DE102008002531A1 - Vorrichtung für das Mischen von Flüssigkeit und Dampf sowie Verfahren für das Verdampfen eines Fluids mit der Mischung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren für das Verdampfen eines Fluids, insbesondere Erdgas im verflüssigten oder überkritischen Zustand. Die Temperatur des zu verdampfenden Fluids ist gering, und zwar insbesondere geringer als -50°C. Wenn nachfolgend von flüssigem Gas die Rede ist, ist damit auch der überkritische Zustand gemeint. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, die für das Verdampfen eingesetzt wird. Aufgabe der Erfindung ist es, kostengünstig flüssiges Gas zu verdampfen und dafür eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Verfügung zu stellen. Zur Lösung der Aufgabe wird durch Wärmeaustausch Wärme von einer im Kreislauf geführten Flüssigkeit auf das zu verdampfende Fluid, und zwar insbesondere auf LNG übertragen. Nach dem Austausch von Wärme wird ein Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit verdampft. Der verdampfte Teil wird mit dem anderen Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit gemischt und so die im Kreislauf geführte Flüssigkeit insgesamt erwärmt. Die nun insgesamt erwärmte, im Kreislauf geführte Flüssigkeit wird im Anschluss wieder dazu genutzt, Wärme mit dem zu verdampfenden Fluid auszutauschen, um so das zu verdampfende Fluid zu verdampfen.

Description

  • Erfindung betrifft ein Verfahren für das Verdampfen eines Fluids, insbesondere Erdgas im verflüssigten oder überkritischen Zustand. Die Temperatur des zu verdampfenden Fluids ist gering und zwar insbesondere geringer als –50°C. Wenn nachfolgend von flüssigem Gas die Rede ist, kann damit auch der überkritische Zustand gemeint sein. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung, die für das Verdampfen eingesetzt wird.
  • Erdgas wird bei sehr tiefen Temperaturen von typischerweise –160°C beispielsweise mit Schiffen transportiert. Um am Zielort Flüssigerdgas – nachfolgend LNG genannt – nutzen zu können, ist es erforderlich, dieses zu verdampfen, wie beispielsweise der Druckschrift WO 98/59085 zu entnehmen ist. LNG kann einem Druck ausgesetzt sein, welches dem atmosphärischem Druck entspricht. Zu verdampfendes LNG kann aber auch Drucken von 80 bis 140 bar ausgesetzt sein und sich damit im überkritischen Zustand befinden.
  • Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Rohrbündelwärmetauscher für das Verdampfen von LNG einzusetzen. Befindet sich der Wärmetauscher auf einem Schiff, so wird mit Meerwasser Energie zugeführt, um LNG zu verdampfen. Problematisch an diesem Stand der Technik ist, dass Meerwasser einzufrieren droht.
  • Aus der Druckschrift JP 08338692 A ist bekannt, einen Open Rack Vaporizer (OVR) für das Verdampfen von LNG einzusetzen. In einem OVR wird das zu verdampfende Fluid in einem senkrecht aufgestellten Rohr nach oben gepumpt. Entgegengesetzt wird ein beispielsweise aus Meerwasser bestehender Flüssigkeitsfilm außen am Rohr hinunter geleitet. Nachteilhaft muss das Wasser mit Chlor versetzt werden, um zu verhindern, dass sich Ablagerungen am Rohr bilden. Problematisch ist, dass nach Rückführung des Wassers in das Meer das Chlor wieder entfernt werden muss. Außerdem besteht auch hier ein Einfrierrisiko. In einigen Staaten ist die Verwendung eines ORV’s für das Verdampfen von LNG nicht erlaubt oder aber das Meerwasser sowie die gesamte Anlage muss behandelt werden, um Algen und Kleinlebewesen wie Muscheln abzutöten. Es bestehen also auch juristische Probleme, LNG mit einem OVR zu verdampfen.
