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BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

Tag der Anmeldung: 10. Mai 1955 Bekanntgemacht am 24. November 1955Registration date: May 10, 1955. Advertised on November 24, 1955

DEUTSCHES PATENTAMTGERMAN PATENT OFFICE

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.In the chemical industry, e.g. B. in the manufacture of pharmaceutical products Process used which involves the supply of sterilized gas under pressure to a plant condition. This gas must not be too hot, sometimes it even has to be cold. It can be desirable be to carry out the sterilization of the gas by heating to high temperatures. in the The gas can then be cooled; in the heat released are considerable Energy values included. The gas for carrying out the process should also be called process air will. It can be impure air or another gas.

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.Although the gas pressure decreases in the plant during the process, the gas flowing out of the system and accordingly called the exit gas, is also the can be a process gas - if a chemical conversion takes place in the plant, will the exit gas may be another gas - one only slightly below the pressure of the incoming process air lying pressure and contain considerable pressure 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 KompressorThe present invention uses the pressure energy of the outlet gas and that generated during cooling Thermal energy as drive energy for a gas turbine, which in turn is a compressor

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/ill' Verdichtung der Verfahrensluft vor ihrer Sterilisation antreibt./ ill 'Compression of the process air before their Drives sterilization.

l)ie Krlmdun:,' bestellt demgemäß darin, daß in einer Kraftmaschinenanlage, die durch Erhitzen sterilisierte, verdichtete \ erfahrensluft für eine Betricbsaulage liefert und einen Kompressor zum Verdichten der Verfahrensluft sowie eine Vorrichtung zur F.rhit/.ung der verdichteten Luft auf zur Sterilisation genügend hohe Temperatur enthält, ein ίο Wärmeaustauscher zur Übertragung von in der sterilisierten Verfahrensluft vor ihrem Kintritt in die Bctrichsanlage vorhandener Wärme an das aus der Betricbsaulagc ausströmeiuU· Austrittspas vorgesehen ist und eine mit dem wiedererhitzten Ausi.i trittsgas als Arbeitsmittel gespeiste Gasturbine den Kompressor antreibt.l) ie Krlmdun :, 'orders accordingly that in a prime mover made by heating supplies sterilized, compressed air for an operational site and a compressor for compressing the process air as well as a device for heating the compressed air to a temperature that is high enough for sterilization ίο Heat exchanger for the transfer of the sterilized process air before it enters the heating system provides the heat available to the outlet from the plant outlet and a gas turbine fed with the reheated outlet gas as the working medium Compressor drives.

l)ie Wärmeübertragung' reicht in den meisten !''allen aus, mn die Verfahrensluft vollständig oder wenigstens angenähert auf die für die Durchführung (]ί·Α 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 s,^r) Kompressors aus der für die Sterilisation aufgewendeten K.nergic zurückgewonnen.l) ie heat transfer 'is sufficient in most!''all of, mn, the method air completely or at least approximately to the chemical for the implementation (] ί · Α method to bring suitable temperature and the temperature of the discharge gas to increase to the extent that it reaches the height required for the operation of the turbine. In this way, the energy for driving the s, ^r ) compressor is recovered from the K.nergic used for sterilization.

Wenn Vcrbrcnnungsprodukte oder solche Verbreuiuuigsprodukte. z. 11. Kohlendioxyd, enthaltende Luft als Verfahreiisluft verwendbar ist, kann die 'M> Vorrichtung zur Krhitzung der Luft einfach eine gewöhnliche Brennkammer sein, in der ein flüssiger Brennstoff in der verdichteten Luft verbrannt wird. In den Fig. i, 2 und 3 der Zeichnung sind beispielsweise drei voneinander abweichende Ausführungsformen der LiTmdung veranschaulicht.When combustion products or such expenditure products. z. 11 carbon dioxide-containing air as Verfahreiisluft is used, the 'M> Krhitzung device for the air may be an ordinary combustion chamber in which a liquid fuel is burned in the compressed air simple. In FIGS. 1, 2 and 3 of the drawing, three different embodiments of the LiTmdung are illustrated, for example.

