DE69617557T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Aufheizen eines Gases - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Aufheizen eines Gases

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    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28FDETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft den Bereich von Verfahren zur Aufheizung eines Gases durch Austausch mit einem warmen Fluid in einem Wärmetauscher.
  • Sie betrifft insbesondere den Fall des Aufheizens eines Gases vor seiner Membranabscheidung und insbesondere den Fall des Aufheizens eines Durchsatzes von Luft vor ihrer Membranseparation, um am Restausgang (oder Ausstoß) des Membranabscheiders ein an Stickstoff angereichertes Gemisch zu erhalten.
  • Es sei hier daran erinnert, daß das Prinzip der Membrangasabscheidung darin besteht, daß unter der Wirkung einer Differenz des Partialdrucks auf beiden Seiten der Membran auf der Permeationsseite (oder dem -ausgang) ein Gemisch mit niedrigem Druck, das mit den stärker permeablen Komponenten angereichert ist, und am Membranrestausgang (häufig auch die "Restseite" oder "Ausstoßseite" genannt) ein Gemisch mit einem Druck nahe dem Speisedruck (des Eingangsgemischs) erhalten wird, das mit den weniger permeablen Komponenten angereichert ist.
  • Zu Veranschaulichungszwecken: Zur Herstellung von Stickstoff aus Luft verwendet man semipermeable Membranen, die gute Trennungseigenschaften für Sauerstoff im Vergleich zu Stickstoff aufweisen (Selektivität), beispielsweise der Polyimidart, wobei das stickstoffreiche Gemisch am Restausgang des Membranabscheiders erhalten wird.
  • Man kann auch das Beispiel der Wasserstoff- oder der CO-Produktion nennen, während der meist eine Gewinnung aus Gemischen vorgenommen wird, die von bestimmten Industriezweigen stammen und die man über semipermeable Membranen separiert, die gute Separationseigenschaften für Wasserstoff im Vergleich zu den anderen Komponenten des Gemischs aufweisen, beispielsweise der Polyaramidart, wobei das an Wasserstoff angereicherte Gemisch dann am Permeationsausgang des Membranabscheiders erhalten wird und das je nach Fall an Kohlenwasserstoffen oder CO angereicherte Gemisch am Restausgang des Membranabscheiders erhalten wird.
  • Es zeigt sich dann, daß die erzielten Trennungseigenschaften sehr stark von den Einsatzbedingungen der Membran abhängen werden, insbesondere der Temperatur, dem Speisedruck der Membran oder auch dem Gehalt des Speisegemischs an der Komponente, die man auf der Permeationsseite oder der Restseite extrahieren möchte.
  • So ist hinsichtlich der Temperatur bekannt, daß wenn die Betriebstemperatur der Membran (und somit die Temperatur des Eingangsgemischs, das dort hindurch tritt) erhöht wird, die Permeabilität und so die Produktivität der Membran zunehmen.
  • Folglich wird entsprechend dem gesuchten Leistungsniveau am häufigsten ein Schritt des Aufheizens des zu trennenden Gasgemischs vor seiner Ankunft an der Abscheidemembran durchgeführt.
  • Dieser Aufheizschritt wird meistens mittels einer elektrischen Heizeinrichtung vorgenommen, die mittels eines Strobegenerators für elektrische Impulse in Abhängigkeit von einer Messung der Temperatur des aufzuheizenden Gases ausgeführt wird. Diese Methode zum elektrischen Aufheizen des Gases stellt sich als sehr teuer, weil sehr energieaufwendig heraus; dies trägt beispielsweise signifikant zu den Kosten des durch Membrantechnik produzierten Stickstoffs bei.
  • Es wurde ebenso die Idee vorgebracht, die Kalorien des Öls wiederzugewinnen, das als Kühlmittel für den Gaskompressor eingesetzt wird, der in solchen Einrichtungen zur Membrangasabscheidung vorhanden ist. Diese Kalorienrückgewinnung stellt sich jedoch deshalb als extrem schwierig heraus, weil sie durchgeführt werden muß, ohne den Kühlkreislauf des Kompressors zu stören, während sie gleichzeitig mit dem Erzielen einer leistungsfähigen Regelung der Temperatur des aufgeheizten Gases kompatibel ist.
  • So läßt sich das Dokument EP-A-362 436 anführen, das die Verwendung eines Teils des Kompressoröls dafür vorsieht, in einem Wärmetauscher die komprimierte Luft vor ihrer Trennung in einem Membranmodul aufzuheizen. Die Temperaturregelung der so aufgeheizten Luft wird durch Einsatz einer Bypass-Leitung für einen Teil des Öldurchsatzes erzielt, die dem Wärmetauscher zugeführt wird und in der ein Regelventil vorhanden ist, das es gestattet, die in der Bypass-Leitung fließende Ölmenge zu variieren. Diese Konfiguration stellt unbestreitbar ein Risiko für den Fall dar, daß eine Fehlfunktion oder auch ein Defekt des Regelventils auftritt, wodurch dann der gesamte Öldurchsatz zu dem Wärmetauscher gelangt und dem Aufheizvorgang unterliegt, was dann eine mögliche Überhitzung der in dem Membranabscheider verarbeiteten Luft zur Folge hat.
