DE943021C

DE943021C - Power machine installation with facilities for supplying sterilized process air

Info

Publication number: DE943021C
Application number: DEP14086A
Authority: DE
Inventors: Sidney James Edgar Moyes
Original assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Current assignee: Power Jets Research and Development Ltd
Priority date: 1954-05-12
Filing date: 1955-05-11
Publication date: 1956-06-01

Description

Kraftmaschinenanlage mit Einrichtungen zur Lieferung sterilisierter Verfahrensluft In der chemischen Industrie, z. B. bei der Fabrikation von pharmazeutischen Erzeugnissen, werden Verfahren angewendet, die die Zufuhr von sterilisiertem Gas unter Druck zu einer Betriebsanlage bedingen. Dieses Gas darf nicht zu heiß sein, manchmal muß es sogar kalt sein. Es kann wünschenswert sein, die Sterilisation des Gases durch Erhitzen auf hohe Temperaturen durchzuführen. Im Anschluß hieran kann das Gas gekühlt werden; in der dabei frei werdenden Wärme sind beachtliche Energiewerte enthalten. Das Gas zur Durchführung der Verfahren soll weiterhin Verfahrensluft genannt werden. Es kann unreine Luft oder auch ein anderes Gas sein. Obwohl in der Betriebsanlage während des Verfahrens eine Verringerung des Gasdruckes eintritt, wird das aus der Anlage herausströmende und dementsprechend Austrittsgas genannte Gas, das ebenfalls ein Verfahrensgas sein kann - falls in der Anlage eine chemische Umsetzung stattfindet, wird das Austrittsgas ein anderes Gas sein -, einen nur wenig unter dem Druck der eintretenden Verfahrensluft liegenden Druck haben und beachtliche Druckenergien enthalten.Power machine plant with facilities for the delivery of sterilized ones Process air In the chemical industry, e.g. B. in the manufacture of pharmaceuticals Products, procedures are used that require the supply of sterilized gas condition under pressure to an operating facility. This gas mustn't be too hot sometimes it even has to be cold. It may be desirable to sterilize the Carry out gas by heating to high temperatures. Following this can the gas will be cooled; There are considerable energy values in the heat released in the process contain. The gas for carrying out the process should continue to be process air to be named. It can be impure air or another gas. Although in the Operating system a reduction in gas pressure occurs during the process, is called the outlet gas flowing out of the system and accordingly Gas, which can also be a process gas - if a chemical one in the plant Implementation takes place, the exit gas will be another gas - just a little below the pressure of the incoming process air and considerable Contain printing energies.

Die vorliegende Erfindung nutzt die Druckenergie des Austrittsgases und die bei der Kühlung anfallende Wärmeenergie als Antriebsenergie für eine Gasturbine aus, die wiederum einen Kompressor zur Verdichtung der Verfahrensluft vor ihrer Sterilisätion antreibt.The present invention utilizes the pressure energy of the exit gas and the thermal energy generated during cooling as drive energy for a gas turbine off, which in turn is a compressor to compress the process air drives before its sterilization.

Die Erfindung besteht demgemäß darin, daß in einer Kraftmaschinenanlage, die durch Erhitzen sterilisierte, verdichtete Verfahrensluft für eine Betriebsanlage liefert und einen Kompressor zum Verdichten der Verfahrensluft sowie eine Vorrichtung zur Erhitzung der verdichteten Luft auf zur Sterilisation genügend hohe Temperatur enthält, ein Wärmeaustauscher zur Übertragung von in der sterilisierten Verfahrensluft vor ihrem Eintritt in die Betriebsanlage vorhandener Wärme an das aus der Betriebsanlage ausströmende Austrittsgas vorgesehen ist und eine mit dem wiedererhitzten Austrittsgas als Arbeitsmittel gespeiste Gasturbine den Kompressor antreibt.The invention accordingly consists in that in an engine system, the compressed process air sterilized by heating for a plant supplies and a compressor for compressing the process air and a device for heating the compressed air to a temperature high enough for sterilization contains, a heat exchanger for the transfer of in the sterilized process air heat available before it enters the plant to that from the plant outflowing outlet gas is provided and one with the reheated outlet gas The gas turbine fed as a working medium drives the compressor.

