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Verfahren zum Entspannen eines Gemisches von flüssigen mit gasförmigen
und gegebenenfalls festen Stoffen aus unter hohem Druck stehenden Gefäßen Wenn hochkomprimierte
Flüssigkeiten, insbesondere solche, Idie mit mehr oder weniger festen Bestandteilen
durchsetzt sind, durch Ventile oder Drosselorgane entspannt werden, so bedeutet
dies nicht nur einen erheblichen Energieverlust, sondern verursacht auch einen hohen
Verschleiß dieser Organe und beeinträchtigt außerdem.durch die dabei entstehenden
Wirbel die Eigenschaften des Produkts, sodaß bei dessen Weiterverarbeitung Schwieribliten
entstehen.
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Zur Verwertung der beim Entspannen solcher Flüssigkeiten frei werdenden
Energie hat man schon die Verwendung von Kolibenentspannungsmaschinen vorgeschlagen,
die einen oder mehrere Hochdruckzylinder besitzen, in denen die Energie des Entspannungspfodukts
durch Kolben auf andere, vor allem flüssige Produkte, die auf hohen Druck gebracht
werden sollen, übertragen wird. Bei solchen Maschinen treten jedoch leicht die erwähnten
Schädigungen auf, da die Entspannung in diesen Maschinen in den Auslaß- und zum
Teil schon in den Einlaßventilen erfolgt.
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Dies ist auch der Fall, wenn, wie es schon vorgeschlagen wurde, diese
Hilfsflüssigkeit, die dem in die Kolbenentspannungsmaschine einzuschleusenden Gut
entgegenwirkt, beim Einschleusen des Gemisches unter niedrigem Druck steht und zum
Ausstoßen des Gemisches aus dem Zylinder unter hohen Druck gesetzt wird. Auch durch
Einbau von Drosselventilen läßt sich hierbei nicht verhindern, daß eine starke Abnutzung
der Ein-und
Auslaßventile oder aber der Drosselventile eintritt.
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Diese Schwierigkeiten werden zum großen Teil behol)en, wenn man die
Entspannung von hochverdicllteten Flüssigkeiten in Zylinder räumen von Kraftmaschinen
vornimmt, in denen die Energie der einströmenden Stoffe durch Plunger über Kurbelbetrielb
und Schwungrad ausgenutzt wird, wobei nur ein Teil des entspannten Stoffes mit Hilfe
des Plungers ausgestoßen wird, während der Rest auf den Druck des zu entspannenden
Produkts komprimiert wird, bevor ein weiterer Teil von diesem in den Zylinder der
Entspannungsmaschine eingelassen wird.
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Bei der Entspannung von gashaltigen Flüssigkeiten hat sich diese
Art der Entspannung jedoch nicht bewährt, insbesondere dann nicht, wenn der Gasgehalt
des zu entspannenden Produkts stark schwankt. In diesem Fall entsteht nämlich im
Zylinder der Entspannungsmaschine entweder leicht Unterdruck, wobei Luft angesaugt
werden und ein explosibles Gasgemisch entstehen kann, oder das Produkt wird nicht
genügend entspannt, so daß es mit hoher Strömungsgeschwindigkeit unter Schädigung
der Ventile austritt.
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Ferner wird beim Ausstoßen eines entspannten Gemisches, das sehr
gashaltig ist, in den bekannten Vorrichtungen die Flüssigkeit zuerst ausgestoßen.
Das übrigbleibende Gas kann im Kompressionshub allein ohne besondere umständliche
Hilfsmaßnahmen nicht auf den erforderlichen hohen Gegendruck des einzuschleusenden
und zur Entspannung bestimmten Produkts gebracht werden. Beim Öffnen des Eingangsventils
wird dadurch das zu entspannende Produkt bereits im Ventil teilweise entspannt,
wobei die erwähnten behädigungen auftreten.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Arbeitsweise besteht darin, daß
beim zeitweisen Ausbleiben des Entspannungsprodukts die lwerwendeten Maschinen entweder
im Kompressionshub kurz vor der Endstellung des Plungers oder bei Unterdruck im
Expansionshub stenenbleibell. In beiden Fällen muß die Maschine immer wieder neu
angeworfen werden, was den Betrieb wesentlich erschwert.. Beim Stehenbleiben im
Expansionshub bei Unterdruck besteht bei der Entspannung von kohl enwasserstoffhalti
gen Gemischen dann zudem noch die Gefahr der Luftansaugung und der Bildung explosibler
Gemische.
