippen zu tolerieren. Da der Rippen zu Rippen Abstand in der stromaufwärtigen Lage ziemlich groß ist, ist eine Tendenz zur Hemmung auf Grund von gefroren Dämpfen, welche die Freiräume zwischen den Rippen füllen bzw. blokkieren, gering. Da das meiste des gefrorenen Dampfes in dem früheren Stufen abgelagert wird, kann der Rippen zu Rippen Abstand in stromabwärtigen Lagen geringer sein. Zum Beispiel kann der Rippen zu Rippen Abstand von 1 1/2 Zoll auf 1/2 Zoll von der ersten Schicht der Rohre zur letzten Schicht im Primärstufentauscher 32 abnehmen. Die Rippen sind mit einem Oberflächenbereich ausgestaltet, der erforderlich ist, um den gewünschten Wärmetransfer wie auch einen hinreichenden Freiraum herzustellen, um einer Aufsummierung von gefrorenen Dämpfen Rechnung zu tragen. Ferner wird die Geschwindigkeit des Gasstromes durch die Rippen unterhalb einer Geschwindigkeit gehalten, welche zum Abtrennen und Mitreißen von Tröpfchen neigen könnte, welche normalerweise im Abfluß 22 gesammelt werden sollten. Es ist jedoch ersichtlich, daß diese Konstruktion der Abstandsparameter in Abhängigkeit von der gewünschten Kapazität, Effektivität, dem Wärmetransfer, dem Volumen des Dampfes, etc. variiert werden kann.
• In Figur 2 sind der zuvor dargestellte Sparwärmetäuscher 30 und der Endbehandlungswärmetauscher 10 schematisch mit den zuvor in Figur 1 identifizierten Durchgängen und Leitungen unter Verwendung der gleichen Bezugsnummern miteinander verbunden dargestellt.
• Eine Dampfquelle wird also abgeleitet von der aktiven Einheit VRU dargestellt. Die Einheit VRU kann ein Dampfrückgewinnungssystem sein, wie es z.B. in den Patenten dargestellt ist, welche in den obigen Absätzen erläutert sind. Ohne auf die Technologie dieser Patente im Detail einzugehen, enthält die Einheit VRU eine Kühleinheit, welche in einem geschlossenen Kreislauf zum Abschrecken bzw. Abkühlen eines Mediums arbeitet, das durch einen Verflüssiger zum Kondensieren eines Teils des Dampfes strömt, welcher durch den Pfad 57 zum Pfad 44 strömt.
• Eine Quelle mit verflüssigtem Gas, hier als Speichertank LN gezeigt, enthält flüssigen Stickstoff, wobei statt dessen jedoch auch andere flüssige Gase wie zum Beispiel Kohlendioxid verwendet werden können. Stickstoff wird auf Grund seiner relativ kalten Temperaturen und seiner einfachen Verwendungsweise bevorzugt. Der Tank LN versorgt den zuvor dargestellten Kühlmittelweg 14 - 16 im Endbehand lungstauscher 10 über ein Regelventil 50.
• Der zuvor erwähnte Temperatursensor 15 ist verbunden mit einer Temperatursensoreinrichtung 52 dargestellt. Die Einrichtung 52 ist eine Steuereinheit, die gestaltet ist, um die Durchflußrate durch das Regelventil 50 zu erhöhen, wenn die Temperatur am Sensor 15 eine gewunschte Zieltemperatur übersteigt. Die Zieltemperatur ist vorzugsweise -250º F, kann jedoch in anderen Konstruktionsweisen in Abhängigkeit von der gewünschten Effektivität, Kapazität variiert werden, oder wenn ein anderes Kühlmittel als flüssiger Stickstoff verwendet wird. Die Temperatur sollte geregelt werden, um eine Kondensierung atmosphärischer Gase, insbesondere von Sauerstoff zu vermeiden.
• Der Auslaß 16 des Kühlmittelweges ist mit einem Rückschlagventil 54 verbunden, welches zur Beibehaltung eines bestimmten minimalen Drucks innerhalb des Kühlmittelweges 14 - 16 wirkt. Ein gezeigtes Druckbegrenzungsventil 56 ist mit dem Auslaß 16 des Kühlmittelweges verbunden, um überschüssigen Druck zu entlasten, der auftreten kann, wenn der flüssige Stickstoff in einer unerwartet gewaltigen Weise kocht.