Fig. 1 zeigt die Bctriebsanlage 1, in der sich der chemische l'rozcß abspielt, einen Luftkompressor 2, eine (iasturbine 3 zum Antrieb des Kompressors, eine Brennkammer .) und einen 1 lauptwärmeaustauscher (>. hie Gasturbine 3 und der Kompressor 2 können in üblicher Weise ausgeführt werden; z. B. können beide axial vom Arbeitsmittel durchflossen werden (Axialturbine bzw. -kompressor). hie Brennkammer .1 kann, wie bei Gasturbinen üblich. •15 mit lli'issigem Brennstoff aus der Quelle 5 gespeist werden, hie Brennkammer .| steht mit der Turbine 3 indirekt durch den I lauptwärmeaustausclier G in Verbindung, ferner direkt durch die Betriebsanlage 1 und dann durch den 1 lauptwärmeaus-.V» tauscher (> mit dem Linlaß der Turbine. In manchen !'"allen ist das (las, das den Wärmeaustauscher verläßt, zu heiß für den I'ro/.el.i in der Betriebsanlage 1, und infolgedessen 111111.1 ein Kühler" nach Art der gebräuchlichen Wasscrkühler zwischen den Wärme- :;:, austauscher d und die- Betriebsanlage ι eingeschaltet weiden. Schließlich ist noch ein zusätzlicher Wärmeaustauscher S zur Übertragung der I litze der Turbiiieuabgasc an die den Kompressor 2 verlassende I -lift vorgesehen.Fig. 1 shows the operating system 1 in which the chemical process takes place, an air compressor 2, a (gas turbine 3 for driving the compressor, a combustion chamber.) And a main heat exchanger (>. Here gas turbine 3 and the compressor 2 can can be carried out in the usual way; e.g. both can be flowed through axially by the working medium (axial turbine or compressor). Here combustion chamber .1 can, as is usual with gas turbines. • 15 be fed with liquid fuel from the source 5, The combustion chamber is indirectly connected to the turbine 3 through the main heat exchanger G , furthermore directly through the plant 1 and then through the main heat exchanger (> with the inlet of the turbine. In some! '"all is the (read, which leaves the heat exchanger, too hot for the I / .el.i in plant 1, and consequently 111111.1 a cooler "in the manner of the usual water coolers between the heat -:;:, exchangers d and these- Operating facility ι inserted switch to graze. Finally, an additional heat exchanger S is also provided for transferring the I strand of the Turbiiieuabgasc to the I -lift leaving the compressor 2.

fm her Kompressor 2 saugt Luft unter atmosphärischem I huck an und drückt die gesamte von ihm \ ei'diclitete Luft in die Brennkammer 4, in der'genügend Brennstoff verbrannt wird, um die Luft sofm her Compressor 2 sucks in air under atmospheric conditions I pull up and press all of the air he has diclitated into the combustion chamber 4, in which there is enough Fuel is burned to make the air like that