Die Wärmeüberträgung reicht in den meisten Fällen aus, um die Verfahrensluft vollständig oder wenigstens angenähert auf die für die Durchführung des chemischen Verfahrens geeignete Temperatur zu bringen und um die Temperatur des Austrittsgases so weit zu erhöhen, daß sie die für den Betrieb der Turbine erforderliche Höhe erreicht. Auf diese Weise wird die Energie für den Antrieb des Kompressors aus der für die Sterilisation aufgewendeten Energie zurückgewonnen.In most cases, the heat transfer is sufficient to convey the process air fully, or at least approximately, to those required for carrying out the chemical Bring process suitable temperature and to the temperature of the outlet gas to increase so far that it reaches the height required for the operation of the turbine. In this way, the energy for driving the compressor is taken from that for the Energy spent on sterilization recovered.

Wenn Verbrennungsprodukte oder solche Verbrennungsprodukte, z. B. Kohlendioxyd, enthaltende Luft als Verfahrensluft verwendbar ist, kann die Vorrichtung zur Erhitzung der Luft einfach eine gewöhnliche Brennkammer sein, in der ein flüssiger Brennstoff in der verdichteten Luft verbrannt wird.If products of combustion or such products of combustion, e.g. B. Air containing carbon dioxide can be used as process air, the device can to heat the air simply be an ordinary combustion chamber in which a liquid Fuel is burned in the compressed air.

In den Fig. i, 2 und 3 der Zeichnung sind beispielsweise drei voneinander abweichende Ausführungsformen der Erfindung veranschaulicht. .For example, in Figs. 1, 2 and 3 of the drawings, there are three of each other illustrating alternate embodiments of the invention. .

Fig. i zeigt die Betriebsanlage i, in der sich der chemische Prozeß abspielt, einen Luftkompressor 2, eine Gasturbine 3 zum Antrieb des Kompressors, eine Brennkammer .4 und einen Hauptwärmeaustauscher 6. Die Gasturbine 3 und der Kompressor 2 können in üblicher,Weise ausgeführt werden; z.,B. können beide axial vom- Arbeitsmittel durchflössen werden (Axialturbine bzw. -kompressor). Die Brennkammer 4 kann, wie bei Gasturbinen üblich, mit flüssigem Brennstoff aus der Quelle 5 gespeist werden. Die Brennkammer 4 steht mit der Turbine 3 indirekt durch den Hauptwärmeaustauscher 6 in Verbindung, ferner direkt durch die Betriebsanlage i und dann durch den Hauptwärmeaustauscher 6 mit dem Einlaß der Turbine. In manchen Fällen ist das Gas, das den Wärmeaustauscher verläßt, zu heiß für den Prozeß in der Betriebsanlage i, und infolgedessen muß ein Kühler 7 nach Art der gebräuchlichen Wasserkühler zwischen den Wärmeaustauscher 6 und die Betriebsanlage i eingeschaltet werden. Schließlich ist noch ein zusätzlicher Wärmeaustauscher 8 zur Übertragung der Hitze der Turbinenabgase an die den Kompressor 2 verlassende Luft vorgesehen.Fig. I shows the plant i in which the chemical process takes place plays, an air compressor 2, a gas turbine 3 for driving the compressor, a combustion chamber .4 and a main heat exchanger 6. The gas turbine 3 and the Compressor 2 can be carried out in the usual way; z., B. can both axially are flowed through by the working medium (axial turbine or compressor). The combustion chamber 4 can, as is usual with gas turbines, fed with liquid fuel from the source 5 will. The combustion chamber 4 is connected to the turbine 3 indirectly through the main heat exchanger 6 in connection, furthermore directly through the plant i and then through the main heat exchanger 6 with the inlet of the turbine. In some cases, the gas is the heat exchanger too hot for the process in plant i, and consequently a Cooler 7 in the manner of the usual water cooler between the heat exchanger 6 and the operating system i are switched on. Finally there is an additional one Heat exchanger 8 for transferring the heat of the turbine exhaust gases to the compressor 2 leaving air provided.

