DE2816984A1

DE2816984A1 - Verfahren und einrichtung zum entspannen eines hochdruckgases

Info

Publication number: DE2816984A1
Application number: DE19782816984
Authority: DE
Inventors: Franz Ing Grad Pichler; Winfried Voges
Original assignee: GEA Luftkuehler GmbH
Current assignee: GEA Luftkuehlergesellschaft Happel GmbH and Co KG
Priority date: 1978-04-19
Filing date: 1978-04-19
Publication date: 1979-10-31
Also published as: DE2816984C2

Description

Verfahren und Einrichtung zum Entspannen eines Hochdruckgases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Entspannen eines mit kondensierbaren Dämpfen beladenen Hochdruckgases in einer Abgasturbine sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Bei der Anwendung chemischer Verfahren fallen häufig Hochdruckgase in Form von Inertgasgemischen an, die mit kondensierbaren Dämpfen sehr unterschiedlicher Natur und Konzentration beladen sein können. Es wird angestrebt, die im Bereich der Hochdruckgase vorhandenen Energien möglichst vollständig zu nutzen.
Hierzu ist es insbesondere bekannt, die mechanische Energie der Hochdruckgase unter Einsatz einer Abgasturbine nutzbar zu machen.
Ein störungsfreier Betrieb der Abgasturbine setzt voraus, daß innerhalb der Turbine die Kondensation der im Hochdruckgas enthaltenen kondensierbaren Dämpfe und erst recht jede Eisbildung aufgrund anfallenden Kondensates ausgeschlossen ist.
Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Gattung erfolgt die Ausschließung der Kondensation und Eisbildung innerhalb der Abgasturbine unter Verwendung einer mindestens 2-stufigen Abgasturbine, wobei jeder Stufe jeweils ein Wärmetauscher vorgeschaltet ist. Hierbei wird das z.B. mit einem Druck p von 21 bar, einer Temperatur t von 500C sowie einem Feuchtigkeitsgrad x von 3 g/kg heranströmende Hochdruckgas in dem der 1. Turbinenstufe vorgeschalteten Wärmetauscher beispielsweise auf eine Temperatur t von 1600C erhitzt, um in diesem Zustand in die 1. Turbinenstufe einzutreten. Das Hochdruckgas wird in der 2LI 1. ntute/auI einen Druck p von 5 bar bei einer Temperatur t von 30°C entspannt, wobei dieser Gasdruck in der Nähe, aber noch oberhalb des zum Taupunkt der kondensierbaren Dämpfe gehörenden Partialdruckes ist. Bei dem Durchtritt des Gases durch den der 2. Turbinenstufe vorgeschalteten Wärmetauscher erfolgt eine erneute Erwärmung auf z.B. 1600C und sodann innerhalb der 2. Stufe selbst eine Verminderung des Gasdruckes auf beispielsweise einen Druck p von 1 bar, also auf Atmosphärendruck, bei gleichzeitiger Kühlung auf Umgebungstemperatur von 20 C.
Bei diesen Druckverhältnissen nach Durchtritt durch die 2. Turbinenstufe erübrigt sich die Anwendung einer 3. Turbinenstufe. Ist der Druck des Gases nach Durchtritt durch die 2. Turbinenstufe andererseits noch höher als Atmosphärendruck, kann sich der Einsatz einer weiteren Stufe empfehlen.
Bei Anwendung dieses bekannten Verfahrens wird das aus der letzten Stufe der Abgasturbine austretende entspannte Gas regelmäßig in die Atmosphäre abgelassen. Andererseits ist der Feuchtigkeitsgrad dieses austretenden Gases gegenüber dem ursprünglichen Feuchtigkeitsgrad unverändert; das austretende entspannte Gas hat also ebenfalls beispielsweise einen Feuchtigkeitsgrad x von 3 g/kg. Dies bedeutet, daß zwar infolge der Erwärmung des Gases vor seinem Eintritt in jede der Turbinenstufen eine Kondensatbildung und erst recht eine Eisbildung innerhalb der Turbine ausgeschlossen wird, jedoch jede Abscheidung der vom Hochdruckgas mitgeführten kondensierbaren Dämpfe unterbleibt. Indem diese kondensierbaren Dämpfe frei in die Umgebung abgelassen werden, können sie, je nach ihrer Zusammensetzung, eine erhebliche Umweltbelastung bedeuten. Soll unter Anwendung des bekannten Verfahrens daher eine Umweltbelastung durch die aus der Turbine austretenden kondensierbaren Dämpfe ausgeschlossen werden, bedarf es zusätzlicher, kostenintensiver Maßnahmen, wie der Nachschaltung von Absorbern, Wäschern od. dgl..
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Gattung so weiterzubilden, daß nicht nur eine Kondensation oder gar Eisbildung innerhalb der Abgasturbine ausgeschlossen und damit ein störungsfreier Betrieb der Turbine gewährleistet ist, sondern auch eine verringerte Beladung des entspannten Gases mit kondensierbaren Dämpfen sichergestellt ist.
Es ist gleichzeitig eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens dadurch gelöst, daß das ffochdruckgas vor Eintritt in die Abgasturbine zunächst zur Kühlung mit Kondensation der kondensierbaren Dämpfe einem Wärmetauscher für Kältetrocknung, daraufhin zur Abscheidung der im Bereich des Wärmetauscher für Kältetrocknung gebildeten Flüssigkeitstropfen einem Tropfenabscheider und sodann zur Wiedererwärmung einem mit einem Fremd-Heizmittel betriebenen Wärmetauscher zugeführt wird, wobei das aus der Abgasturbine austretende entspannte Gas für die Kältetrocknung verwendet wird.
Unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das die kondensierbaren Dämpfe mitführende Hochdruckgas im Bereich des Wärmetauschers für die Kältetrocknung auf Temperaturen bis nahe den Wassergefrierpunkt , gekühlt, wobei die im Hochdruckgas enthaltenen kondensierbaren Dämpfe infolge Unterschreitung ihrer Taupunkttemperatur anteilmäßig kondensieren. In Verbindung mit der Abscheidung der im Bereich des Wärmetauschers für die Kältetrocknung gebildeten Flüssigkeitstropfen innerhalb des Tropfenabscheiders erfolgt vor der Abgasturbine eine erhebliche Verminderung des Anteils kondensierbarer Dämpfe im Gesamtgemisch, womit der Dampfteildruck verkleinert wird und so die Kondensation der mitgeführten Dämpfe innerhalb der Abgasturbine und erst recht eine Eisbildung durch anfallendes Kondensat innerhalb der Turbine wegen Unterschreitung der Taupunkttemperatur in deren Bereich verhindert wird.