• Der zuvor dargestellte Abfluß 22 des Endbehandlungswärmetauschers 10 versorgt eine Separiereinrichtung 58. Die Einrichtung 58 kann ein Dekanter sein, wie er in den US-Patenten 4,027,495; 4,068,710; oder 4,077,789 dargestellt ist, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen ist. Die Einrichtung 58 kann eine Kammer mit einem Wehr sein, welches leichteren Bestandteilen ein Überströmen des Wehrs erlaubt, wodurch schwere und leichte Bestandteile in dem durch den Abfluß 22 strömenden Kondensat getrennt werden. Alternativ kann das Kondensat einfach in der Einrichtung 58 für eine spätere Entnahme und Verarbeitung an einem anderen Ort gesammelt werden.
• Eine Entfrostungseinrichtung ist hier als ein Gebläse 60 dargestellt, welches als eine Rückkoppelungseinrichtung für zurückgeführtes, gereinigtes Gas im Weg 42 zum Dampfpfad 44 wirkt. Das Gebläse 60 führt Arbeit an dem Gas aus, welches an eine Beschränkungsvorrichtung 62 angelagert ist, die hier als Blende dargestellt ist. Da das Gebläse 60 durch die Blende 62 arbeitet, erhöht sich die Temperatur des Stroms. In dem Fall, wenn eine Hilfswärmequelle erforderlich ist, kann eine Hilfsheizspule 68 innerhalb dieses Strömungsweges in Reihe mit (oder anstatt) der Platte 62 angewendet werden. Die Spule 68 kann Teil eines Wärmetauschers sein und kann durch ein örtlich vefügbares Fluid erwärmt werden. In einigen Fällen kann das Fluid durch eine Quelle wie zum Beispiel einem Elektroheizgerät (nicht dargestellt) erwärmt werden. Alternativ kann der Strömungsweg hergestellt werden, um Gas durch die zuvor beschriebene Einheit VRU abzuleiten, wenn diese in einem Entfrostungsmodus ist. Das abgeleitete Gas nutzt hierbei die Wärmequelle von dem bestehenden Entfrostungssystem der Einheit VRU. Eine Zeitgebereinrichtung 64 ist mit dem Gebläse 60 verbunden, um es periodisch mit Energie zu beaufschlagen. Eine thermostatische Steuerung 66 erfaßt die Temperatur im Rückgewinnungsweg 42, um das Gebläse 60 über die Zeitgebereinrichtung 64 zu sperren, wenn die Temperatur im Pfad 42 zu groß ist. Dieses Sicherheitsmerkmal verhindert hohe Temperaturen, welche bei zugehörigen Dämpfen zu ihrem Flammpunkt ansteigen können.
• Ein Gebläse wird einer seperaten Aufheizspule vorgezogen. Bei dem hiermit verbundenen, relativ niedrigen Temperaturen, würde eine separate Entfrostungsspule extreme Temperaturen tolerieren müssen, und würde ohne eine sorgfältige Konstruktion dazu neigen, einzufrieren und zu zerbrechen. Ferner würde ein direktes Elektroheizgerät die Schwierigkeit der Bereitstellung einer relativ warmen Oberfläche mit einem steilen Temperaturgradienten aufweisen. Die hieraus folgenden hohen örtlichen Temperaturen können die Dämpfe chemisch verändern oder flüchtige Dämpfe zu einem Flammpunkt bringen.
• In Figur 3A ist der zuvor ausgeführte Wärme-Sparwärmetauscher 32, 34 mit den zuvor erwähnten Strömungswegen dargestellt, welche in der gleichen Weise bezeichnet sind. Der Primärstufentauscher 32 wird zuerst vom Auslaß 27 des Endbehandlungswärmetauschers versorgt.
• Die Anordnungsweise gemäß Figur 3A wird bevorzugt, da die größte Temperaturdifferenz dann zwischen dem relativ warmen, eintretenden Dampf im Weg 44 und dem relativ kalten Gas im Weg 27 vom Endbehandlungswärmetauscher besteht.
• Diese große Temperaturdifferenz stellt eine hohe Rate des Wärmeübergangs im Pimärstufentauscher 32 sicher.
• Zum Vergleich wird der Auslaß 27 des Endbehandlungstauschers in der alternativen Ausführungsform gemäß Figur 3B derart zum Sekundärstufentauscher 34 zugeführt, daß ein umgekehrter Strom hergestellt wird. Gemäß der Darstellung Figur 3C, sind der Primär- und Sekundärstufentauscher 32 und 34 parallel geschaltet. Daher ist der Auslaß 27 des Endbehandlungswärmetauschers mit beiden Tauschern 32 und 34 parallel verbunden.