weit zu erhitzen, daß der Turbinenkompressorsatz 2,3 für seinen Betrieb keine zusätzliche Energiezufuhr benötigt und die Sterilisation der A'erfahrensluft 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 verbrannt 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 Speisewassererhitzer sein kann, in dem seine Temperatur auf einen niedrigen, für das Verfahren in der Betriebsanlage 1 brauchbaren Wert gebracht wird, der z. B. in dem Bereich zwischen einer mäßigen normalen Außenlufttemperatur und einer Temperatur etwas unterhalb des Siedepunktes des Wassers liegt. Diese Verfahrensluft wird bei dieser Temperatur und einem Druck von beispielsweise 2 at der Betriebsanlage zugeführt. Das Austrittsgas verläßt die Betriebsanlage 1 mit einer tieferen Temperatur und einem geringeren Druck — von z. B. ι ,4 at —. Während es durch den Wärmeaustauscher 6 strömt, steigt seine Temperatur auf den go für den Betrieb der Gasturbine 3 geeigneten Wert an. Das heiße Gas wird dann in der Turbine 3 entspannt. Der 1 lauptwärmeaustausclier 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 Wärmeaustauscher als Rohrwärmeaustauscher auszuführen, dessen Rohrverbindungen sorgfältig abgedichtet sein müssen, um das Eindringen von Organismen enthaltender Luft zu verhüten. to heat far that the turbine compressor set 2.3 no additional energy supply for its operation required and the sterilization of the process air is secured. If desired, the air can be sucked into the compressor through a filter or pressed through a filter after they have been compressed. Combustion gases - or, if the fuel is burned with excess air, a mixture of air and such gases - leave the combustion chamber 4 with high temperature and go through the heat exchanger 6 in which they give off a significant part of their heat. Then the gas flows through the cooler 7, which for reasons of economy, a common feed water heater can be in which its temperature brought to a low, useful for the process in the plant 1 value becomes, the z. B. in the range between a moderate normal outside air temperature and a Temperature is slightly below the boiling point of water. This process air is in this Temperature and a pressure of, for example, 2 at the operating system. The outlet gas leaves the plant 1 with a lower one Temperature and a lower pressure - from z. B. ι, 4 at -. While it's through the heat exchanger 6 flows, its temperature rises on the go for the operation of the gas turbine 3 at a suitable value. The hot gas is then expanded in the turbine 3. The 1 lauptwärmeaustausclier 6 can be designed as a regenerator in some cases; around However, to ensure a high level of process air sterilization, it is generally preferable to execute the heat exchanger as a tube heat exchanger, its tube connections must be carefully sealed 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. τ zeigt 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-Komprcssor-Maschinensatzes ohne äußere Leistungszufuhr theoretisch no erforderlichen Wert liegt. Die Vorrichtung 1 1 arbeitet in Abhängigkeit von dem Druck in der Zuleitung zu der Betriebsanlage 1 ; sie tritt bei einem Druckanstieg in Tätigkeit und bewirkt eine Schließbewegung eines Drosselventils 12, das in die Zuleitung (zur Turbine) eingeschaltet ist. Wahlweise oder zusätzlich betätigt die Vorrichtung 1 r 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 ι ι kann bei Druckanstieg die parallel zu dem Widerstand 16 liegenden elektrischen Kontakte 15 schlie-Lien, um die Erregung des Generators 13 zu erhöhen.The power plant can be controlled automatically by a pressure-dependent device, in order to maintain a certain inflow pressure into the operating system. For example, Fig. Τ shows a device that is used when the temperature to which the process air must be heated for sterilization, above that for the operation of the turbine compressor machine set without external power supply is theoretically no required value. The device 1 1 works as a function of the pressure in the supply line to the operating system 1; she kicks one Pressure increase in activity and causes a closing movement of a throttle valve 12, which is in the supply line (to the turbine) is switched on. Optionally or in addition, the device 1 r actuates a device for regulating the performance of a work receiving device 13, which together with the Compressor 2 is driven by turbine 3. This work-taking device is called a Electric generator 13 is shown, which is connected to a network 14. The pressure-dependent device ι ι can be parallel to the resistance when the pressure rises 16 lying electrical contacts 15 close lines, to increase the excitation of the generator 13.

J 5%/20(>J 5% / 20 (>

P 14086 Ia/46 fP 14086 Ia / 46 f

dessen Feldwicklung 17 in Reihe mit dem Widerstand 16 an die Spannung 18 angeschlossen ist.the field winding 17 of which is connected in series with the resistor 16 to the voltage 18.

Es versteht .sich, daß die Kraftmaschinenanlage auch in der Weise gesteuert werden kann, daß die der Betriebsanlage 1 zugeführte Verfahrensluftmenge etwa gleichgehalten wird. Weiterhin bewirkt eine temperaturabhängige Vorrichtung 21 bei einem Temperaturrückgang am Einlaß der Betriebsanlage 1 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 is understood that the prime mover can also be controlled in such a way that the the process air quantity supplied to the plant 1 is kept approximately the same. Furthermore causes a temperature-dependent device 21 in the event of a temperature drop at the inlet of the operating system 1 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 cannot fall below the value required for their sterilization.

