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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Brenngases, das bei der Regenerierung einer zur Zerlegung von Synthesegas eingesetzten Druckwechseladsorptionsanlage als Restgas mit Regenerierdruck anfällt und nach Zwischenspeicherung in einem Pufferbehälter über eine Regelarmatur geführt wird, um mit kontrolliertem Massenstrom einem Brenner zugeleitet zu werden.
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Druckwechseladsorptionsanlagen (im Folgenden kurz als DWA bezeichnet) werden beispielsweise zur Erzeugung von hochreinem Wasserstoff eingesetzt, wobei ein kohlenwasserstoffhaltiger Ausgangsstoff in einem brennerbefeuerten Dampfreformer zu einem Wasserstoff enthaltenden Synthesegas umgesetzt wird. In nachfolgenden Verfahrensschritten wird aus dem Synthesegas Rohwasserstoff gewonnen, der zwar weitgehend aus Wasserstoff besteht, daneben aber noch bedeutende Mengen an Verunreinigungen wie Kohlenmonoxid und Methan enthält. Um die Verunreinigungen abzutrennen, wird der Rohwasserstoff der DWA zugeführt, wo er mit erhöhtem Druck durch einen von mehreren Adsorbern strömt, die jeweils mit einem Adsorbermaterial gefüllt sind, das die im Rohwasserstoff enthaltenen Verunreinigungen adsorbiert und festhält, während es den Wasseroff weitgehend ungehindert passieren lässt. Der aus dem Adsorber austretende Wasserstoff weist daher eine hohe Reinheit von typischerweise mehr als 99,99Vol.-% auf.
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Da die Aufnahmefähigkeit des Adsorbermaterials für die Verunreinigungen begrenzt ist, muss der Rohwasserstoffstrom in den Absorber nach einer gewissen Zeit unterbrochen werden, ehe sich die Reinheit des austretenden Wasserstoffs verschlechtert. Während der Rohwasserstoff zu einem anderen Adsorber der DWA mit noch aufnahmefähigem Adsorbermaterial umgelenkt wird, wird der mit Verunreinigungen beladene Adsorber regeneriert. Hierzu wird der Druck im Adsorber bis auf den sog. Regenerierdruck abgesenkt, um die adsorbierten Verunreinigungen vom Adsorbermaterial zu desorbieren. Damit die Verunreinigungen möglichst vollständig entfernt werden, wird der Adsorber während und/oder nach der Druckabsenkung mit einem Regeneriergas gespült, bei dem es sich gewöhnlich um in der DWA gewonnenen Reinwasserstoff handelt. Bei geringerem Regenerierdruck kann mit weniger Regeneriergas die gleiche Menge an Verunreinigungen desorbiert werden.
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Das bei der Adsorberregenerierung anfallende, als Restgas bezeichnete Gasgemisch besteht zum überwiegenden Teil aus brennbaren Stoffen und wird daher gewöhnlich als Brenngas für die Befeuerung des Dampfreformers eingesetzt. Da sowohl der Mengenstrom als auch die Zusammensetzung des Restgases zeitlich stark schwanken, wird es aus der DWA zunächst in einen Pufferbehälter eingeleitet, aus dem es weitgehend homogenisiert wieder entnommen und dem Dampfreformer zugeführt wird. Ohne eine Erhöhung des Restgasdrucks, wie sie etwa die Patentschrift
DE19955676 vorschlägt, wird der Minimalwert für den Regenerierdruck der Adsorber durch den Druck im Pufferbehälter bestimmt, der nach dem Stand der Technik auf einen festen Sollwert von nicht weniger als 300mbar(g) geregelt wird. Ein hierfür eingesetztes Regelkonzept soll anhand der
1 näher erläutert werden.