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Entspannungsvorrichtungen, die mit Schwungrad und Kurbeltrieb gekuppelt
sind, bedeuten aber auch deshalb für den Betrieb eine große Gefahr, da bei Verstopfungen
in Ventilen, Leitungen usw., wie sie insbesondere bei der Entspannung von breiartigen
Flüssigkeiten leicht auftreten, durch die Schwungradwirkung hohe überdruck erzeugt
werden können, die die Maschinen und Leitungen zerstören.
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Es wurde nun gefunden, daß alle diese Nachteile der bekannten Arbeitsweisen
vermieden werden, wenn man die Entspannung eines Gemisches von flüssigen mit gasförmigen
und gegebenenfalls festen Stoffen aus unter hohem Druck stehenden Gefäßen in der
Weise durchführt, daß man das zu entspannende Gemisch in den Zylinder einer Entspannungsmaschine
einbringt, in dem es auf niedrigeren Druck entspannt und aus dem es dann zum Teil
abgelassen wird, während der andere Teil in dem Zylinder auf etwa den Druck des
zu entspannenden Gutes komprimiert wird, worauf dieses erst in den Zylinder eingelassen
wird, wobei der Kolben der Entspannungsmaschine durch Zuführen von zwei Flüssigkeiten
bewegt wird, von denen die eine zum Ausstoßen des entspannten Gemisches dienende
Flüssigkeit während des Entspannungstaktes auf geringen Druck, die andere zum Komprimieren
des nicht ausgestoßenen Gemischrestes dienende Flüssigkeit beim Einlassen des hochkomprimierten
Gemisches in den Zylinder auf etwa den Druck dieses Gemisches komprimiert wurde.
Eine mögliche Ausführung einer derartigen Vorrichtung zeigt Abb. I und 2.
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Die Maschine besteht aus einem beiderseits verschlossenen Zylinder
Z, in dem sich ein Kolben K bewegt. An der einen Zylinderseite befindet sich für
das zu entspannende Produkt das Einlaßventil 24 und das Auslaßventil B.
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Die andere Zylinderseite wirkt als Pumpe.
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Die Ventile D und F sind normale Rückschlagventile, in deren Umgang
die Ventile C und E als gesteuerte Ventile eingebaut sind.
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Der Durchmesser der Kolbenstange ist so be-, messen, daß die um den
lE4olbenstangenquerschnitt verkleinerte Kolbenoberfläche eine über ihm durch die
Ventile C und D eingebrachte Flüssigkeit auf einen um etwa Io/o höheren Druck bringt,
als der Ursprungsdruck des auf der anderen Kolbenseite wirkenden Entspannungsprodukts
beträgt. Dies hat den Vorteil, daß an den Wänden der Zylinder, die, wie die Abbildungen
zeigen, zweckmäßig senkrecht angeordnet sind, stets etwas 01 herabfließt, wodurch
diese gegen Angriffe durch feste Stoffe geschützt und von den dort abgeschiedenen
Stoffen gereinigt werden. Die Arbeitsweise der Maschine ist in Abb. 3 bis Abb. 6
schematisch dargestellt.
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Durch das Ventil C, das als steuerbares Rückschlagsventil ausgebildet
ist, und das Rückschlagventil D strömt von der Pufferflasche P1 eine unter niedrigem
Druck stehende Flüssigkeit in den Zylinder und drückt den Kolben bei geöffnetem
Auslaßventil abwärts
(s. Abb. 6). Kurz vor der Endstellung des Kolbens
wird das Auslaßventil II geschlossen.