  • Die Internetseite http://aiche.confex.com/aiche/s06/preliminaryprogram/abstract_43676.htm offenbart, einen Submerged Combustion Vaporizer (SCV) für das Verdampfen von LNG zu verwenden. Wärmetauscherrohre, durch die das LNG hindurch geleitet wird, befinden sich in einem Wasserbad. Ein Teil des so gewonnenen brennbaren Erdgases wird verwendet, um das Wasserbad zu heizen. Durch die Verbrennung entstehendes Abgas wird durch das Wasserbad hindurch geleitet. Das im Wasserbad befindliche Wasser wird so bewegt und durchmischt. Außerdem heizt das heiße Abgas das Wasser auf. Nachteilhaft ist, dass das Wasser durch die Behandlung zunehmend saurer wird, der pH-Wert also abnimmt. Das Wasser muss deshalb nach einiger Zeit neutralisiert werden. Außerdem wird Produktgas benötigt, um LNG zu verdampfen. Wie bereits der genannten Internetseite zu entnehmen ist, ist dieses Verfahren außerdem mit Emissionsproblemen aufgrund der Verbrennung verbunden.
  • Aus der Druckschrift WO 2007/104076 A1 ist bekannt, LNG indirekt mit im Kreislauf geführtem Propan oder einem anderen Fluid zu beheizen, welches einen tiefen Gefrierpunkt aufweist. Verdampfung infolge einer externen Energiezufuhr zum Fluid und Kondensation des Fluids werden ausgenutzt, um so LNG zu verdampfen. Das Propan wird extern beheizt, um dieses zu verdampfen, beispielsweise mit einer elektrischen Heizung. Im Fall der Übertragung von Wärme in einem Wärmetauscher durch Kondensation von Dampf müssen relativ große Wärmeübertragungsflächen bereitgestellt werden, um den erforderlichen Wärmeaustausch zu erzielen. Allerdings sind die dann erforderlichen Wärmeübertragungsflächen bereits deutlich kleiner im Vergleich zu dem Fall, dass Wärme allein durch Abkühlung eines Fluids in einem Wärmeaustauscher übertragen wird. Entsprechend teuer und voluminös ist eine solche technische Lösung. Problematisch ist ferner, dass für den Betrieb eines Wärmetauschers regelmäßig maximale Temperaturdifferenzen zu beachten sind, die zwischen den im Wärmetauscher befindlichen Medien auftreten dürfen, um den Wärmetauscher nicht zu beschädigen.
  • Wird Energie allein mit Hilfe von flüssigem, im Kreislauf geführten Propan zugeführt, so müssen große Volumenströme umgewälzt werden, um die erforderliche Energiemenge von Propan auf LNG zu übertragen. Es kann dann nicht ausgenutzt werden, dass große Mengen an Wärmenergie in Form von latenter Wärme aufgrund eines Phasenübergangs gespeichert bzw. freigesetzt werden kann.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, kostengünstig flüssiges Gas zu verdampfen und dafür eine besonders vorteilhafte Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird durch Wärmeaustausch Wärme von einer im Kreislauf geführten Flüssigkeit auf das zu verdampfende Fluid und zwar insbesondere auf LNG übertragen. Nach dem Austausch von Wärme wird ein Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit verdampft. Der verdampfte Teil wird mit dem anderen Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit gemischt und so die im Kreislauf geführte Flüssigkeit insgesamt erwärmt. Die nun insgesamt erwärmte, im Kreislauf geführte Flüssigkeit wird im Anschluss wieder dazu genutzt, Wärme mit dem zu verdampfenden Fluid auszutauschen, um so das zu verdampfende Fluid hinreichend zu erwärmen. Das zu verdampfende Fluid weist Temperaturen auf, die wesentlich unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser liegen, selbst wenn das Wasser Zusätze aufweisen sollte, die den Gefrierpunkt erniedrigen. Die Temperatur des zu verdampfenden Fluids beträgt daher anfänglich insbesondere weniger als –50°C.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt aus, Energie in Form von latenter Wärme zu speichern und freizusetzen. Dadurch wird erreicht, dass die für den Wärmeaustausch benötigte Flüssigkeitsmenge wesentlich geringer sein kann im Vergleich zu dem Fall, dass ausschließlich Flüssigkeit zwecks Wärmeübertragung im Kreislauf geführt wird. Das Volumen einer für die Verdampfung eingesetzten Vorrichtung kann daher vergleichsweise klein sein. Es müssen nur relativ kleine Pumpleistungen beim erfindungsgemäßen Verfahren aufgewendet werden, da relativ wenig Flüssigkeit im Kreislauf geführt werden muss. Rohrdurchmesser für die Führung der im Kreislauf geführten Flüssigkeit können relativ klein sein. Insgesamt ergeben sich so erhebliche Kosteneinsparungen im Vergleich zu dem Fall, dass ausschließlich Flüssigkeit im Kreislauf geführt wird, um damit die für eine Verdampfung benötigte Wärme zu übertragen.