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Aus dem Wasserstofferzeuger A wird der aus einem im brennerbefeuerten Dampfreformer S erzeugten Synthesegas abgetrennte Rohwasserstoff 1 zur Druckwechseladsorptionsanlage D geführt, um Reinwasserstoff 2 und ein Restgas 3 zu erhalten, das in einem Pufferbehälter P zwischengespeichert wird. Der Druck im Pufferbehälter P wird durch den Druckregler PC1 auf einem Wert von ca. 300mbar(g) weitgehend konstant gehalten. Im Falle einer störungsbedingten Beeinträchtigung des Restgaszustroms 3 ist so stets eine ausreichend große Restgasmenge im Pufferbehälter P vorhanden, um die Zeit bis zum Ersatz des Restgases durch ein Brenngas aus einer externen Quelle überbrücken zu können. Zur Konstanthaltung des Drucks im Pufferbehälter P verändert der Druckregler PC1 den Sollwert für den Durchflussregler FC, der daraufhin die in der Brenngasleitung 4 angeordnete Regelarmatur Z1, bei der es sich gewöhnlich um eine Regelklappe handelt, weiter öffnet oder schließt und so den Druckverlust des Brenngases vermindert oder erhöht, wobei der Brenngasdurchfluss entsprechend zu- bzw. abnimmt. Um zu verhindern, dass kurzzeitige, im Sekundenbereich liegende Druckschwankungen, wie sie bei der Umschaltung zwischen den einzelnen Absorbern der DWA D regelmäßig auftreten, zu unerwünschten Schwingungen im Regelkreis führen, werden dem Durchflussregler FC sehr langsame Reglerparameter gesetzt, so dass lediglich Langzeittrends ausgeglichen werden und sich die Stellung der Regelarmatur Z1 praktisch nur bei Laständerungen des Dampfreformers S ändert, während sie bei einem konstanten Normalbetrieb weitgehend unverändert bleibt. Insbesondere kurzzeitige Druckschwankungen im Pufferbehälter P werden daher ohne wesentliche Abschwächung bis hin zu den Brennern B und somit in den Brennraum des Dampfreformers S übertragen. Diese Druckschwankungen im Brennraum sind ein häufiger Grund für eine sicherheitsgerichtete Ofenabschaltung. Nicht zuletzt bei auftretenden Anlagenstörungen verhindern die langsamen Reglerparameter des Durchflussreglers FC ein wirksames und schnelles Eingreifen der Regelung.
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Gegen zu hohe Druckanstiege ist das System durch den Fackelregler PC2 abgesichert, der die Regelarmatur Z2 sofort öffnet und Restgas 5 zu einer Fackel (nicht dargestellt) leitet, sobald der Druck im Pufferbehälter P seinen Sollwert um typischerweise mehr als 50mbar überschreitet.
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Wird die Anlage in Unterlast betrieben, sinkt die dem Brennersystem B zuführbare Restgasmenge 3, und die Druckabfälle über die Festwiderstände in der Brenngasleitung 4 zwischen Pufferbehälter P und Dampfreformer S reduzieren sich entsprechend. Damit der Restgasdruck im Pufferbehälter P auch unter diesen Bedingungen konstant gehalten werden kann, muss der Strömungswiderstand der Regelarmatur Z1 erhöht werden, was durch die Verlegung des Arbeitspunktes in die Nähe der Geschlossen-Stellung erfolgt. In dieser Position ist der Zusammenhang zwischen Stellungs- und Durchflussänderung ausgeprägt nichtlinear, so dass bereits minimale spontane Stellungsänderungen der Regelarmatur Z1 zu erheblichen Änderungen des Brenngasstroms 4 und Druckschwankungen im Brennraum führen, die ihrerseits eine Abschaltung des Brennersystems B und damit eine Unterbrechung der Wasserstofferzeugung zur Folge haben können.