Der Kompressor 2 saugt Luft unter atmosphärischem Druck an und drückt die gesamte von ihm verdichtete Luft in die Brennkammer 4, in der genügend. Brennstoff verbrannt wird, um die Luft so weit zu erhitzen, daß der Turbinenkompressorsatz 2,3 für seinen Betrieb keine zusätzliche Energiezufuhr benötigt und die Sterilisation der Verfährensluft gesichert ist. Gewünschtenfalls kann die Luft durch einen Filter in den Kompressor eingesaugt oder nach ihrer Verdichtung durch einen Filter gedrückt werden. Verbrennungsgase - oder, wenn der Brennstoff mit Luftüberschuß veibrannt wird, ein Gemisch von Luft und solchen Gasen - verlassen die Brennkammer 4 mit hoher Temperatur und gehen durch den Wärmeaustauscher 6, in dem sie einen erheblichen Teil ihrer Wärme abgeben. Dann strömt das Gas durch den Kühler 7, welcher aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ein üblicher Speiservassererhitzer sein kann, in dem seine Temperatur auf einen niedrigen, für das Verfahren in der Betriebsanlage i brauchbaren Wert gebracht wird, der z. B. in dem Bereich zwischen einer mäßigen normaler' Außenlufttemperatur und einer Temperatur etwas unterhalb des Siedepunktes des Wassers. liegt. Diese Verfahrensluft wird bei dieser Tempertur und einem Druck von beispielsweise 2 at der Betriebsanlage zugeführt. Das Austrittsgas verläßt die Betriebsanlage i mit einer tieferen Temperatur und einem geringeren Druck - von z. B. 1,4 at -. Während es durch den Wärmeaustauscher 6 strömt, steigt seine Temperatur auf den für den Betrieb der Gasturbine 3 geeigneten Wert an. Das heiße Gas wird dann in der Turbine 3 entspannt. Der Hauptwärmeaustauscher 6 kann in einigen Fällen als Regenerator ausgeführt sein; um einen hohen Grad der Sterilisation der Verfahrensluft zu sichern, ist es jedoch im allgemeinen vorzuziehen, den Wärmeäustauscher als Rohrwärmeaustauscher auszuführen, dessen Rohrverbindungen sorgfältig abgedichtet sein müssen, um das Eindringen von Organismen enthaltender Luft zu verhüten.The compressor 2 sucks in air under atmospheric pressure and pushes all of the air compressed by it into the combustion chamber 4, in which sufficient. Fuel is burned in order to heat the air so far that the turbine compressor set 2,3 does not require any additional energy supply for its operation and the sterilization of the procedural air is ensured. If desired, the air can be sucked into the compressor through a filter or, after it has been compressed, pressed through a filter. Combustion gases - or, if the fuel is burned with excess air, a mixture of air and such gases - leave the combustion chamber 4 at a high temperature and pass through the heat exchanger 6, in which they give off a considerable part of their heat. The gas then flows through the cooler 7, which for reasons of economy can be a conventional feed water heater in which its temperature is brought to a low value which is useful for the process in the plant i, which is e.g. B. in the range between a moderate 'normal' outside air temperature and a temperature slightly below the boiling point of water. lies. This process air is fed to the plant at this temperature and a pressure of, for example, 2 atm. The outlet gas leaves the plant i at a lower temperature and a lower pressure - from z. B. 1.4 at -. While it flows through the heat exchanger 6, its temperature rises to the value suitable for the operation of the gas turbine 3. The hot gas is then expanded in the turbine 3. The main heat exchanger 6 can in some cases be designed as a regenerator; however, in order to ensure a high degree of sterilization of the process air, it is generally preferable to design the heat exchanger as a tube heat exchanger, the tube connections of which must be carefully sealed in order to prevent the ingress of air containing organisms.