Die Abscheidung der im Bereich des Wärmetauschers für die Kältetrocknung gebildeten Flüssigkeitstropfen in Tropfenabscheider bedeutet aber gleichzeitig, daß das aus der Abgasturbine austretende entspannte Gas einenFeuchtigkeitsgrad besitzt, der gegenüber demjenigen des anströmenden Hochdruckgases erheblich vermindert ist. Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Umweltbelastung durch Kondensation von Schadstoffen aus dem entspannten Gas somit ohne weiteres stark verringert, ohne daß das aus der Abgasturbine austretende Gas zur Abscheidung dieser Stoffe noch einem Absorber, Wäscher od. dgl. zugeführt zu werden brauchte.
Es haben die in Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführten Versuche ergeben, daß die Konzentration der im austretenden, entspannten Gas noch enthaltenen Dämpfe und damit der insoweit vorhandenen Schadstoffe in einem solch starken Maße vermindert ist, daß sie weit unter den vorgeschriebenen Höchstwerten für umweltbelastende Konzentrationen liegt.
Strömt das mit den kondensierbaren Dämpfen beladene Hochdruckgas beispielsweise mit einem Druck p von 21 bar, einer Temperatur t von 50 0C sowie einem Feuchtigkeitsgrad x von 3 g/kg heran, besitzt das Gas nach seinem Durchtritt durch den Wärmetauscher für die Kältetrocknung z.B. einen Druck p von 20,93 bar, eine Temperatur t von 4°C und einen Feuchtigkeitsgrad x von 0,03 g/kg. Durch den nachgeschalteten, mit einem Fremd-Heizmittel betriebenen Wärmetauscher wird das Gas sodann beispielsweise bei gleichbleibendem Feuchtigkeitsgrad x von 0,03 g/kg und einem Druck p von 20,8 bar auf eine Temperatur t von 1600C gebracht.Das aus der Abgasturbine austretende entspannte Gas weist schließlich bei einem unveränderten Feuchtigkeitsgrad x von 0,03 g/kg z.B. eine Temperatur t von -580C bei einem Druck p von 1,0 bar auf.
Indem die vom heranströmenden Hochdruckgas mitgeführten kondensierbaren Dämpfe vor der Turbine innerhalb des Tropfenabscheiders abgeschieden werden, läßt das erfindungsgemäße Verfahren gleichzeitig auf einfache Weise wichtige und teure ProzeRstoffe rückgewinnen, wie Essigsäure.
Das Verfahren zeichnet sich zudem durch geringen Energiebedarf aus. Dieser ergibt sich einerseits daraus, daß das aus der Abgasturbine austretende entspannte Gas für die Kältetrocknung verwendet wird, im Rahmen dieses Kälteprozesses also keine zusätzlichen Energiekosten anfallen. Der geringe Energiebedarf folgt zum anderen daraus, daß nur einmal eine Gaserwärmung durchgeführt wird, womit die Heizungsenergiekosten gering gehalten sind.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird hinsichEich der Einrichtung auf vorteilhafte Weise bei Verwirklichung der in die Ansprüche 2 bis 4 einbezogenen Merkmale gelöst.
In Übereinstimmung mit Anspruch 4 erfolgt der Kälteaustusch vorzugsweise mittels eines flüssigen Zwischenmediums als Wärmeträger. Hierdurch wird ein Gefrieren des ausgangsseitig anfallenden Kondensats sicher ausgeschlossen.
Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand zweier Schaltbilder verdeutlicht. Es zeigen: Fig. 1 ein Schaltbild zu dem bekannten Verfahren und Fig. 2 ein Schaltbild zum erfindungsgemäßen Verfahren.
In den beiden Figuren ist jeweils der Strömungsweg des Gases strichpunktiert eingezeichnet und die Strömungsrichtung des Gases durch die Pfeile X veranschaulicht.
Im Falle des bekannten Verfahrens, welches in Fig. 1 anhand einer zweistufigen Abgasturbine dargestellt ist, tritt das mit kondensierbaren Dämpfen beladene Hochdruckgas in einen ersten Wärmetauscher 1 ein, um von diesem nach Erwärmung in die 1. Stufe 2 der Abgasturbine 3 überführt zu werden. Das aus der 1. Stufe 2 der Abgasturbine 3 austretende Gas wird zur Zwischenerwärmung in einen zweiten Wärmetauscher 4 geleitet, von welchem aus es in die 2. Stufe 5 der Abgasturbine 3 eingeführt wird. Aus der 2. Stufe der Abgasturbine 3 tritt entspanntes Gas aus.
Im Falle des erfindungsgemäßen Verfahrens tritt das mit kondensierbaren Dämpfen beladene Hochdruckgas zunächst in einen als Röhrenbündelaustauscher ausgebildeten Wärmetauscher 6 für Kältetrocknung ein. Das Gas gelangt von diesem Wärmetauscher 6 in einen Tropfenabscheider 7 in Form eines Zyklons, um von diesem in einen Wärmetauscher 8 für die Wiedererwärmung überführt zu werden. Dieser Wärmetauscher 8 ist mit einem in Richtung des Pfeils Y hindurchgeführten Heizmittel-Dampf betrieben und ebenfalls als Röhrenbündelaustauscher ausgebildet.
An den Wärmetauscher 8 für die Wiedererwärmung schließt sich die einstufige Abgasturbine 9 an. Der Abgasturbine 9 ist ein Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 10 nachgeschaltet, dessen flüssiges Arbeitsmittel unter Einwirkung der Pumpe 11 in Richtung der Pfeile Z durch den Wärmetauscher 6 für die Kältetrocknung hindurchgeführt wird, unter Überführung der hinter der Abgasturbine 9 anfallenden Kälteenergie zur Kondensation der im Hochdruckgas befindlichen Dämpfe.
Bei der Durchführung der beiden Verfahren sind beispielsweise die oben angegebenen Werte von Druck p, Temperatur t und Feuchtigkeitsgrad x verwirklicht. Das aus der Abgasturbine 9 des erfindungsgemäßen Verfahrens austretende entspannte Gas verläßt den Luft-Flüssigkeits-Wärmetauscher 10 z.B. mit einer Temperatur t von -3°C bei einem Druck p von 1 bar. Leerseite