• Um ein Verständnis für die mit der voranstehenden Vorrichtung verbundenen Prinzipien zu erleichtern, wird deren Arbeitsweise nun kurz beschrieben. Eine zu behandelnde Dampfquelle strömt im Weg 57 zum Dampfweg 44. Die Dämpfe im Weg 57 und 44 können Benzindämpfe, Methylenchloride oder andere flüchtige Kohlenwasserstoffe, sowie auch Wasserdämpfe enthalten. In einer Ausführungsform war die Durchflußrate des Gases durch die Leitungen 44 - 27 ungefähr 250 CFM, wobei jedoch andere Raten in Abhängigkeit vom Anwendungsfall angewendet werden können. Während die Dampfrückgewinnungseinheit VRU in Reihe zwischen den Wegen 57 und 54 dargestellt ist, wird in einigen Ausführungsformen keine derartige Einheit angewendet. Wenn die Einheit VRU gegeben ist, ist die Temperatur im Weg 44 ungefähr -100º F.
• Zu diesem Zeitpunkt strömt flüssiger Stickstoff aus dem Tank LN über den Kühlmittelweg 14 - 16 durch den Endbehandlungswärmetauscher 10. Das Rückschlagventil 54 behält einen Druck in den Wegen 14 und 16 auf ungefähr einer Atmosphäre bei, wobei jedoch ein anderer Druck hergestellt werden kann. Die vom Sensor 15 erfaßte Temperatur reguliert durch die Temperatursensoreinrichtung 52 die Festlegung eines Ventils 50 derart, daß der flüssige Stickstoff mit einer geeigneten Rate strömt, um die Temperatur am Sensor 15 innerhalb eines gewünschten Bereiches zu halten, welche als nominale Temperatur von 250º F angemessen ist. Mit der am Sensor 15 somit regulierten Temperatur, wird die Ausgabetemperatur des Stickstoffgases im Weg 16 ungefähr 210º F, wobei diese von einer Temperatur von ungefähr -300º F am Einlaßweg 14 angestiegen ist.
• Die Dämpfe im Weg 44 strömen über den Dampfweg im Tauscher 30 und den Endbehandlungsweg in den Endbehandlungswärmetauscher 10. Die durch den Endbehandlungswärmetauscher 10 über Endbehandlungswege 24 - 27 hindurchströmenden Dämpfe werden durch Wärmeabgabe an dem relativ kalten Strom von flüssigem Stickstoff gekühlt, welcher im Wärmetauscher 10 verdampft. Die relativ kalte, reine Gasausgabe am Weg 27 wird zum Rückgewinnungsweg 27 - 42 im Sparwärmetauscher 30 zurückgeführt. Diese Zurückführung erlaubt die Abschreckung bzw. Vorkühlung der Dämpfe welche durch den Spartauscher 30 längs des Weges 44 - 24 hindurchtreten. Die im Sparwärmetauscher 30 gekühlten Dämpfe weisen eine Temperatur auf von ungefähr -200º F im Pfad 24 auf. Die Ausgabetemperatur in der Leitung 42 ist gewöhnlich 150º F.
• Die Stickstoffabgabe durch das Ventil 54 16 kann zu einem anderen Prozeß in einer verbundenen Anlage abgeleitet werden. Der Stickstoff ist rein, da er sich nicht mit Kohlenwasserstoffgasen vermischt. Daher ist dieser reine Stickstoff für verschiedene Verarbeitungsprozesse anwendbar, welche Stickstoff verbrauchen.
• Da die Kühlung mit relativ kaltem, flüssigem Stickstoff erzielt wird, wird eine erhöhte Rückgewinnungsrate erreicht. Mit diesen relativ kalten Temperaturen wird das Gas effizienter behandelt. Zudem gibt es bestimmte flüchtige Verunreinigungsstoffe, welche nicht kondensiert werden würden, wenn die Temperaturen nicht auf die relativ niedrigen Temperaturen des flüssigen Stickstoffes oder eines anderen Kühlmittels (z.B. flüssigem Kohlendioxid) gebracht werden. Flüssiger Stickstoff wird jedoch bevorzugt, da er hinsichtlich der Umwelt sicher ist, reichlich vorkommt und relativ effektiv ist.
• Auf Grund der Kühlung in den Tauschern 30 und 10 können Dämpfe in einem dieser Tauscher kondensieren. Als ein Ergebnis hieraus fällt das Kondensat zum Boden des Tauschers 10, um über den Abfluß 22 in den Separater 58 zu strömen. Der Separater 58 kann leichte und schwere Bestandteile des Kondensats trennen.