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 darge-If, on the other hand, the temperature to which the process air must be heated, then the turbine compressor set 2, 3 can run without external power input, above that for their sterilization necessary value is, a shown in Fig. 2

ao stellte Vorrichtung 19 verwendet, die bei einem Druckabfall am Einlaß zur Betriebsanlage 1 ein Drosselventil 20 zwischen der Brennstoffquelle 5 und der Brennkammer 4 öffnet, dadurch die Brennstoffzufuhr vergrößert und so eine Erhöhung der Temperatur in der Brennkammer bewirkt. Dadurch wird ein bestimmter Druck am Einlaß der Betriebsanlage ι eingehalten. Die Temperaturbegrenzungs- ao presented device 19 used that at a Pressure drop at the inlet to the operating system 1, a throttle valve 20 between the fuel source 5 and the combustion chamber 4 opens, thereby increasing the fuel supply and thus increasing the Temperature in the combustion chamber causes. As a result, a certain pressure at the inlet of the operating system is maintained. The temperature limiting

! vorrichtung 21 arbeitet bei einem Abfall der Temperatur derart, daß sie ein Übersteuern des Ventils! device 21 operates when the temperature drops such that they override the valve

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. 1.22 prevents and by opening this valve accordingly, the necessary for the sterilization Temperature is maintained. The other parts in FIG. 2 have the same reference numerals like the corresponding parts in FIG. 1.

Sollte der Druckabfall der Betriebsanlage 1 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. 2 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 1 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 A^entils 24 zwischen der Kammer und der Brenn-. stoffquelle 26, erhöht wird.Should the pressure drop in the plant 1 be so great that the usable energy of the outlet gas is not sufficient to operate the turbine 3 in such a way that it is necessary for driving the compressor 2 delivers the necessary power, additional energy can be supplied. In one Such a case - as FIG. 2 shows - the gas on its way from the heat exchanger 6 to Turbine 3 in the combustion chamber 27 is heated up again. Optionally, the compressor 2 can also be driven mechanically. The device dependent on the pressure at the inlet to the plant 1 23 comes into action when the pressure drops and causes an increase in the supply of energy to the turbine by reducing the fuel supply to the combustion chamber 27, e.g. B. by opening the A ^ entils 24 between the chamber and the combustion. material source 26 is increased.

Wenn die Verfahrensluft frei von Verbrennungsprodukten sein muß, wird die geänderte Anordnung If the process air must be free of combustion products, the arrangement is changed

mit indirekter Erhitzung gemäß Fig. 3 verwendet. Die Verfahrensluft strömt durch beheizte Rohrschlangen 4j in der Brennkammer 4_ß, die mit vom Kompressor oder Lüfter 9 getrennt zugeführter Verbrennungsluft gespeist wird. Die Verfahrensluft geht durch den Hauptwärmeaustauscher 6, und die aus der Brennkammer ausströmenden Verbrennungsgase können durch einen zusätzlichen Wärmeaustauscher 10 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. 1 oder 2 dargestellten Anlagen.with indirect heating according to FIG. 3 used. The process air flows through heated coils _ß 4y in the combustion chamber 4 connected to the compressor or fan 9 separately supplied combustion air is fed. The process air goes through the main heat exchanger 6, and the combustion gases flowing out of the combustion chamber can be removed through an additional heat exchanger 10. The exit gas goes first through the additional and then through the main heat exchanger. It should be understood that this prime mover can be controlled in the same way as the systems shown in FIGS. 1 or 2.

Claims

PATENT CLAIMS:

i. Power plant that heats sterilized, compressed process air for a Operating system supplies and a compressor for compressing the process air as well as a Device for heating the compressed air to a temperature high enough for sterilization contains, characterized by a heat exchanger for the transfer of in the sterilized process air before its entry heat contained in the operating system to the outlet gas flowing out of the operating system and by a gas turbine fed with the reheated exhaust gas and drives the compressor.

2. Plant according to claim 1, characterized in that the device for heating the air to be sterilized is a combustion chamber in which fuel is in a stream of the air is burned.

3. Plant according to claim 1, characterized by a combustion chamber in which fuel is

. is burned in order to heat pipes through which the process air is without contact flows between the process air and the combustion products, and through another Heat exchanger that transfers the heat from the products of combustion to the exhaust gas; that flows out of the plant.

4. Installation according to one of the preceding claims, characterized by the air flow through the plant regulating valve and a device for actuating this Valve as a function of a state variable of the process air at the inlet of the operating system.

5. Plant according to claim 4, characterized in that the actuating device as a function responds to the air pressure at the inlet.

6. System according to one of the preceding claims, characterized by means for control the device for heating the air as a function of the temperature at the air inlet of the plant.

7. Plant according to one of the preceding claims, characterized by devices, which supply the compressor with additional drive energy, and through these devices controlling control devices that are dependent on the pressure of the process air in a part of the system.

1 sheet of drawings