Die Kraftmaschinenanlage kann selbsttätig durch eine druckabhängige Vorrichtung gesteuert werden, um einen bestimmten Einströmdruck in die Betriebsanlage aufrechtzuerhalten. Fig. i zeit beispielsweise eine Vorrichtung, die verwendet wird, wenn die Temperatur, auf welche die Verfahrensluft zur Sterilisation erhitzt werden muß, über dem für den Betrieb des Turbinen-Kompressor-Maschinensatzes ohne äußere Leistungszufuhr theoretisch erforderlichen Wert liegt. Die Vorrichtung i i arbeitet in Abhängigkeit von dem Druck in der Zuleitung zu der Betriebsanlage i ; sie tritt bei einem Druckanstieg in Tätigkeit und bewirkt eine Schließbewegung eines Drosselventils i2, das in die Zuleitung (zur Turbine) eingeschaltet ist. Wahlweise oder zusätzlich betätigt die Vorrichtung i i ein Gerät zur Regelung der Leistung einer Arbeit aufnehmenden Vorrichtung 13, die zusammen mit dem Kompressor 2 von der Turbine 3 angetrieben wird. Diese Arbeit aufnehmende Vorrichtung ist als ein Elektrogenerator 13 dargestellt, der an ein Netz 14 angeschlossen ist. Die druckabhängige Vorrichtung i i kann bei Druckanstieg die parallel zu dem Widerstand 16 liegenden elektrischen Kontakte 15 schließen, um die Erregung des Generators 13 zu erhöhen, dessen Feldwicklung 17 in Reihe mit dem Widerstand 16 an die Spannung i8 angeschlossen ist.The engine system can be controlled automatically by a pressure-dependent device in order to maintain a certain inflow pressure into the operating system. FIG. 1 shows, for example, a device which is used when the temperature to which the process air must be heated for sterilization is above the value theoretically required for the operation of the turbine-compressor machine set without an external power supply. The device ii works as a function of the pressure in the supply line to the operating system i; it comes into operation when the pressure rises and causes a closing movement of a throttle valve i2, which is switched on in the supply line (to the turbine). Optionally or in addition, the device ii actuates a device for regulating the power of a work-absorbing device 13, which is driven by the turbine 3 together with the compressor 2. This work-taking device is shown as an electric generator 13 which is connected to a network 14. When the pressure rises, the pressure-dependent device ii can close the electrical contacts 15 lying parallel to the resistor 16 in order to increase the excitation of the generator 13, the field winding 17 of which is connected in series with the resistor 16 to the voltage i8.

Es versteht sieh, daß die Kraftmaschinenanlage auch in der Weise gesteuert werden kann, daß die der Betriebsanlage i zugeführte Verfahrensluftmenge etwa gleichgehalten wird. Weiterhin bewirkt eine temperaturabhängige Vorrichtung 2i bei einem Temperaturrückgang am Einlaß der Betriebsanlage i eine Erhöhung der Brennstoffzufuhr (z. B. durch Öffnen der Düse 22 zwischen der Brennstoffquelle 5 und der Kammer 4); dadurch ist gesichert, daß die Temperatur, auf welche die Verfahrensluft erhitzt wird, nicht unter den für ihre Sterilisation erforderlichen Wert sinken kann.It will be understood that the prime mover is also controlled in that manner it can be ensured that the amount of process air supplied to the plant i is kept approximately the same will. Furthermore, a temperature-dependent device causes 2i when the temperature drops at the inlet of the operating system i an increase in the fuel supply (e.g. by opening the nozzle 22 between the fuel source 5 and the chamber 4); this ensures that the temperature to which the process air is heated is not below the the value required for their sterilization may decrease.

Falls anderseits die Temperatur, auf welche die Verfahrensluft erhitzt werden muß, damit der Turbinenkompressorsatz 2, 3 ohne äußere Leistungszufuhr laufen kann, über dem für ihre Sterilisation notwendigen Wert liegt, wird eine in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung ig verwendet, die bei einem Druckabfall am Einlaß zur Betriebsanlage i ein Drosselventil 2o zwischen der Brennstoffquelle 5 und der Brennkammer q. öffnet, dadurch die Brennstoffzufuhr vergrößert und so eine Erhöhung der Temperatur in der Brennkammer bewirkt. Dadurch wird ein bestimmter Druck am Einlaß der Betriebsanlage i eingehalten. Die Temperaturbegrenzungsvörrichtung 2,1 arbeitet bei einem Abfall der Temperatur derart, daß sie ein Übersteuern des Ventils 22 verhindert und durch entsprechendes Öffnen dieses Ventils die für die Sterilisation erforderliche Temperatur aufrechterhalten bleibt. Die weiteren Teile in der Fig. 2 tragen die gleichen Bezugsziffern wie die entsprechenden Teile in der Fig. i.If, on the other hand, the temperature to which the process air is heated must be so that the turbine compressor set 2, 3 run without external power supply can, is above the value necessary for its sterilization, one shown in Fig. 2 device shown ig used, which in the event of a pressure drop at the inlet for Operating system i a throttle valve 2o between the fuel source 5 and the combustion chamber q. opens, thereby increasing the fuel supply and thus increasing the temperature causes in the combustion chamber. This creates a certain pressure at the inlet of the plant i complied. The temperature limiting device 2.1 operates in the event of a drop the temperature in such a way that it prevents overdriving of the valve 22 and by appropriate opening of this valve the temperature required for the sterilization is maintained. The other parts in FIG. 2 have the same reference numerals like the corresponding parts in Fig. i.