  • Indem verdampfte Flüssigkeit mit Flüssigkeit gemischt wird, wird vermieden, dass große und teure Wärmeübertragungsflächen bereitgestellt werden müssen, um einem Dampf eine große Wärmemenge zu entziehen. Da Flüssigkeit beispielsweise in einen Wärmetauscher für das Verdampfen eines Fluids eingeleitet wird, besteht auch nicht das Problem, dass es eine relevante Untergrenze der Temperatur gibt, die nicht unterschritten werden kann. Denn die Temperatur der Flüssigkeit kann im relevanten Temperaturbereich frei eingestellt werden. Dies ist im Fall von Dampf regelmäßig nicht möglich. Denn wird ein Dampf in einen Wärmetauscher eingeleitet, kondensiert dieser bei der druckabhängigen Kondensationstemperatur. Bei Unterschreiten der druckabhängigen Kondensationstemperatur würde sich Dampf verflüssigen. Es lassen sich daher durch zulässige Temperaturdifferenzen zwischen zwei Stoffströmen mit Hilfe der Erfindung technische Probleme leicht vermeiden, die bei einem Wärmetauscher aufgrund von zu hohen Temperaturdifferenzen und daraus resultierenden unzulässigen Werkstoffbelastungen zwischen zwei eingeleiteten Fluiden auftreten können.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird eine Flüssigkeit im Kreislauf geführt, die erst bei einer derart tiefen Temperatur gefriert, dass nicht zu befürchten steht, dass die im Kreislauf geführte Flüssigkeit gefriert, wenn Wärme mit dem zu verdampfenden Fluid ausgetauscht wird. Der Schmelzpunkt der im Kreislauf geführten Flüssigkeit beträgt daher in einer Ausführungsform der Erfindung weniger als –100°C, vorzugsweise weniger als –150°C.
  • Propan mit einem Schmelzpunkt von –187,7°C ist daher bevorzugt im Kreislauf zu führen. Eine Vereisung des Propans ist ausgeschlossen, wenn LNG verdampft wird, welches zuvor auf typische Temperaturen von zum Beispiel –160°C abgekühlt wurde. Verlässt das flüssige Propan einen Wärmetauscher, so ist es dann typischerweise ca. –135°C kalt. Bei dieser Temperatur gefriert Propan nicht, selbst wenn Propan einem Druck von 3 bis 4 bar ausgesetzt wird. Flüssiges Propylen eignet sich ebenfalls als Fluid, welches im Kreislauf geführt wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird die im Kreislauf zu führende Flüssigkeit auf eine Temperatur von –10°C bis –30°C erwärmt, bevor diese Flüssigkeit für die Verdampfung des zu verdampfenden Fluids eingesetzt wird. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn es sich bei dem zu verdampfenden Fluid um LNG handelt. Bei dieser Auswahl ist regelmäßig sichergestellt dass ein für die Verdampfung eingesetzter Wärmetauscher nicht zu großen Temperaturdifferenzen ausgesetzt wird. Auch ist es möglich, beispielsweise Propan auf diese Temperatur zu erwärmen und durch Vorsehen eines geeigneten Drucks von insbesondere 3 bar bis 4 bar sicherzustellen, dass Propan bei dieser Temperatur flüssig ist.
  • Beispielsweise wird ein Plattenwärmetauscher eingesetzt, um Wärme von der im Kreislauf zu führenden Flüssigkeit auf das zu verdampfende Fluid zu übertragen. Ein Plattenwärmetauscher kann vergleichsweise klein sein.