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Durch eine Verringerung des Drucks im Pufferbehälter P gegenüber dem Stand der Technik ist es zwar möglich, den Regenerierdruck der DWA D abzusenken und die Reinwasserstoffausbeute aufgrund des dann geringeren Bedarfs an Regeneriergas zu steigern. Dies führt jedoch zu einer Verminderung der gespeicherten Gasmenge und - aufgrund des geringeren Pufferdrucks - zu größeren relativen Druckschwankungen. Durch eine Vergrößerung des Pufferbehälters kann dem entgegengewirkt werden, allerdings steigen dadurch die Investitionskosten für die Anlage an und die Wirtschaftlichkeit der Wasserstofferzeugung verringert sich.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, das es erlaubt, die sich bei einer Absenkung des Regenerierdrucks nach dem Stand der Technik ergebenden Schwierigkeiten zu überwinden.
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Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Regelarmatur durch Vorgabe eines von der Last der Druckwechseladsorptionsanlage bestimmten Stellwerts an einen Arbeitspunkt positioniert wird, wobei der Druck im Pufferbehälter in einem definierten Bereich liegt.
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Unter einem Arbeitspunkt ist dabei eine Stellung der Regelarmatur zu verstehen, in der das Brenngas mit einem der Last der DWA entsprechenden Massenstrom aus dem Pufferbehälter zum Brenner strömt und der Druckabfall über die Regelarmatur, die zu Regelungszwecken um den Arbeitspunkt herumbewegt wird, in einem Bereich liegt, der eine störungsfreie Ausführung der Regelaufgabe zulässt.
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Um den Stellwert für die Regelarmatur zu bestimmen, wird die Last der DWA in zeitlichen, gewöhnlich im Sekundenbereich liegenden Abständen gemessen und über mehrere aufeinander folgende Messwerte gemittelt. Zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lastermittlungen bleibt der Stellwert unabhängig von der tatsächlichen Last der DWA unverändert. Um kurzzeitige, im Sekundenbereich liegende Druckschwankungen des Restgases kompensieren zu können, wird die bevorzugt als Regelklappe ausgeführte und mit einem fernbetätigten Antrieb sowie einer Stellungsrückmeldung ausgestattete Regelarmatur sinnvollerweise über einen Durchflussregler angesteuert, dem entsprechend schnelle Regelparameter gesetzt sind.
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Zur Ermittlung der Last der DWA kann die aktuelle Restgasmenge bestimmt und beispielsweise mit der Restgasmenge bei Nennlast verglichen werden. Da eine direkte Messung der Restgasmenge gewöhnlich nur mit erheblichen Fehlern möglich ist, wird die aktuelle Restgasmenge sinnvollerweise nicht direkt gemessen, sondern aus der Menge des der DWA zuströmenden Synthesegases und der bekannten Ausbeute der DWA berechnet. Vorzugsweise wird jedoch zur Ermittlung der DWA-Last die Menge des der DWA zuströmenden Synthesegases ermittelt und mit der Synthesegasmenge bei Nennlast verglichen.
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Der Stellwert wird der Regelarmatur sinnvollerweise so vorgegeben, dass sich über den gesamten Lastbereich der DWA im Pufferbehälter ein Druck einstellt, dessen zeitlicher Mittelwert geringer ist, als im Stand der Technik, so dass sich eine Reduzierung des Regenerierdrucks der DWA gegenüber dem Stand der Technik ergibt. Vorzugsweise liegt der zeitliche Mittelwert des Drucks zwischen 100 und 250mbar(g).
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Der Zusammenhang zwischen der Last der DWA und dem Stellwert für die Regelarmatur ist charakteristisch für die Produktionsanlage, deren Teil die DWA ist. Er muss experimentell oder durch Simulation ermittelt werden und wird vorzugsweise als Kurve oder Tabelle elektronisch oder anderweitig hinterlegt.