  • In diesem Kontext besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zur Aufheizung eines Gases durch das Durchströmen eines Wärmetauschers vorzuschlagen, in dem ein warmes Fluid fließt, das folgendes zu erreichen gestattet:
  • - eine signifikante Senkung der Kosten des Aufheizvorgangs im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren mit elektrischer Aufheizung;
  • - eine leistungsfähige Regelung der Temperatur des aufgeheizten Gases, die gute Zuverlässigkeit und Sicherheit garantiert;
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufheizung eines Gases durch Durchtritt durch einen Wärmetauscher umfaßt die Ausführung folgender Maßnahmen:
  • - es wird für einen Durchsatz D0 eines warmen Fluids auf einer sogenannten Eingangsleitung gesorgt, die an ihrem stromaufwärtigen Teil an eine Quelle für ein warmes Fluid und an ihrem stromabwärtigen Teil an den Einlaß eines ersten Kanals (den man als warmen Kanal bezeichnen kann) eines Wärmetauschers angeschlossen ist,
  • - es wird ein Teil des Durchsatzes D0 entnommen, bevor er den Einlaß des warmen Kanals des Wärmetauschers erreicht, mittels einer Abzweigleitung, die an einem primären Punkt der Eingangsleitung angeschlossen ist, der zwischen der Quelle für warmes Fluid und dem Einlaß des warmen Kanals liegt,
  • - in einem zweiten Kanal des Wärmetauschers (den man als kalten Kanal bezeichnen kann) wird das zu erwärmende Gas in Umlauf gebracht, so daß in dem Wärmetauscher ein Austausch von Kalorien zwischen dem zu erwärmenden Gas und dem warmen Fluid herbeigeführt wird, um am Auslaß des kalten Kanals ein erwärmtes Gas und am Auslaß des warmen Kanals ein kühler gewordenes warmes Fluid zu erhalten,
  • - das kühler gewordene warme Fluid des ersten Kanals wird durch eine Austrittsleitung wieder abgeleitet, die gemäß einer der zwei folgenden Konfigurationen gestaltet ist:
  • (i) die Austrittsleitung verbindet den Auslaß des ersten Kanals des Wärmetauschers mit der Quelle für warmes Fluid, wobei die Abzweigleitung dann den primären Punkt mit einem sekundären Punkt der Austrittsleitung verbindet,
  • (ii) die Abzweigleitung verbindet den primären Punkt mit der Quelle für warmes Fluid, wobei die Austrittsleitung dann an ihrem stromabwärtigen Ende an einem sekundären Punkt der Abzweigleitung angeschlossen ist,
  • - auf der Abzweigleitung wird zwischen dem primären Punkt und dem sekundären Punkt ein Druckabfall erzeugt,
  • - die Temperatur des am Auslaß des zweiten Kanals des Wärmetauschers erhaltenen erwärmten Gases wird mittels eines Durchsatzregelventils geregelt, das an einer der zwei folgenden Stellen angeordnet ist: auf der Eingangsleitung zwischen dem primären Punkt und dem Einlaß des ersten Kanals des Wärmetauschers oder aber auf der Austrittsleitung zwischen dem Auslaß des ersten Kanals des Wärmetauschers und dem sekundären Punkt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt die Kombination folgender Maßnahmen:
  • - die Bereitstellung eines kontrollierten Druckabfalls auf einem ausgewählten Teil des Systems, um es zu ermöglichen, nur einen vergleichsweise geringen Teil des Durchsatzes D0 auf den warmen Kanal des Wärmetauschers zu lenken und so eine Störung der normalen Arbeitsweise der Quelle warmen Fluids zu vermeiden, aus der eine bestimmte Fluidmenge provisorisch entnommen wird. In der Praxis hat es sich herausgestellt, daß das Fließen von nur einigen Prozent (zum Beispiel weniger als 5%) des Durchsatzes D0 in dem warmen Kanal des Wärmetauschers zufriedenstellende Ergebnisse lieferte;
  • - eine Regelung der Temperatur des aufgeheizten Gases, das am Ausgang des kalten Kanals des Wärmetauschers erhalten wird, mittels eines Durchsatzregelventils, das auf festgelegte Weise auf der Eingangsleitung zwischen dem primären Punkt und dem Eingang des warmen Kanals des Wärmetauschers (Regelung des eintretenden Durchsatzes) oder aber auf der Austrittsleitung zwischen dem Ausgang des warmen Kanals und dem sekundären Punkt (Regelung des austretenden Durchsatzes) plaziert wird.