  • Um die im Kreislauf zu führende Flüssigkeit im Kreislauf zu führen, wird vorzugsweise im Anschluss an die Übertragung von Wärme auf das zu verdampfende Fluid und vor einer Erwärmung der Flüssigkeit eine Pumpe angeordnet, die den Transport der im Kreislauf zu führenden Flüssigkeit bewirkt. Verlässt die im Kreislauf geführte Flüssigkeit einen Wärmetauscher, der für die Wärmeübertragung auf ein zu verdampfendes Fluid eingesetzt wurde, und ist die Flüssigkeit noch nicht wieder erwärmt worden, so enthält die Flüssigkeit besonders zuverlässig keine dampfförmigen Bestandteile. Es werden so besonders zuverlässig Nachteile vermieden, die beim Pumpen auftreten können, wenn Dampf in eine Pumpe gelangt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung wird im Anschluss an die Verdampfung eines Teils der im Kreislauf zu führenden Flüssigkeit mit dem anderen Teil der Flüssigkeit Wieder vereinigt, indem entweder die Flüssigkeit zerstäubt und in den Dampf eingeleitet oder aber der Dampf in Form von einer Vielzahl von Blasen in die Flüssigkeit eingeleitet wird. Bei dieser Ausführungsform werden besonders große Kontaktflächen zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf genutzt. Je größer solche Kontaktflächen sind, um so schneller kann Wärme zwischen denn Dampf und der Flüssigkeit ausgetauscht werden. Je schneller dieser Wärmeaustausch abgeschlossen ist, um so schneller kann die im Kreislauf zu führende Flüssigkeit dazu genutzt werden, um das zu verdampfende Fluid zu verdampfen. Je schneller die im Kreislauf zu führende bzw. geführte Flüssigkeit dazu genutzt werden kann, um das zu verdampfende Fluid zu verdampfen, umso preiswerter kann verdampft werden.
  • Werden Dampfblasen in eine Flüssigkeit eingeleitet, so entstehen Turbulenzen, die die Wärmeübertragung von dem Dampf auf die Flüssigkeit unterstützen. Daher ist besonders zu bevorzugen, dass Dampf bzw. Gas in Form von Blasen in die Flüssigkeit eingeleitet wird, um die vorgenannte gewünschte Übertragung von Wärme zu erreichen.
  • Um den Dampf in die Flüssigkeit in Form von kleinen Bläschen einzuleiten, werden in einer Ausführungsform der Erfindung perforierte Rohre eingesetzt. Durch die Perforierungen hindurch wird der Dampf in die Flüssigkeit eingeleitet. Hierdurch wird einfach und preiswert erreicht, dass der Dampf in Form von vielen kleinen Blasen in die Flüssigkeit eingeleitet wird. Dies trägt aus oben genannten Gründen dazu bei, kostengünstig verdampfen zu können. Ein typischer, geeigneter Durchmesser der Löcher der Perforierungen liegt bei 2 bis 5 mm.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung werden ein oder mehrere doppelwandige Rohre mit perforierten Innenwänden vorgesehen, um Dampf mit Flüssigkeit zu mischen. In das Innenrohr eines solchen doppelwandigen Rohres wird der Dampf oder die Flüssigkeit eingeleitet und entsprechend umgekehrt die Flüssigkeit oder der Dampf in den Ringspalt zwischen den beiden Wänden des Rohres. Der in das doppelwandige Rohr eingeleitete Dampf wird durch die Perforierungen hindurch in die Flüssigkeit gepumpt. Bei dieser Ausführungsform kann platzsparend Wärme vom Dampf auf die Flüssigkeit mit einem besonders hohen Wirkungsgrad übertragen werden. Insbesondere ist zu bevorzugen, dass Dampf in das Innenrohr eingeleitet und in den Ringspalt durch die Perforierungen hindurch gepumpt wird, um sich in dem Ringspalt mit der hier eingeleiteten Flüssigkeit zu vermischen und so Wärme zu übertragen. Durch diese zuletzt beschriebene Ausführungsform wird besonders gut erreicht, dass Dampf sich nicht schwerkraftbedingt in einem oberen Rohrbereich sammelt und so ein schneller Wärmeaustausch verhindert wird.
  • Ein bewährter Abstand zwischen zwei Wänden eines doppelwandigen Rohres beträgt typischerweise 40 mm bis 80 mm.