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Darauf wird das steuerbareRückschlagventil C geschlossen und E geöffnet,
wodurch aus der an ihm angeschlossenen Leitung Flüssigkeit aus der Pufferflasche
P2 unter etwa In01, höherem Druck als dem des zur Entspannung bestimmten Produkts
in den Zylinder zurückströmt und auf der Pumpenseite einen hohen Gegendruck erzeugt
(s. Abb. 3). Durch richtige Bemessung der in der Pufferflasche P2 enthaltenen Flüssigkeit
kann man es leicht so einrichten, daß über dem Kolben K ein Druck herrscht, der
nur wenig unter dem liegt, unter dem das einzuschleusende Gut steht. Es bietet keine
Schwierigkeiten, Zylinderboden und Kolben so auszubilden, daß auch bei stark gashaltigen
Produkten ein Rest von flüssigem Gemisch nach jedem Ausschub des Entspannungsprodukts
und nach dem Schließen des Auslaßventils B im Zylinder zurückbleibt, der als Bremsflüssigkeit
zum Abbremsen des Kolbens und zur schnellsten Erreichung des erforderlichen Gegendrucks
zwischen Kolben und Einlaßventil dient. Wird eine restlose Beseitigung des flüssigen
Produkts nach jedem Hub verlangt, so ist dies ebenfalls einfach durch entsprechende
Ausbildung des Kolbens, Zylinderbodens und der Anordnung des Auslaßventils erreichbar.
Auch in diesem Fall wird durch das von der Kolbenstellung abhängige, zwangsweise
rechtzeitige Schließen des Ausgangsventils B, das unter dem Kolben zurückbleibende
Gas durch den hohen Gegendruck der Flüssigkeit über den Kolben bis auf den erforderlichen
Druck des Entspannungsprodukts vor dem Einlaßventil A komprimiert. Erst hierauf
öffnet sich das Einlaßventil A, durch welches das zur Entspannung bestimmte Produkt
ohne nennenswerten Druckabfall in den Zylinder eingeschleust wird (s. Abb. 4). Dabei
wird der Kolben nach oben bewegt, wodurch die auf der Pumpenseite stehende Flüssigkeit
durch die Rückschlaguentile E und F in die Hochdruckflüssigkeitsleitung 0 gefördert
wird. Hat der Zylinder eine bestimmte Füllung erhalten, so steuert die Kolbenstange
eine übliche Steuerung in bekannter Weise um. Es wird zunächst das Einlaßventil
A geschlossen, worauf sich die Rückschlagventile F und E schließ;en, und hierauf
das steuerbare Rückschlagventil C geöffnet, worauf das Produkt unter Weiterschiebung
des Kolbens nach oben bis auf den geringeren Druck der Niederdruckflüssig,lieit
der Leitungen entspannt wird (s. Abb. 5).
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Erst nach Erreichung dieses niedrigen Drucks, der bei genügend großer
Baulänge des Zylinders auch bei Produkten mit schwankendem Gasgehalt immer gleich
ist, wird das Auslaßventil B geöffnet und das nunmehr entspannte Produkt durch die
unter niedrigem Druck durch die Ventile C und D einströmende Flüssigkeit aus dem
Zylinder ausgeschoben (s. Abb. 6). Wie diese zwangsläufige Bewegung erreicht wird,
zeigt das Steuerungsschema Abb. 2.
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Durch die Bewegung des Kolbens wird in bekannter Weise mit der Kolbenstange
der Hilfssteuerschieber s bewegt, durch den ein Treibmittel, das von der durch die
Maschine auf hohen Druck geförderten Flüssigkeit entnommen werden kann, gesteuert
wird. Der Hilfssteuerschieber hat fünf Anschlüsse. Die Druckflüssigkeit tritt durch
die Leitunga in den Schieber ein und, je nach Stellung des Kolbens im Schieber,
durch g oder i aus dem Schieber in die Druckverteilungsleitung zu den Zylindern
der hydraulisch gesteuerten Ventile ein, um entspannt durch die eine der beiden
Leitungen g oder i in den Schieber zurückzuströmen und durch die Leitung f abzufließen.
In der gezeichneten Stellung tritt die Druckflüssigkeit in die Leitungsgruppe g
ein und kommt entspannt aus den Steuerzylindern der Ventile durch die Leitungsgruppe
i zum Steuerschieber s zurück, aus dessen rechtem Zylinderteil sie durch die Leitung
austritt.