  • Der herbeigeführte Druckabfall muß also auf jeden Fall ermittelt werden, um einerseits ausreichend zu sein, damit ein Teil des Durchsatzes D0 effektiv den Wärmetauscher erreicht und seine Rolle beim gesuchten Wärmeaustausch wahrnimmt, und um andererseits nicht zu hoch zu sein, damit die Funktion der Quelle für warmes Fluid nicht zu sehr gestört wird.
  • Je nach betreffendem Fall wird man den Druckabfall in der Abzweigleitung gemäß verschiedenen Methoden realisieren können. Zur Veranschaulichung werden hier folgende Mittel angeführt:
  • - die Verwendung eines Durchmessers für die Abzweigleitung, der kleiner als derjenige der Eingangsleitung am primären Punkt ist, an dem die Abzweigleitung angeschlossen ist,
  • - die Plazierung einer kalibrierten Verengung in der Abzweigleitung, zwischen dem primären Punkt und dem sekundären Punkt,
  • - die Plazierung eines Walzenventils in der Abzweigleitung, stets zwischen dem primären Punkt und dem sekundären Punkt, oder auch
  • - die einfache Plazierung eines Winkelstücks am primären Punkt der Verbindung zwischen der Eingangsleitung und der Abzweigleitung.
  • Es kann ebenso eine Kombination aus bestimmten dieser Mittel in Betracht gezogen werden.
  • Vorteilhafterweise wird der herbeigeführte Druckabfall in dem Bereich von 50 mbar bis 3 bar liegen, vorzugsweise in dem Bereich von 100 mbar bis 1 bar, aber am bevorzugtesten kleiner oder gleich 600 mbar sein.
  • Als Regelventil verwendet man vorteilhafterweise ein wenig kostspieliges Zweiwegeregelventil, wie beispielsweise ein Thermostatventil, ein entweder ganz geöffnetes oder ganz geschlossenes Elektroventil mit konstanter Öffnungsfrequenz aber variabler Öffnungsdauer entsprechend dem Ergebnis einer Temperaturmessung des erwärmten Gases, die am Auslaß des kalten Kanals des Wärmetauschers erhalten wird, oder auch ein Ventil mit schrittweiser Öffnung.
  • Wie einem Fachmann klar sein wird, kann die Quelle für warmes Fluid zahlreiche Möglichkeiten umfassen; es wird hier nur zum Zweck der Veranschaulichung der Fall einer Quelle für warmes Fluid angeführt, die aus einem Gaskompressor besteht, wobei das Fluid dann aus dem Öl besteht, das für die Kühlung des Kompressors verwendet wird (aber ebenso für seine Schmierungseigenschaften), oder auch als zweites Beispiel eine Quelle für warmes Fluid, die von warmem Wasser gebildet wird.
  • Man beachte, daß, wenn das verwendete warme Fluid Öl ist und wenn das gewählte Organ zur Regelung des Durchsatzes ein Elektroventil ist (das sich mit einer gegebenenfalls sehr hohen Wiederholfrequenz öffnet und schließt), der Umstand, daß dieses Elektroventil in Gegenwart von Öl arbeitet (da es in der Eingangs- oder Austrittsleitung des Wärmetauschers liegt), seine Zuverlässigkeit beträchtlich verbessert.
  • Gemäß einer der Ausführungen der Erfindung wird das am Auslaß des kalten Kanals des Wärmetauschers erhaltene, aufgeheizte Gas in der Folge zu einem Membrangasabscheider geleitet, wo es einem Separationsvorgang unterzogen wird. Das aufzuheizende Gas kann so beispielsweise aus Luft bestehen, um durch Membrantechnik ein Gasgemisch auf Stickstoffbasis zu erzeugen, das eine Restkonzentration an Sauerstoff enthält, oder es kann auch aus einem Gasgemisch bestehen, das von bestimmten Industriezweigen stammt und beispielsweise reich an Wasserstoff und CO ist, um durch Membrantechnik ein CO-reiches Gasgemisch am Restausgang des Abscheiders und ein wasserstoffreiches Gasgemisch am Permeationsausgang dieses gleichen Abscheiders zu erhalten.
  • Das Bereitstellen eines kontrollierten Druckverlustes in der Abzweigleitung sorgt für eine kontinuierliche Zirkulation des Hauptteils des Durchsatzes D0 von warmem Fluid zur Quelle hin (beispielsweise von Öl in dem Kompressor) und bietet daher somit eine exzellente Betriebssicherheit.
  • Zu Vergleichszwecken: Die Verwendung eines Regelventils in der Abzweigleitung (entsprechend dem oben angesprochenen Dokument) könnte im Falle eines Störfalls die Abzweigleitung verschließen, was zum Einsatz des gesamten Durchsatzes D0 von warmem Fluid in dem Wärmetauscher mit allen bereits angegebenen Risiken einer Überhitzung führen würde.