• Ein relativ schweres bzw. großes Dampfvolumen durch den Primärstufentauscher 32 kann die Ausbildung von gefrorenen Dämpfen an den Rippen im Inneren des Tauschers 32 verursachen, oder an den anderen Tauschern. Folglich werden die Tauscher 30 und 10 periodisch mit einem Entfrostungszyklus beaufschlagt. Ein Zeitgeber in der Einrichtung 64 beaufschlagt das Gebläse 60 periodisch mit Energie, um Gas vom Weg 42 arbeitend durch die Blende 62 zu drücken und nützt zusätzliche Wärmequellen, wenn diese wie zuvor beschrieben erforderlich sind. Beispielsweise kann alle 8 Stunden für eine Stunde eine Entfrostung auftreten. Die folglicherweise aufgewärmten Gase strömen dann über die Wege 44, 24 und 27 durch die Tauscher 30 und 10. Dieser erwärmte Strom schmilzt die gefrorenen Dämpfe, welche dann durch den Abfluß 22 strömen. Das geschmolzene Kondensat kann dann in der Einrichtung 58 separiert werden, oder die Einrichtung 58 kann einfach ein Tank sein, der zur weiteren Verarbeitung am Ende des Entfrostungszyklus abgeleitet wird.
• Sollte die Temperatur im Gasabgabeweg 42 zu groß werden, steuert der Temperatursensor 66 das Gebläse 60 thermostatisch und schaltet es dann vorzugsweise ab. Dies verhindert einen zu großen Temperaturanstieg, welche einige der flüchtigen Kohlenwasserstoffe an ihren Flammpunkt bringen könnte.
• Es ist erkennbar, daß verschiedene Abwandlungen hinsichtlich der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen durchgeführt werden können. Zum Beispiel können der Endbehandlungs- und Sparwärmetauscher anders als in einem vertikalen Stapel angeordnet sein. In bestimmten Umständen können die beiden Wärmetauscher Seite an Seite vorliegen oder in umgekehrter Reihenfolge gestapelt sein. Gleichermaßen können die Primär- und Sekundärstufentauscher des Sparwärmetauschers separate Einheiten oder in andrer Weise gestapelt sein. Zusätzlich kann der Endbehandlungswärme tauscher in Abhängigkeit von der Anwendungsweise einheitlich einstufig oder verschiedenstufig sein. Während verschiedene mit Flanschen versehene Leitungskanäle gezeigt sind, die sich von der Seite oder oben auf der Einheit erstrecken, können die Positionen dieser Leitungsanschlüsse in anderen Ausführungsformen auch verändert werden, und in einigen Ausführungsformen können sich alle Leitungskanäle von oben erstrecken (oder von einer der Seiten). Ferner können die Temperatursensoren Thermoelemente, bimetallische Elemente, Heißleiter oder andere temperaturempfindliche Vorrichtungen sein, welche ein elektrisches oder mechanisches Zubehörteil betreiben können. Während mit Rippen versehene Rohre in den Wärmetauschern dargestellt sind, können in einigen Ausführungsformen statt dessen auch koaxiale Rohre koaxial in einer zylinderförmigen Umhüllung ausge führt werden. Zudem können die zur Herstellung der mit Rippen versehenen Rohre verwendeten Materialien in Abhängigkeit von der gewünschten Festigkeit, Starrheit, Temperatur- Wärmetransferrate, Temperaturempfindlichkeit, etc. verändert werden. Zusätzlich können die Druckbegrenzungsventile an verschiedenen Punkten in Abhängigkeit von der Wahrscheinlichkeit der Ausbildung eines hohen Drucks verwendet werden. Ferner kann der Temperatursensor, welcher den Durchfluß des flüssigen Stickstoffs reguliert, an verschiedenen Orten in Abhängigkeit von der Natur des zu steuernden Prozesses angeordnet werden. Zusätzlich können die verschiedenen Strömungsraten, Temperaturen und Temperaturabfälle so gestaltet werden, daß der spezifische, zu behandelnde Dampfstrom beinhaltet ist.