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Die Verbindungsleitungen zwischen dem Hilfssteuerschieber s und den
Zylindern der Steuerkolben b, c, d und e sind g und i. Von den Leitungsgruppeng
bzw. i gehen je vier Leitungsästegl, g2, gg, g4 bzw. il, 11, is und i4 ab, die zu
den Steuerzylindern der hydraulisch betätigten Ventile führen. In den Leitungen
g2, g3 und i2, i1 befinden sich unmittelbar nach ihrer Abzweigung von g bzw.i die
DrosselventileDt, D2, Ds und D4, mit denen die Geschwindigkeit der Steuerflüssigkeit
und damit die Bewegung der Ventile eingeregelt wird. In den Leitungen gj und ii
sind die Rückschlagventile Rt und R4 und in die Leitungen g2 und i2 im NebenschluB
zu den Drosselventilen D2 und D5 die Rückschlagventile R2 und R3 eingebaut, die
einen ungehinderten Durchfluß der Druckflüssiglaeit nur in der Richtung vom Steuerschieber
s zu den Steuerzylindern der Ventile zulassen. Bei der entgegengesetzten Strömungsrichtung
schließen sich die Rückschlagventile, so daß der aus den Steuerzylindern der Ventile
zurückströmenden Steuerflüssigkeit nur der Rückweg über die Drosselventile zum Steuerschieber
freigegeben wird.
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In der Leitung i3 ist zwischen dem Ausgang aus dem Steuerzylinder
d des Ventils C und D1 ein Absperrventils3 in Form eines Überströmventils angeordnet.
An dem Kegel dieses Überströmventils befindet sich ein Kolben, dessen Durchmesser
größer ist als der Ventilkegel. Der Raum unter dem Kolben steht mit dem Teil der
Leitung i2 zwischen D2 und dem
Ausgang aus dem Steuerzylinder b
in Verbindung. Im Nebenschluß des Absperrventilsvt befindet sich in der Leitung
i3 das Rückschlagventil R5, das den direkten Abfluß der Steuerflüssigkeit vom Steuerzylinder
d des Ventils C über Dt verhindert, dagegen den Zufluß der Druckflüssigkeit vom
Steuerschieber s über1 nach d freigibt. Ein zweites Absperrventil v2 sitzt in dem
Teil der Leitung, zwischen D2 und dem Ausgang des Steuerzylinders c des Ausgangsventils
B. Der Raum unter dem Kolben von t'., steht durch die Leitung I mit dem Pumpenraum
des Entspannungszylinders Z in Verbindung.
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In der Leitung g3 zwischen D4 und dem Ausgang des Steuerzylinders
e des Ventils; sitzt das Absperrventil V3, dessen Raum unter dem Kolben mit dem
vom Ausgang des Steuerzylinders c kommenden Teil der Leitung g2 verbunden ist. Im
Nebenschluß des Absperrventils v3 befindet sich in der Leitung g3 das Rückschlagventil
R,, das den direkten Abfluß der Steuerflüssigkeit vom Steuerzylinder e des Ventils
E verhindert, dagegen den Zufluß der Druckflüssigkeit vom Steuerschieber s über
D4 nach e freigibt. Das Absperrventil v4 sitzt zwischen D3 und dem Ausgang des Steuerzylinders
b. Der Raum über dem Kolben von Z'4 ist mit dem Teil der Leitung g3 verbunden, der
zum Ausgang des Steuerzylinders e führt; außerdem befindet sich in der Leitung g1
zwischeu 4 und dem Ausgang aus dem Steuerzylinder b das Absperrventil r'5. Das Absperrventil
ist in Form eines federbelasteten Ventils ausgebildet, das durch die Feder dauernd
geschlossen gehalten wird. Ein kleiner Kolben dieses Ventils steht mit dem Pumpenraum
des Entspannungszylinders Z durch die Leitung I in Verbindung und drückt erst bei
einem bestimmten Innendruck im Pumpenraum des Zylinders Z das Absperrventil V5 auf.
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Ist nun der Hilfssteuerschieber s in die in Abb. 2 gezeichnete Stellung
gebracht worden, so kann die durch a und g zufließende Druckflüssigkeit erstens
durch das Rückschlagventil Rl in den Steuerzylinder b oberhalb des Kolbens, zweitens
durch das Rückschlagventil Rg in den Steuerzylinder c auf der Seite der Ventilspindel
und drittens in den Steuerzylinder d eintreten. Die auf der Ventilspindelseite des
Steuerzylinders b befindliche Flüssigkeit kann durch das Drosselventil D2 durch
i2 über den Hilfssteuerschieber s durch j entweichen. Der während der Kolbenbewegung
des Steuerkolbens vor D2 entstehende Staudruck überträgt sich durch eine Leitung
auf den Kolben des Absperrventils vj und hält es zunächst geschlossen, bis der Hub
des Kolbens im Steuerzylinder b beendet und der Staudruck vor D2 abgefallen ist.