  • Im Falle der vorliegenden Erfindung gewährleistet hingegen die übernommene Konfiguration selbst dann, wenn ein Funktionsstörfall auf Höhe des Regelventils vorkäme, perfekte Sicherheit:
  • - falls dieses auf abnorme Weise völlig geöffnet bliebe, gewährleistet die Anordnung des kontrollierten Druckabfalls in der Abzweigleitung, daß in jedem Fall nur ein geringer Teil des Durchsatzes von warmem Fluid in dem Wärmetauscher zirkuliert (Beseitigung des Risikos einer Überhitzung);
  • - falls dieses auf abnorme Weise völlig geschlossen bliebe, zirkuliert der ganze Durchsatz dann in der Abzweigleitung, wodurch sichergestellt wird, daß der Betrieb der Quelle für warmes Fluid nicht gestört wird.
  • Da die gemäß der Erfindung verwendeten Formulierungen "primärer Punkt" und "sekundärer Punkt" einer Kreuzung Eingangsleitung-Abzweigleitung beziehungsweise Abzweigleitung-Austrittsleitung entsprechen, wird unterschiedslos vom "primären Punkt der Eingangsleitung", dem "primären Punkt der Abzweigleitung", dem sekundären Punkt der Abzweigleitung", dem "sekundären Punkt der Austrittsleitung" gesprochen werden.
  • Die Erfindung betrifft ebenso eine Vorrichtung zur Aufheizung eines Gases, die insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens geeignet ist, mit:
  • - einer Quelle für warmes Fluid,
  • - einer Eingangsleitung genannten Fluidtransportleitung, die die Quelle für warmes Fluid mit dem Einlaß eines ersten Kanals (den man als warmen Kanal bezeichnen kann) eines Wärmetauschers verbindet,
  • - einer Austrittsleitung genannten Fluidtransportleitung, die an ihrem stromaufwärtigen Teil an dem Auslaß des ersten Kanals angeschlossen ist,
  • - einer Quelle für zu erwärmendes Gas, und
  • - einer kühlen Leitung, die die Quelle für zu erwärmendes Gas mit dem Einlaß eines zweiten Kanals des Wärmetauschers verbindet (den man als kalten Kanal bezeichnen kann),
  • dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes umfaßt:
  • - eine Abzweigleitung genannte Fluidtransportleitung, die an ihrem stromaufwärtigen Teil an einem primären Punkt der Eingangsleitung, der zwischen der Quelle für warmes Fluid und dem Einlaß des ersten Kanals des Wärmetauschers liegt, und an ihrem stromabwärtigen Teil gemäß einer der zwei folgenden Konfigurationen angeschlossen ist:
  • (i) die Austrittsleitung verbindet den Auslaß des ersten Kanals des Wärmetauschers mit der Quelle für warmes Fluid, wobei die Abzweigleitung dann den primären Punkt mit einem sekundären Punkt der Austrittsleitung verbindet,
  • (ii) die Abzweigleitung verbindet den primären Punkt mit der Quelle für warmes Fluid, wobei die Austrittsleitung dann an ihrem stromabwärtigen Teil an einem sekundären Punkt der Abzweigleitung angeschlossen ist,
  • - ein Mittel zum Erzeugen eines Druckabfalls auf der Abzweigleitung zwischen dem primären Punkt und dem sekundären Punkt,
  • - ein Durchsatzregelventil, das an einer der zwei folgenden Stellen angeordnet ist: auf der Eingangsleitung zwischen dem primären Punkt und dem Einlaß des ersten Kanals des Wärmetauschers, oder aber auf der Austrittsleitung zwischen dem Auslaß des ersten Kanals des Wärmetauschers und dem sekundären Punkt.
  • Weitere Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsformen ergeben, die nur zu Zwecken der Veranschaulichung angegeben wird und keinesfalls einschränkend ist und unter Bezug auf die folgenden angefügten Zeichnungen erfolgt:
  • - Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
  • - Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Vorrichtung, die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist;
  • - Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Produktion unreinen Stickstoffgases durch Membranabscheidung ausgehend von komprimierter Luft, die eine Vorrichtung zum Aufheizen (von Luft vor ihrer Ankunft am Membranabscheider) gemäß der Erfindung beinhaltet.
  • Fig. 1 veranschaulicht eine der Ausführungsformen der Erfindung, in der für einen Durchsatz D0 eines warmen Fluids auf einer Eingangsleitung gesorgt wird, das von einer Quelle für warmes Fluid 1 kommt (beispielsweise für Öl oder auch warmes Wasser), das längs einer Fluideingangsleitung 2 zu einem der Kanäle (warmen Kanal 8) eines Wärmetausches 4 gelenkt wird.
  • Mit den Bezugszeichen 10 und 11 sind der Einlaß des warmen Kanals beziehungsweise der Auslaß des warmen Kanals bezeichnet.