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Größe und Lage des definierten Bereichs, in dem sich der Druck im Pufferbehälter bewegen kann, sind ebenfalls von der Charakteristik der Produktionsanlage und deren Betriebsbedingungen abhängig und werden dem System fest vorgegeben. Sie werden so gewählt, dass ein stabiler Anlagenbetrieb gewährleistet ist, solange sich der Druck im Pufferbehälter in dem definierten Bereich befindet. Insbesondere dann, wenn das zu zerlegende Synthesegas in einem brennerbefeuerten Dampfreformer erzeugt wird, zu dessen Beheizung das Restgas dient, liegt die untere Grenze des definierten Druckbereichs zwischen 50 und 150mbar(g) und die obere Grenze zwischen 200 und 300 mbar(g).
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist über den gesamten Lastbereich der DWA ein hydraulischer Abgleich der Regelstrecke zwischen dem Ausgang des Pufferbehälters und der Mündung des Brenners möglich. Vorzugsweise wird der hydraulische Abgleich so durchgeführt, dass der maximale Druckverlust über die Regelarmatur weniger als 70%, und besonders bevorzugt weniger als 50% des Gesamtdruckabfalls über die Regelstrecke beträgt. Kurze, im Sekundenbereich liegende Druckschwankungen im Pufferbehälter, wie sie etwa beim Umschalten zwischen den Adsorbern der DWA auftreten, können daher beispielsweise über einen auf die Regelarmatur einwirkenden, mit deutlich schnelleren Regelparametern als im Stand der Technik betriebenen Durchflussregler auch im unteren DWA-Lastbereich effektiv ausgeregelt werden. Dies ist in einem Konzept nach dem Stand der Technik bisher nicht möglich, da durch den hohen Druckabfall der Regelarmatur das System insbesondere bei einem Betrieb mit niedriger Last bereits bei geringen Stellungsänderungen empfindlich gestört wird.
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Die Regelarmatur weist dabei zweckmäßigerweise über den gesamten Lastbereich der DWA in ihrem jeweiligen Arbeitspunkt ausreichend Abstand zu ihren Endlagen auf. Um insbesondere ausreichend Spielraum für Eingriffe eines zur Kompensation von kurzzeitigen Druckschwankungen im Pufferbehälter eingesetzten Durchflussreglers zu haben, ist die Regelarmatur bei Volllastbetrieb in ihrem Arbeitspunkt bevorzugt zu 70 bis 90% geöffnet, wobei der Druck im Pufferbehälter einen Abstand von 30 bis 50mbar zum oberen Ende des definierten Bereichs aufweist. Während des Betriebs mit minimaler Last ist der Druck im Pufferbehälter 30 bis 50mbar vom unteren Ende des definierten Bereichs entfernt, und die Regelarmatur ist zu 20 bis 40% geöffnet.
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Solange er den definierten Druckbereich nicht verlässt, stellt der Druck im Pufferbehälter keine Regelgröße dar. Zumindest bei unveränderter Last der DWA verbleibt die Regelarmatur unter diesen Bedingungen an ihrem Arbeitspunkt. Erst wenn der Druck die Grenzen des definierten Bereichs erreicht, werden zusätzliche Hoch- bzw. Tiefdruckregler aktiv.
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Das vorgeschlagene Verfahren kann auf unterschiedliche Arten verwirklicht werden. Vorzugsweise wird die Stellung der Regelarmatur über einen Durchflussregler verändert, der mit einem Stellungs-Analyseregler gekoppelt ist. Der Stellungs-Analyseregler, dem der von der Last der DWA abhängige, aus der hinterlegten Kurve oder Tabelle entnommene Arbeitspunkt als Stellwert vorgegeben wird, vergleicht diesen mit dem Stellungs-Istwert der Regelarmatur und ermittelt aus der Abweichung der beiden Werte einen Sollwert für den Durchflussregler. Ist der Arbeitspunkt für die Regelarmatur kleiner als der Stellungs-Istwert, die Regelarmatur also weiter geöffnet, als gefordert, wird der momentan gültige Sollwert für den Durchflussregler reduziert, so dass die Regelarmatur in Schließrichtung fährt. Ergibt die Stellungsanalyse dagegen, dass die Regelarmatur aktuell zu weit geschlossen ist, wird dem Durchflussregler ein höherer Sollwert vorgegeben, wodurch sich die Regelarmatur weiter öffnet. Über den Durchflussregler werden auch kurzfristige Druckschwankungen im Pufferbehälter kompensiert, wozu ihm deutlich schnellere Regelparameter gesetzt werden, als dem Stellungs-Analyseregler.