  • Wird der Dampf mit höherem Druck in ein doppelwandiges Rohr im Vergleich zur Flüssigkeit gepumpt, so wird erreicht, dass der Dampf durch die Perforierung hindurch in die Flüssigkeit eintritt und nicht umgekehrt. Ziel des Verfahrens ist es dann insbesondere, bei hohen Durchsätzen der zu dispergierenden Phase kleine Dampfblasen mit großer spezifischer Phasengrenzfläche zu erzeugen (Strahlengasen). Je nach Öffnungsdurchmesser der Bohrung wird die dimensionslose WEBER- bzw. modifizierte FROUDE-Zahl als Kriterium für die Sekundärpartikelbildung genutzt. Die WEBER-Zahl beschreibt das Verhältnis von Trägheitskraft zu Oberflächenkraft, während die FROUDE-Zahl das Verhältnis von Trägheitskraft zu Schwerkraft darstellt. Die kritische WEBER- bzw. FROUDE-Zahl stellt gleichzeitig eine wichtige Betriebskenngröße für Lochböden dar. Ist die WEBER-Zahl wenigstens 2 bei einer FROUDE-Zahl von wenigstens 0,37, so werden eine gleichmäßige Durchströmung des Lochbodens und das Eindringen von flüssiger Phase in den Gasraum vermieden (Durchregnen). Bewährt hat sich daher ein Betrieb mit einer Weberzahl von wenigstens 2 und einer Fonduezahl von wenigstens 0,37.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung nimmt in Strömungsrichtung des Dampfes die Löcherdichte einer perforierten Wand ab, wenn auf der anderen Seite der Wand die Flüssigkeit in gleicher Richtung fließt. Gelangt nämlich Dampf durch die Löcher hindurch in die Flüssigkeit, so erwärmt sich die Flüssigkeit in Strömungsrichtung zunehmend. Je wärmer die Flüssigkeit wird, um so länger muss ein Dampf- bzw. Gasbläschen in der Flüssigkeit mitgeführt werden, ehe das mitgeführte Dampfbläschen kollabiert. Durch die abnehmende Löcherdichte wird erreicht, dass sich nicht derart viele Dampfbläschen in einem Flüssigkeitsvolumen zeitgleich befinden, dass diese Dampfbläschen sich vereinigen und ein weiterer effektiver Wärmeaustausch verhindert wird, wenn die Temperatur der Flüssigkeit zu stark ansteigt. Vorteilhaft wird die Verteilung der Löcher so gewählt und das Verfahren so durchgeführt, dass die Flüssigkeit während der Einleitung von Dampf eine Temperatur aufweist, die wenigstens 10°C unterhalb des Siedepunktes liegt. Durch die Einhaltung dieser Temperaturobergrenze wird Vermieden, dass sich Dampfbläschen in der Flüssigkeit nachteilhaft vereinigen.
  • Nimmt die Zahl und/oder der Durchmesser der Löcher entlang der Strömungsrichtung ab, so liegt eine Abnahme der Löcherdichte vor. Die Löcherdichte nimmt insbesondere logarithmisch und zwar besonders bevorzugt gemäß einem natürlichen Logarithmus ab, um Beschleunigungsdruckverluste zu minimieren. Dies Ausführungsform der Erfindung trägt dazu bei, erforderliche Pumpleistungen zu minimieren.
  • Um eine gleichförmige Dampfverteilung zu erzielen, wird der Dampf in einer Ausführungsform der Erfindung von einem Rohr sternförmig zu den doppelwandigen Rohren gepumpt. Auf diese Weise kann eine optimale Gasverteilung auf eine Mehrzahl von eingesetzten doppelwandigen Rohren bei minimalem Platzbedarf erreicht werden. Der Wirkungsgrad des Wärmeaustausches wird so weiter gesteigert. Von einer zentralen Zuführung ausgehend ist die weitere sternförmige Zuführung so, dass stets die gleich Wegstrecke zurückgelegt wird, um in ein doppelwandiges Rohr zu gelangen. Sind die Strömungsquerschnitte der sternförmigen Zuführungen gleich, so liegen grundsätzlich übereinstimmende Druckverhältnisse in den doppelwandigen Rohren vor, was zu bevorzugen ist.
  • Um einen optimalen Wärmeaustausch sicherzustellen, werden zwei doppelwandige Rohre mit perforierten inneren Wänden in Strömungsrichtung mit einem Rohr verbunden, welches im Inneren Umlenkeinrichtungen aufweist. Doppelwandige Rohre werden so zusammengefasst, weil der in ein doppelwandiges Rohr eingeleitete Dampf nach Verlassen des Rohres vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig kollabiert ist und somit der Platzbedarf für den weiteren Transport deutlich verringert worden ist.