  • Mittels einer Abzweigleitung 3 wird ein Teil des Durchsatzes D0 von warmem Fluid entnommen, bevor dieses den Einlaß 10 des warmen Kanals des Wärmetauschers erreicht.
  • Parallel zirkuliert in einem zweiten Kanal (kalten Kanal 9) des Wärmetauschers aufzuheizendes Gas, das über die kalte Gasleitung 13 von einer Quelle 12 für aufzuheizendes Gas kommt. Durch die Bezugszeichen 14 und 15 wird der Einlaß des kalten Kanals des Wärmetauschers beziehungsweise der Auslaß des kalten Kanals des Wärmetauschers bezeichnet. Nach der Zirkulation durch den Wärmetauscher und die Ausführung des Wärmeaustauschs wird das am Auslaß 15 des kalten Kanals erhaltene aufgeheizte Gas zu einer Verwendungsstelle 19 für ein derartiges aufgeheiztes Gas geleitet.
  • Das am Auslaß 11 des warmen Kanals des Wärmetauschers erhaltene, abgekühlte warme Fluid seinerseits wird über eine Austrittsleitung 5 zu der Quelle für warmes Fluid 1 geleitet.
  • Man erkennt, daß die Abzweigleitung 3, die mit dem primären Punkt 17 der Eingangsleitung 2 und dem sekundären Punkt 18 der Austrittsleitung 5 verbunden ist, am Punkt 17 entnommenes warmes Fluid in die Leitung 5 wiedereinspeist, die zur Quelle für warmes Fluid führt.
  • Bei der dargestellten Ausführungsform wurde durch das Bezugszeichen 7 ein Mittel zur Erzeugung eines Druckabfalls symbolisiert (beispielsweise eine kalibrierte Verengung), das auf der Abzweigleitung zwischen dem primären Punkt 17 und dem sekundären Punkt 18 eingefügt ist, und die Realisierung eines Winkelstücks am Punkt 17 zwischen den Leitungen 2 und 3.
  • Wie zuvor ausführlich dargelegt wurde, könnte man andere Ausführungsformen für den Druckabfall auf Leitung 3 in Betracht ziehen, wie beispielsweise die einfache Verwendung eines Winkelstücks an Punkt 17 (ohne Verwendung des Mittels 7) oder auch die Verwendung eines Durchmessers für die Leitung 3 am Verbindungspunkt 17, der kleiner als der Durchmesser der Leitung 2 ist.
  • Diese Ausführungsform zeigt im übrigen in Verbindung mit diesem Mittel zur Erzeugung eines Druckabfalls 7 ein durch das Bezugszeichen 6 symbolisiertes Regelventil, das auf der Austrittsleitung 5 zwischen dem Auslaß 11 und dem sekundären Punkt 18 liegt und es ermöglicht, die Temperatur des aufgeheizten Gases, das am Auslaß 15 des kalten Kanals des Wärmetauschers 4 erhalten wird, mittels einer Messung (16) der Temperatur dieses aufgeheizten Gases zu regeln, die am mit 27 symbolisierten Punkt in der Figur ausgeführt wird. Aus Gründen der Einfachheit wurde der mit einer solchen Funktion verknüpfte Regelblock (beispielsweise des PLD- Typs) in dieser Figur nicht dargestellt.
  • Die Fig. 2 stellt eine Variante der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform dar, bei der diesmal die Abzweigleitung 3 an ihrem stromaufwärtigen Teil mit einem primären Punkt 17 der Eingangsleitung und an ihrem stromabwärtigen Teil mit der Quelle 1 für warmes Fluid verbunden ist. Die Austrittsleitung 5 verbindet dann an ihrem stromaufwärtigen Teil den Auslaß 11 des warmen Kanals des Wärmetauschers mit einem sekundären Punkt 28, der auf der Abzweigleitung 3 zwischen dem primären Punkt 17 und der Quelle für warmes Fluid 1 liegt. Man erkennt, daß eine derartige Konfiguration auf Höhe des sekundären Punkts 28 einen Venturi-Effekt schafft (verknüpft mit der Geometrie des sekundären Punktes und weil der Durchsatz von zum sekundären Punkt gelangendem, gekühltem warmem Fluid im allgemeinen sehr viel geringer ist als derjenige, der in der Abzweigleitung stromaufwärts dieses sekundären Punktes fließt).
  • Die zwei in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen setzen ein Regelventil ein, das in der Austrittsleitung zwischen dem Auslaß des warmen Kanals und dem sekundären Punkt (18 oder 28) liegt. Wie zuvor angedeutet hätte man ebenso vorteilhaft ein Regelventil verwenden können, das auf der Eingangsleitung 2 zwischen dem primären Punkt 17 und dem Einlaß 10 des warmen Kanals 8 liegt (Regelung des in den Wärmetauscher eintretenden Durchsatzes).