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Eine andere Möglichkeit besteht darin, auf den Stellungs-Analyseregler zu verzichten und stattdessen den Durchflussregler über einen Druckregler anzusteuern, der den Druck im Pufferbehälter überwacht und dem sein Sollwert aus der hinterlegten Kurve oder Tabelle in Abhängigkeit von der aktuellen Last der DWA als Stellwert vorgegeben wird. Der Sollwert für den Druckregler kann auch über eine lastabhängige Rechnung ermittelt werden, in die beispielsweise der gewünschte Druckabfall über die Regelarmatur eingeht.
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Damit der Druck im Pufferbehälter in jedem Betriebszustand der Anlage, besonders aber in Sonderbetriebs- und Störfällen in einem begrenzten Bereich gehalten werden kann, wird der Einsatz eines Hoch- und eines Tiefdruckreglers vorgeschlagen.
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Überschreitet der Druck im Pufferbehälter die obere Grenze des definierten Druckbereichs, wird durch den Hochdruckregler eine Leitung geöffnet, über die Restgas aus dem Pufferbehälter abströmen kann. Der Hochdruckregler hält die Leitung solange geöffnet, bis der Druck im Pufferbehälter die obere Grenze des definierten Druckbereichs wieder unterschreitet. Bevorzugt handelt es sich bei der Leitung um eine Verbindungsleitung zu einer Fackel, in der das aus dem Pufferbehälter abströmende Restgas durch Verbrennung entsorgt wird.
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Der Pufferbehälter wird insbesondere bei Teillast der DWA mit einem nur wenig über dem Umgebungsdruck liegenden Druck und entsprechend reduzierter Speicherwirkung betrieben. Um sicherzustellen, dass der Pufferbehälter in allen Betriebszuständen sinnvoll als Mengenspeicher genutzt werden kann, ist daher vorgesehen, durch einen Tiefdruckregler eine Leitung zu öffnen, über die ein brennbares Gas in den Pufferbehälter eingeleitet wird, sobald der Druck des Restgases die untere Grenze des definierten Druckbereichs unterschreitet. Der Tiefdruckregler hält die Leitung solange geöffnet, bis der Druck im Pufferbehälter die untere Grenze des definierten Bereichs wieder überschreitet. Bevorzugt handelt es sich bei Leitung um eine Bypass-Leitung, über die Synthesegas oder ein durch Zerlegung von Synthesegas erhaltenes Gasgemisch wie z.B. Rohwasserstoff stromaufwärts der DWA abgezweigt und im Bypass zu dieser in den Pufferbehälter eingeleitet wird. Die direkte Zuführung von Synthesegas bzw. Rohwasserstoff in den Pufferbehälter erlaubt es, bei einer Störung der DWA und einer daraus resultierenden Unterbrechung der Restgaszufuhr, das gesamte im Pufferbehälter vorliegende Restgas zu nutzen. Dadurch steht für die Bereitstellung eines Ersatzgases aus einer externen Brenngasquelle eine im Vergleich zum Stand der Technik erheblich längere Zeit zur Verfügung.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
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Die 2 zeigt eine Produktionsanlage für Wasserstoff mit einem brennerbefeuerten Dampfreformer zur Erzeugung von Synthesegas, sowie einer Druckwechseladsorptionsanlage, deren Restgas gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung zur Beheizung des Dampfreformers eingesetzt wird. Gleiche Anlagenteile und Stoffströme wie in 1 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Aus dem mit einem brennerbefeuerten Dampfreformer S ausgestatteten Wasserstofferzeuger A wird der aus einem Synthesegas abgetrennte Rohwasserstoff 1 zur Druckwechseladsorptionsanlage D geführt, um Reinwasserstoff 2 und ein Restgas 3 zu erhalten, das im Pufferbehälter P zwischengespeichert und anschließend den Brennern B des Dampfreformers S als Brenngas 4 zugleitet wird.