Claims

Patentansprüche: Verfahren zum Entspannen eines mit kondensierbaren Dämpfen beladenen Hochdruckgases in einer Abgasturbine , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Hochdruckgas vor Eintritt in die Abgasturbine zunächst zur Kühlung mit Kondensation der kondensierbaren Dämpfe einem Wärmetauscher für Kältetrocknung, daraufhin zur Abscheidung der im Bereich des Wärmetauschers für die Kältetrocknung gebildeten Flüssigkeitstropfen durch einen Tropfenabscheider und sodann zur Wiedererwärmung einem mit einem Fremd-IIeizmittel betriebenen Wärmetauscher zugeführt wird, wobei das aus der Abgasturbine austretende entspannte Gas für die Kältetrocknung verwendet wird.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Wärmetauscher (6) für die Kältetrocknung und/oder der Wärmetauscher (8) für die Wiedererwärmung als Röhrenbündelaustauscher ausgebildet sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2 , d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß der Tropfenabscheider (7) als Zyklon ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 2 oder 3 , d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß für die Überführung der Kälteenergie des aus der Abgasturbine (9) austretenden entspannten Gases zum Wärmetauscher (6) für die Kältetrocknung zwischen diesem und der Austrittseeite der Abgasturbine (9) ein Luft-Flüssigkeits -Wärmetauscher (10) vorgesehen ist.