  • Fig. 3 stellt ihrerseits den Fall einer Einrichtung zur Produktion von unreinem Stickstoff durch Membrantechnik aus komprimierter Luft dar, die eine Vorrichtung zur Aufheizung von komprimierter Luft vor ihrer Ankunft am Membranabscheider beinhaltet, wie diejenige, die in bezug auf Fig. 1 beschrieben ist.
  • Die Quelle 12 für aufzuheizendes Gas besteht daher hier aus einem Luftkompressor 20, der an den Wärmetauscher 4 längs einer kalten Leitung 13 aufzuheizende Luft liefert. Die am kalten Auslaß des Wärmetauschers erhaltene aufgeheizte Luft wird (durch eine mit dem Bezugszeichen 29 versehene Leitung) zu einem Membranabscheider 22 geleitet, an dem sie verarbeitet wird, um am Restausgang 23 des Abscheiders ein Gasgemisch auf Stickstoffbasis zu erzeugen, das eine Restkonzentration von Sauerstoff enthält, wobei dieses Gasgemisch zu einer Verwendungsstelle 25 für ein derartiges Gemisch auf Stickstoffbasis geleitet wird, während am Permeationsausgang 24 des Abscheiders 22 ein an Sauerstoff angereichertes Gemisch mit niedrigem Druck erzeugt wird, das gegebenenfalls an die Umgebungsluft abgelassen oder auch zu einer Verwendungsstelle 26 für ein derartiges an Sauerstoff angereichertes Gemisch geschickt wird.
  • Man erkennt, daß die von dem Kompressor 20 gelieferte komprimierte Luft bei der dargestellten. Ausführungsform, bevor sie den Wärmetauscher 4 erreicht, zuvor in einer Einheit 21 zur Luftbehandlung behandelt wird, in der Maßnahmen wie das Entölen der Luft, der Trocknung der Luft oder auch eine umfassende Beseitigung von Partikeln aus ihr durchgeführt werden.
  • Die komprimierte Luft wird in dem Wärmetauscher durch Austausch von Wärme mit einem Durchsatz warmen Öls aufgeheizt, das in dem warmen Kanal des Wärmetauschers im Gegenstrom vom Kompressor 20 über die Eingangsleitung 2 kommend fließt (der Kompressor 20 bildet also zugleich die Quelle zu erwärmenden Gases 12 und die Quelle für warmes Fluid 1 der Fig. 1 und 2).
  • Auch wenn diese Figur in dem Wärmetauscher eine Strömungsgeometrie mit Gegenstrom darstellt, könnte ebenso eine Zirkulation der zwei Ströme (warmes Fluid/aufzuheizendes Gas) im Gleichstrom in Betracht kommen.
  • Das am Ausgang des warmen Kanals 8 des Wärmetauschers erhaltene, abgekühlte Öl wird dann über die Austrittsleitung 5 zum Luftkompressor 20 geleitet, wo sie wieder auf den normalen Kühlkreislauf des Kompressors trifft.
  • Eine Einrichtung, wie sie unter Bezug auf die Fig. 3 beschrieben wurde, ist für den Einsatz eines Ausführungsbeispiels der Erfindung verwendet worden.
  • Dieses Beispiel mußte am Restausgang des Abscheiders 22 die Produktion eines Durchsatzes von 350 Nm³/h Stickstoff einer Reinheit von 98% aus Luft ermöglichen, die auf eine Temperatur in der Größenordnung von 41ºC erwärmt wurde.
  • Die Betriebsbedingungen und erzielten Leistungen sind im nachfolgenden beschrieben:
  • - Verwendung eines Kompressors KAESER ESB 250 mit geschmierter Spindel;
  • - Öldurchsatz D0: etwa 24 m³/h;
  • - Durchsatz aufzuheizender Luft: etwa 830 Nm³/h;
  • - Öldurchsatz, zu dem Wärmetauscher gelangend: etwa 3% des Durchsatzes D0;
  • - Druckabfallmittel "7": eine kalibrierte Verengung;
  • - Druckabfall, herbeigeführt auf der Abzweigleitung: in der Größenordnung von 500 mbar;
  • Regelventil "6": ein Auf/Zu-Elektroventil;
  • Bilanz der Temperaturen an den Einlässen/Auslässen des Wärmetauschers:
  • - Lufttemperatur am kalten Kanaleingang: ∼ 19ºC,
  • - Lufttemperatur am kalten Kanalausgang: ∼ 41ºC,
  • - Öltemperatur am warmen Kanaleingang: ∼ 66ºC,
  • - Öltemperatur am warmen Kanalausgang: ∼ 46ºC.
  • Die Gesamtheit der durchgeführten Messungen gestattet es, eine Abweichung zwischen der am Auslaß des kalten Kanals erhaltenen Temperatur der aufgeheizten Luft und dem gewünschten Arbeitspunkt aufzuzeigen, die immer innerhalb von 0,1ºC lag, dabei tatsächlich die Auflösungsgrenze der verwendeten Apparatur erreichte und perfekt für die stromabwärts gelegene Membranabscheidungsanwendung geeignet ist.