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Zur Regelung des Brenngasstroms 4 wird im Normalbetrieb der Anlage die Stellung der Regelarmatur Z1 über den Durchflussregler FC verändert, der mit einem Stellungs-Analyseregler ZC gekoppelt ist. Um eine höhere Genauigkeit zu erreichen, kann der Istwert 7 für den Brenngasdurchfluss mit der aktuellen Brenngasdichte 10 korrigiert werden, die mit Hilfe des Dichteanalysators Ql ermittelt wird. Der Stellungs-Analyseregler ZC, dem der von der Last der Druckwechseladsorptionsanlage D abhängige, aus einer hinterlegten Kurve oder Tabelle entnommene Arbeitspunkt für die Regelarmatur Z1 als Stellwert 8 vorgegeben wird, vergleicht diesen mit dem Stellungs-Istwert der Regelarmatur Z1 und ermittelt aus der Abweichung der beiden Werte einen Sollwert 9 für den Durchflussregler FC. Ist der Arbeitspunkt für die Regelarmatur Z1 kleiner als der Stellungs-Istwert, die Regelarmatur Z1 also weiter geöffnet, als gefordert, wird der momentan gültige Sollwert für den Durchflussregler FC reduziert, so dass die Regelarmatur Z1 in Schließrichtung fährt. Ergibt die Stellungsanalyse dagegen, dass die Regelarmatur Z1 aktuell zu weit geschlossen ist, wird dem Durchflussregler FC ein höherer Sollwert vorgegeben, wodurch sich die Regelarmatur Z1 weiter öffnet. Dem Durchflussregler FC sind schnelle Regelparameter gesetzt, so dass er in der Lage ist, durch kurzfristige Druckschwankungen im Pufferbehälter P verursachte Durchflussänderungen des Brenngases 4 zu kompensieren. Der Druck im Pufferbehälter P stellt im Normalbetrieb keine Regelgröße dar und kann in einem definierten Bereich, der sich vorzugsweise zwischen 100 und 250mbar(g) erstreckt, frei schwanken.
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Um den Druck im Pufferbehälter P in jedem Betriebszustand, besonders aber in Sonderbetriebs- und Störfällen im definierten Bereich zu halten, ist die Anlage mit einem Hoch- PC2 und einem Tiefdruckregler PC3 ausgeführt.
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Überschreitet der Druck im Pufferbehälter P die obere Grenze des definierten Druckbereichs, wird durch den Hochdruckregler PC2 das Absperrorgan Z2 geöffnet, so dass Restgas aus dem Pufferbehälter P über die Fackelleitung 5 zu einer Fackel (nicht dargestellt) strömen kann, wo es durch Verbrennung entsorgt wird. Der Hochdruckregler PC2 hält die Fackelleitung 5 solange geöffnet, bis der Druck im Pufferbehälter P die obere Grenze des definierten Druckbereichs wieder unterschreitet.
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Unterschreitet der Druck im Pufferbehälter P die untere Grenze des definierten Druckbereichs, wird durch den Tiefdruckregler PC3 das Absperrorgan Z3 geöffnet, so dass Rohwasserstoff 1 über die Leitung 6 im Bypass zur Druckwechseladsorptionsanlage D direkt in den Pufferbehälter P eingeleitet wird. Der Tiefdruckregler PC3 hält die Leitung 6 solange geöffnet, bis der Druck im Pufferbehälter P die untere Grenze des definierten Bereichs wieder überschreitet oder ein Ersatzgas für das Restgas 3 aus einer externen Quelle bereitgestellt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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