  • Durch die Umlenkeinrichtungen wird die im Kreislauf geführte Flüssigkeit noch einmal verwirbelt, um so noch einmal sicherzustellen, dass das Gas vollständig in den flüssigen Zustand überführt wird. Um eine besonders kleine Bauweise zu ermöglichen, handelt es sich bei dem Rohr wieder um ein doppelwandiges Rohr. Die Flüssigkeit wird zunächst dem inneren Rohr zugeführt, in dem die Umlenkeinrichtungen untergebracht sind. Nach Passieren des inneren Rohres gelangt die Flüssigkeit in den Ringspalt. Auf diese Weise kann konstruktiv auf besonders platzsparende Weise erreicht werden, dass einer Vorrichtung für das Erwärmen der im Kreislauf geführten Flüssigkeit auf einer Stirnseite die im Kreislauf zu führende Flüssigkeit zugeleitet und auf einer anderen Stirnseite heraus geleitet wird.
  • Gibt es mehrere Rohre mit Umlenkeinrichtungen, so werden diese schließlich in einer Ausführungsform zu nur einem Rohr in Strömungsrichtung zusammengefasst. Durch dieses Rohr gelangt die im Kreislauf zu führende Flüssigkeit in einen Wärmetauscher, in den auch das zu verdampfende Fluid entgegengesetzt eingeleitet wird. Im Wärmetauscher wird Wärme von der im Kreislauf geführten Flüssigkeit auf das zu verdampfende Fluid übertragen.
  • Um ein Teil der im Kreislauf zu führenden Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand zu überführen, wird in einer Ausführungsform der Erfindung ein Wärmetauscher eingesetzt und zwar bevorzugt ein Plattenwärmetauscher. Ein Plattenwärmetauscher hat kleine Dimensionen und große Übertragungsflächen. Die Energie für die Überführung in die Dampfphase erfolgt beispielsweise durch insbesondere entgegengesetzte Zufuhr von Wasser, beispielsweise Meerwasser oder Abwasser in den Plattenwärmetauscher.
  • Um besonders zuverlässig zu vermeiden, dass der für das Verdampfen von der Flüssigkeit, die im Kreislauf geführt wird, eingesetzte Wärmetauscher nicht vereist, wird der zu verdampfende Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit in einer Ausführungsform der Erfindung vorgewärmt. Dies geschieht in einer Ausführungsform der Erfindung, indem ein Teil der verdampften Flüssigkeit mit dem Teil der Flüssigkeit gemischt wird, der anschließend verdampft wird. Die Vorwärmung erfolgt also, bevor ein Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit verdampft wird. Vorgewärmt wird ein Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit, nachdem Wärme auf das zu verdampfende Fluid übertragen wurde und im Anschluss daran die Flüssigkeit geteilt worden ist.
  • Für das Mischen von Dampf mit Flüssigkeit zwecks Vorwärmung wird bevorzugt eine Vorrichtung wie vorbeschrieben eingesetzt, in der also der Dampf zumindest blasenförmig in die Flüssigkeit eingeleitet wird oder umgekehrt die Flüssigkeit im Dampf zerstäubt wird.
  • Die Vorwärmung wird bevorzugt so durchgeführt, dass der betroffene Teil der Flüssigkeit auf eine Temperatur von mehr als –50°C, bevorzugt auf eine Temperatur von mehr als –40°C gebracht wird, um so eine Vereisung des nachfolgenden Wärmetauschers zuverlässig zu vermeiden. Um unproblematisch pumpen zu können, wird die Flüssigkeit bevorzugt nicht auf Temperaturen von mehr als –20°C erwärmt, um so dampfförmige Bestandteile zu vermeiden.
  • Im Anschluss an die Vorwärmung wird die Flüssigkeit in einer Ausführungsform der Erfindung einer Pumpe zugeführt, mit der ein Überdruck von Gas gegenüber Flüssigkeit in einer nachfolgenden Einrichtung erzeugt wird, in der Dampf mit Flüssigkeit gemischt wird.
  • Beispielsweise kann durch die Erfindung eine 6 m bis 8 m lange Vorrichtung mit einem Durchmesser von 2 m bis 3 m bereitgestellt werden, mit der ca. 32 MW bis 37 MW Verdampfungsleistung für ca. 200 t/h LNG zur Verfügung steht.