  • Dieses Ausführungsbeispiel belegt deutlich die Tatsache, daß es möglich ist, auf wirtschaftliche Weise das Aufheizen eines Gases durch Rückgewinnung der Kalorien einer Quelle für warmes Fluid zu realisieren, wodurch somit die kostspielige Verwendung einer elektrischen Heizung vermieden wird, und wobei exzellente Leistungen für die Regelung der Temperatur des aufgeheizten Gases ohne signifikante Störung des Betriebs der Quelle für warmes Fluid und unter den erforderlichen Sicherheitsbedingungen erreicht wird.
  • Wenn, wie zuvor dargelegt, das hier verwendete warme Fluid Öl ist und das gewählte Organ zur Regelung des Durchsatzes ein Elektroventil ist, verbessert der Umstand, daß dieses Elektroventil in Gegenwart von Öl arbeitet, beträchtlich seine Zuverlässigkeit (wobei das Ventil sich im vorliegenden Beispiel in der Größenordnung von einmal alle 10 s öffnet und schließt).
  • Auch wenn die vorliegende Erfindung unter Bezug auf besondere Ausführungsformen beschrieben wurde, wird sie dadurch nicht beschränkt, sondern, ist im Gegenteil Modifizierungen und Varianten zugänglich, die dem Fachmann offenbar sind. Obwohl die Erfindung insbesondere mittels des Falles veranschaulicht wurde, daß das warme Fluid Öl ist, das von einem Kompressor kommt, findet sie somit auch bei vielen anderen Fällen warmer Fluide Anwendung wie beispielsweise warmem Wasser.
  • Wenn die Anwendung insbesondere für das Aufheizen von Gas vor der Membranabscheidung beschrieben und durch ein Beispiel dargestellt wurde, findet das erfindungsgemäße Verfahren ebenso in vielen anderen Bereichen Anwendung, von denen man die Anwendung für das Heizen von Bauwerken nennen kann.

Claims (16)

1. Verfahren zur Aufheizung eines Gases, gemäß dem die folgenden Maßnahmen ergriffen werden:
- es wird für einen Durchsatz D&sub0; eines warmen Fluids auf einer Eingangsleitung (2) gesorgt, die an ihrem stromaufwärtigen Teil an eine Quelle (1) für ein warmes Fluid und an ihrem stromabwärtigen Teil an den Einlaß (10) eines ersten Kanals (8) eines Wärmetauschers (4) angeschlossen ist,
- es wird ein Teil des Durchsatzes D&sub0; entnommen, bevor er den Einlaß des ersten Kanals erreicht, mittels einer Abzweigleitung (3), die an ihrem stromaufwärtigen Teil an einem primären Punkt (17) der Eingangsleitung angeschlossen, der zwischen der Quelle für warmes Fluid und dem Einlaß (10) liegt,
- in einem zweiten Kanal (9) des Wärmetauschers wird das zu erwärmende Gas in Umlauf gebracht, so daß in dem Wärmetauscher ein Austausch von Kalorien zwischen dem zu erwärmenden Gas und dem warmen Fluid herbeigeführt wird, um am Auslaß (15) des zweiten Kanals ein erwärmtes Gas und am Auslaß (11) des ersten Kanals ein kühler gewordenes warmes Fluid zu erhalten,
- das kühler gewordene warme Fluid des ersten Kanals wird durch eine Austrittsleitung (5) wieder abgeleitet, die gemäß einer der zwei folgenden Konfigurationen gestaltet ist:
(i) die Austrittsleitung verbindet den Auslaß (11) des ersten Kanals des Wärmetauschers mit der Quelle (1) für warmes Fluid, wobei die Abzweigleitung dann den primären Punkt (17) mit einem sekundären Punkt (18) der Austrittsleitung verbindet,
(ii) die Abzweigleitung verbindet den primären Punkt (17) mit der Quelle (1) für warmes Fluid, wobei die Austrittsleitung dann an ihrem stromabwärtigen Ende an einem sekundären Punkt (28) der Abzweigleitung angeschlossen ist,
- auf der Abzweigleitung wird zwischen dem primären Punkt und dem sekundären Punkt ein Druckabfall (7) erzeugt,
- die Temperatur des am Auslaß des zweiten Kanals des Wärmetauschers erhaltenen erwärmten Gases wird mittels eines Durchsatzregelventils (6) geregelt (16), das an einer der zwei folgenden Stellen angeordnet ist: auf der Eingangsleitung zwischen dem primären Punkt und dem Einlaß des ersten Kanals des Wärmetauschers oder aber auf der Austrittsleitung zwischen dem Auslaß des ersten Kanals des Wärmetauschers und dem sekundären Punkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall in dem Bereich von 50 mbar bis 3 bar liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall in dem Bereich von 100 mbar bis 1 bar liegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckabfall gemäß einer der drei folgenden Vorgehensweisen eingeführt wird:
- indem für die Abzweigleitung ein Durchmesser verwendet wird, der kleiner als derjenige der Eingangsleitung am primären Punkt ist, an dem die Abzweigleitung angeschlossen ist,
- indem am primären Punkt, an dem die Abzweigleitung angeschlossen ist, ein Winkelstück verwendet wird,