Sollte der Druckabfall der Betriebsanlage i so groß sein, daß die verwertbare Energie des Austrittsgases nicht ausreicht, um die Turbine 3 derart zu betreiben, daß sie die für den Antrieb des Kompressors 2 notwendige Leistung abgibt, so kann zusätzliche Energie zugeführt werden. In einem solchen Falle wird - wie Fig. - zeigt - das Gas auf seinem Wege vom Wärmeaustauscher 6 zur Turbine 3 in der Brennkammer 27 wieder aufgeheizt. Wahlweise kann der Kompressor 2 zusätzlich mechanisch angetrieben werden. Die von dem Druck am Einlaß in die Betriebsanlage i abhängige Vorrichtung 23 tritt in Tätigkeit, wenn der Druck abfällt, und bewirkt eine Steigerung der Energiezufuhr zur Turbine, indem die Brennstoffzufuhr zur Verbrennungskammer 27, z. B. durch Öffnen des Ventils 24 zwischen der Kammer und der Brennstoffquelle 26, erhöht wird.Should the pressure drop in the plant i be so great that the Usable energy of the outlet gas is not sufficient to run the turbine 3 in this way to operate that they have the power necessary to drive the compressor 2 emits, additional energy can be supplied. In such a case it will - as Fig. - shows - the gas on its way from the heat exchanger 6 to the turbine 3 heated again in the combustion chamber 27. Optionally, the compressor 2 can also be driven mechanically. That of the pressure at the inlet to the plant i dependent device 23 comes into action when the pressure drops and operates an increase in the energy input to the turbine by reducing the fuel input to the combustion chamber 27, e.g. By opening valve 24 between the chamber and the fuel source 26, is increased.

Wenn die Verfahrensluft frei von Verbrennungsprodukten sein mu.ß, wird die geänderte Anordnung mit indirekter Erhitzung gemäß Fig. 3 verwendet. Die Verfahrensluft strömt durch beheizte Rohrschlangen q.b in der Brennkammer q." die mit vom Kompressor oder Lüfter g getrennt zugeführter Verbrennungsluft gespeistwird.Die Verfahrensluftgeht durch den Hauptwärmeaustauscher 6, und die aus der Brennkammer ausströmenden Verbrennungsgase können durch einen zusätzlichen Wärmeaustauscher io abgeführt werden. Das Austrittsgas geht zuerst durch den zusätzlichen und dann durch den Hauptwärmeaustauscher. Es dürfte klar sein, daß diese Kraftmaschinenanlage in der gleichen Weise gesteuert werden kann wie die in den Fig. i oder 2 dargestellten Anlagen.If the process air has to be free of combustion products, the modified arrangement with indirect heating according to FIG. 3 is used. the Process air flows through heated pipe coils q.b in the combustion chamber q. "The is fed with combustion air supplied separately from the compressor or fan g Process air passes through the main heat exchanger 6 and that out of the combustion chamber Outflowing combustion gases can be passed through an additional heat exchanger io be discharged. The exit gas goes through the additional one first and then through the main heat exchanger. It should be clear that this prime mover can be controlled in the same way as those shown in Figs Investments.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Power machine equipment which sterilized by heating, Compressed process air for a plant supplies and a compressor for compressing the process air and a device for heating the compressed Air at high enough temperature for sterilization, characterized by a heat exchanger for the transfer of the sterilized process air heat contained in the plant before it enters the plant to that from the plant outflowing exhaust gas and through a gas turbine that is reheated with the Exhaust gas is fed and drives the compressor.

2. Plant according to claim i, characterized in that the device for heating the to be sterilized Air is a combustion chamber in which fuel is burned in a stream of air.

3. Plant according to claim i, characterized by a combustion chamber in which the fuel is burned to heat pipes through which the process air is without contact flows between the process air and the combustion products, and through a Another heat exchanger that transfers the heat from the combustion products to the exhaust gas transmits that flows out of the operating system. q ..

Plant according to one of the preceding Claims, characterized by a regulating the air flow through the plant Valve and a device for actuating this valve as a function of a State variable of the process air at the inlet of the plant.

5. Plant according to claim q., characterized in that the actuating device in dependence on the Air pressure at the inlet responds.

6. Plant according to one of the preceding claims, characterized by means for controlling the device for heating the air depending on the temperature at the air inlet of the plant.

7. Attachment to one of the preceding claims, characterized by devices that the Supply the compressor with additional drive energy, and use these devices to control, control devices dependent on the pressure of the process air in a part of the plant.