Erst hiernach kann der Kolben des Steuerzylinders d von der durch g4 zuströmenden
Druckflüssigkeit in Bewegung gesetzt werden. Die Flüssigkeit unter dem Kolben von
d kann über D, durch den Steuerschieber nach f abfließen. Die Druckflüssigkeit steht
außerdem noch auf der Ventilspindelseite des Steuerzylinders c, dessen Rücklaufleitung
ii jedoch durch das Absperrventil v so lange abgesperrt ist, bis der Druck im Pumpenraum
des Zylinders Z so niedrig geworden ist, daß die Sperrwirkung des Kolbens von v2
aufgehoben wird. Dann kann die Steuerflüssigkeit über D2 abfließen.
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In der gezeichneten Stellung des Hilfssteuerschiebers s werden demnach
folgende Ventilbewegungen zwangsläufig ausgeführt: Nach Füllung des Zylinders Z
bis zu einem gewissen Teil mit Entspannungsprodukt wird erstens das Eingangsventil
A geschlossen, zweitens hierauf das steuerbare Rückschlagventil C geöffnet, wodurch
das Produkt bis auf den niedrigen Gegendruck der Fülleitungn entspannt wird. Erst
nach vollkommenerEntspannung des Produkts bis auf den niedrigen Fülldruck der Leitungen
kann sich das Ausgangsventil B öffnen, wodurch dann das entspannte Produkt durch
das Herunterdrücken des Kolbens K durch den niedrigen Fülldruck aus der Leitung
n aus dem Zylinder Z herausgedrückt wird.
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Kurz vor Erreichung des Hulbendes des Kolbens K wird der Hilfssteuerschieber
s von der Kolbenstange in bekannter Weise umgesteuert. Nach dieser Umsteuerung kann
die durcha und i zufließende Druckflüssigkeit erstens durch das Rückschlagventil
R2 in den Steuerzylinder b auf der Ventilspindelseite des Kolbens, zweitens durch
das Rückschlagventil R4 in den Steuerzylinder c eintreten. Die auf der Ventilspindelseite
des Steuerzylinders c befindliche Flüssigkeit kann durch das Drosselventil D3 durch
g2 über den Hilfssteuerschieber s durch f entweichen. Der während der Kolbenbewegung
des Steuerkolbens c vor D3 entstehende Staudruck überträgt sich auf das Absperrventil
v3 und hält es geschlossen, bis der Hub des Kolbens im Steuerzylinder c beendet
ist. Erst hierauf kann sich der Kolben des Steuerzylinders e in Bewegung setzen.
Der auf der Ventilspindelseite des Steuerzylinders e erzeugte Staudruck überträgt
sich auf das Absperrventil V4 und hält es geschlossen, bis der Kolben des Steuerzylinders
e seinen Hub beendet hat.
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Erst dann wird die Rückflußleitung von der Seite der größeren Kolbenfläche
des Steuerzylinders b durch v4 nach D3 freigegeben. Zwischen v4 und dem Ausgang
des Steuerzylinders b befindet sich in der Leitung g1 noch das Absperrventil t'5,
dessen federbelasteter Kolben durch die Leitung I mit dem Pumpenraum des Zylinders
Z verbunden ist und das durch
seine Bauart die Rückleitung g1 zwischen
dem Steuerzylinder b und dem Absperrventil v4 und damit die Bewegung des Kolbens
des Steuerzylinders b erst dann freigibt, wenn im Pumpenteil des Zylinders ein entsprechend
hoher Druck vorhanden ist.
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Wenn der Steuerkolben des Steuerschiebers s umgesteuert ist und sich
auf der rechten Seite befindet, werden also folgende Ventilbewegungen zwangsläufig
ausgeführt: Nach dem Ausstoßen des entspannten Produkts wird das Auslaßventil B
geschlossen, das steuerbare Rückschlagventil E geöffnet, so daß der Pumpenteil des
Zylinders Z unter Hochdruck gestellt wird, und nach Erreichung des verlangten hohen
Gegendrucks über dem Kolben K das Eintrittsventil A geöffnet und das Entspannungsprodukt
in den Zylinder Z eingeschleust. Hierauf treibt das einschleusende Produkt den Kolben
K vor sich her, bis die Kolbenstange in bekannter Weise den Hilfssteuerschieber
s erneut umschaltet, worauf sich die beschriebenen Vorgänge wiederholen.