- durch die Verwendung eines Mittels (7) zur Erzeugung eines Druckabfalls auf der Abzweigleitung zwischen dem primären Punkt und dem sekundären Punkt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung des Durchsatzes gemäß einer der folgenden Vorgehensweisen erzielt wird:
- durch Verwendung eines Regelventils der thermostatischen Art,
- durch Verwendung eines entweder ganz geöffneten oder ganz geschlossenen Elektroventils mit konstanter Öffnungsfrequenz und variabler Öffnungsdauer entsprechend dem Ergebnis einer Temperaturmessung des erwärmten Gases, die am Auslaß des zweiten Kanals des Wärmetauschers erhalten wird,
- durch Verwendung eines Ventils mit schrittweiser Öffnung.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (1) für warmes Fluid ein Gaskompressor (20) ist, und dadurch, daß das warme Fluid aus dem Öl besteht, das das Kühlmittel des Kompressors bildet.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das am Auslaß des ersten Kanals des Wärmetauschers erhaltene erwärmte Gas zu einem Membrangasabscheider (22) gleitet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zu erwärmende Gas Luft ist
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das warme Fluid warmes Wasser ist.
10. Vorrichtung zur Aufheizung eines Gases, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit:
- einer Quelle (1) für warmes Fluid,
- einer Eintrittsleitung (2) zum Transport des Fluids, die die Quelle für warmes Fluid mit dem Einlaß (10) eines ersten Kanals (8) eines Wärmetauschers (4) verbindet,
- einer Austrittsleitung (5) zum Transport des Fluids, die an ihrem stromaufwärtigen Teil an dem Auslaß des ersten Kanals angeschlossen ist,
- einer Quelle (12, 20) für zu erwärmendes Gas, und
- einer kühlen Gasleitung (13), die die Quelle für zu erwärmendes Gas mit dem Einlaß (14) eines zweiten Kanals (9) des Wärmetauschers verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß sie folgendes umfaßt:
- eine Abzweigleitung(3), die an ihrem stromaufwärtigen Teil an einem primären Punkt (17) der Eingangsleitung, der zwischen der Quelle für warmes Fluid und dem Einlaß (10) des ersten Kanals des Wärmetauschers liegt, und an ihrem stromabwärtigen Teil gemäß einer der zwei folgenden Konfigurationen angeschlossen ist:
(i) die Austrittsleitung verbindet den Auslaß des ersten Kanals des Wärmetauschers mit der Quelle für warmes Fluid; wobei die Abzweigleitung dann den primären Punkt mit einem sekundären Punkt (18) der Austrittsleitung verbindet,
(ii) die Abzweigleitung verbindet den primären Punkt (17) mit der Quelle für warmes Fluid, wobei die Austrittsleitung dann an ihrem stromabwärtigen Teil an einem sekundären Punkt (28) der Abzweigleitung angeschlossen ist,
- ein Mittel (7) zum Erzeugen eines Druckabfalls auf der Abzweigleitung zwischen primären Punkt und dem sekundären Punkt,
- ein Durchsatzregelventil (6), das an einer der zwei folgenden Stellen angeordnet ist: auf der Eingangsleitung zwischen dem primären Punkt und dem Einlaß des ersten Kanals des Wärmetauschers, oder aber auf der Austrittsleitung zwischen dem Auslaß des ersten Kanals des Wärmetauschers und dem sekundären Punkt.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur Erzeugung eines Druckabfalls durch die Verwendung eines Durchmesser für die Abzweigleitung erhalten wird, der kleiner als der Durchmesser der Eingangsleitung am primären Punkt ist, an dem die Abzweigleitung angeschlossen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1% dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zum Erzeugen eines Druckabfalls durch die Verwendung eines Winkelstücks am primären Punkt erhalten wird, an dem der Abzweigleitung angeschlossen ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß, das Mittel zum Erzeugen eines Druckabfalls aus einer kalibrierten Verengung oder einem Walzenventil besteht.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchsatzregelventil eines der Ventile aus der Gruppe ist, die aus Ventilen der thermostatischen Art, den entweder ganz geöffneten oder ganz geschlossenen Elektroventilen mit konstanter Öffnungsfrequenz und variabler Öffnungsdauer und den Ventilen mit schrittweiser Öffnung besteht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für warme s Fluid ein Gaskompressor (20) ist, und dadurch, daß das warme Fluid aus dem Öl besteht, das das Kühlmittel des Kompressors bildet.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für warmes Fluid eine Quelle für warmes Wasser ist.
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