Claims (9)

1. Dampfrückgewinnungsvorrichtung, welche verflüssigtes Gas zum Kondensieren von Dämpfen in einer Dampfquelle (57) verbraucht, mit:

einem Sparwärmetauscher (30) mit einem Dampfweg (44), der mit der Dampfquelle (57) verbunden ist, und einem Rückgewinnungsweg (42) zum Austauschen von Wärme mit und Kühlen von Dämpfen im Dampfweg (44); und

einem Endbehandlungswärmetauscher (10) mit einem Endbehandlungsweg (24), der stromabwärts des Dampfweges (44) des Sparwärmetauschers (30) angeschlossen ist, und einem Kühlmittelweg (14), wobei der Kühlmittelweg (14) vom Endbehandlungsweg (24) isoliert ist, um eine Vermischung zwischen den Wegen zu vermeiden, wobei der Endbehandlungsweg (24) angeschlossen ist, um den Rückgewinnungsweg (42) des Sparwärmetauschers (30) zu versorgen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelweg mit einer Quelle von verflüssigtem Gas (LN) zum Kühlen und Kondensieren von Dämpfen im Endbehandlungsweg (24) verbunden ist, wobei der Endbehandlungswärmetauscher (10) an die Quelle des verflüssigten Gases (LN) zur kontinuierlichen Abreicherung angeschlossen ist, um das verflüssigte Gas ohne Rückgewinnung durch die Quelle des verflüssigten Gases (LN) zu verbrauchen.

2. Dampfrückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Rückgewinnungsweg (42) vom Dampfweg (44) isoliert ist, um eine Vermischung zwischen den Wegen zu vermeiden.

3. Dampfrückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, wobei der Sparwärmetauscher (30) enthält: einen Primärstufentauscher (32) mit einem Primärdampfweg, der zum Anschluß an die Dampfquelle vorgesehen ist; und

einen Sekundärstufentauscher (34) mit einem Sekundärdampfweg, der stromabwärts vom Primärdampfweg angeschlossen ist.

4. Dampfrückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 3, mit:

einem Speichertank (LN), der das verflüssigte Gas enthält und mit dem Kühlmittelweg (14) des Endbehandlungswärmetauschers (10) zusammenwirkt.

5. Dampfrückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, ferner enthaltend:

eine Kühleinheit (VRU) zum Zirkulieren eines Kühlmittels in einem geschlossenen Kreislauf; und

eine Kondensiereinrichtung (VRU), welche zwischen der Dampfquelle (57) und dem Dampfweg (44) stromaufwärts des Sparwärmetauschers (30) zum Kondensieren von Dämpfen angeschlossen ist, wobei die Kondensiereinrichtung (VRU) mit der Kühleinheit (VRU) zur Ableitung von Wärme durch das Kühlmittel verbunden ist.

6. Dampfrückgewinnungsvorrichtung nach Anspruch 5, ferner enthaltend: einen Separator (VRU), der mit der Kondensiereinrichtung zum Trennen von schweren und leichten Bestandteilen im Kondensat der Kondensiereinrichtung gekoppelt ist.

7. Verfahren zum Kondensieren und Rückgewinnen von Dampf von einer Dampfquelle (57) unter Verwendung eines Sparwärmetauschers (30) mit einem Dampfweg (44) und einem Rückgewinnungsweg (42), und eines Endbehandlungswärmetauschers (10) mit einem Endbehandlungsweg (24) und einem Kühlmittelweg (14), mit den Schritten:

Leiten der Dampfquelle (57) durch den Dampfweg (44) des Sparwärmetauschers (30), und durch den Endbehandlungsweg (24) des Endbehandlungswärmetauschers (10); Zuführen von Gas vom Endbehandlungsweg (24) des Endbehandlungswärmetauschers (10) zum Rückgewinnungsweg (42) des Sparwärmetauschers, um Dampf im Dampfweg (44) zu kühlen, gekennzeichnet durch

Zuführen von verflüssigtem Gas zum Kühlmittelweg (14) des Endbehandlungswärmetauschers (10) um zu bewirken, daß Dampf im Endbehandlungsweg (24) ohne eine Vermischung mit dem verflüssigten Gas in dessen flüssiger oder gasförmiger Form kondensiert, wobei das verflüs sigte Gas ohne Rückgewinnung durch die Quelle des verflüssigten Gases (LN) abgereichert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt der Zuführung von Gas zum Rückgewinnungsweg (42) ohne eine Vermischung mit dem Dampf im Dampfweg (44) des Sparwärmetauschers (30) ausgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, mit den weiteren Schritten:

Zirkulieren eines Kühlmittels (VRU) in einem geschlossenen Kreislauf; und

Kondensieren von Dämpfen von der Dampfquelle (57) vor dem Leiten dieser durch den Dampfweg (44) des Sparwärmetauschers (30) durch Ableiten der Wärme durch das Kühlmittel.