  • Bevorzugt wird das erwärmte Fluid in einer Ausführungsform einem weiteren Wärmetauscher zugeführt, um das Fluid auf über 0°C zu erwärmen, so zum Beispiel auf Raumtemperatur. Um das Fluid von ca. –20°C auf über 0°C zu bringen, wird beispielweise ein Plattenwärmetauscher eingesetzt, durch den Propan im Kreislauf geführt wird. Propan erhält seine Wärmeenergie beispielsweise über einen zweiten Plattenwärmetauscher, durch Wasser. Es könnte aber auch aufgrund der dann relativ niedrigen Temperaturen des Fluids ein Wärmetauscher eingesetzt werden, durch den Wasser unmittelbar geleitet wird, da die Gefahr eine Vereisung relativ gering ist, oder aber es könnte ein anders Heizmedium verwendet werden.
  • Der gesamte Aufbau für das Verdampfen eines Fluids erfordert erheblich weniger Raum im Vergleich zu dem Platzbedarf gemäß dem eingangs beschriebenen Stand der Technik, um LNG in den dampfförmigen Zustand zu überführen. Der kleinere Aufbau spart Herstellungs- sowie Lagerkosten. Die insgesamt erforderliche Pumpleistung kann deutlich im Vergleich zum Stand der Technik gesenkt werden. Beispielsweise im Vergleich zu dem Fall, dass mit flüssigem Propan ein zu verdampfendes Fluid verdampft wird, ohne das Propan ganz oder teilweise verdampft wird, kann die erforderliche Pumpleistung um 50% gesenkt werden.
  • Mit der vorliegenden Erfindung soll zwar vorzugsweise LNG verdampft werden. Die Erfindung eignet sich jedoch auch für das Verdampfen anderer kryogener Flüssigkeiten wie zum Beispiel Äthylen oder Äthan.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher verdeutlicht.
  • 1 zeigt im Schnitt eine erfindungsgemäße Vorrichtung, mit der latente Wärme eines Dampfes mit hohem Wirkungsgrad einer Flüssigkeit zugeführt wird, ohne dafür ein großes Volumen bereit stellen zu müssen. Von einem zentralen Kanal 1 mit relativ großem Durchmesser, in den Dampf eingeleitet wird, zweigen eine Vielzahl von Rohrverbindungen 2 sternförmig ab. Über die Rohrverbindungen 2 wird der Dampf in innere Rohre 3 von doppelwandigen Rohren 4 eingeleitet. Die Innenwände 5 der doppelwandigen Rohre 4 sind perforiert. Die Dichte der Löcher nimmt in Strömungsrichtung des Dampfes gemäß einem natürlichen Logarithmus ab. In den Ringspalt 7 eines jeden doppelwandigen Rohres wird Flüssigkeit über in 2 gezeigte Zuleitungen 27 eingeleitet und zwar in gleicher Richtung wie die Strömungsrichtung des Dampfes in den zugehörigen inneren Rohren 3. Zwischen der Flüssigkeit in einem der Ringspalte und dem Dampf im zugehörigen inneren Rohr 3 herrscht eine solche Druckdifferenz, dass der Dampf durch die Perforierung hindurch in die Flüssigkeit gelangt. Am Ende eines jeden doppelwandigen Rohres 3 werden die flüssigen Inhalte paarweise zu einem weiteren doppelwandigen Rohr 8 weitergeleitet und zwar in das innere Rohr 9 hinein. In jedem inneren Rohr 9 befinden sich Mittel für das Verwirbeln 26 (siehe 2) der eingeleiteten Flüssigkeit. Hat die Flüssigkeit das innere Rohr 9 durchlaufen, fließt es über den Ringspalt 10 zurück. Es liegt dann eine Flüssigkeit vor, die in einem relativ kleinem Volumen durch den Dampf erwärmt wurde bzw. der Dampf wurde in einem relativ kleinen Volumen mit hohem Wirkungsgrad verflüssigt.
  • Wird flüssiges Erdgas in einem Tank gelagert, so verdampft stets eine gewisse Menge. Dieser Teil muss wieder verflüssigt werden. Nach dem Stand der Technik wird hierfür ein Rekondensator eingesetzt. Der entstandene Dampf wird dem Rekondensator zugeführt. Weiter wird flüssiges Erdgas zugeführt und so durch Wärmeaustausch der Dampf wieder verflüssigt. Eine typische Höhe eines Rekondensators beträgt 15 m. Wird statt des bekannten Rekondensators eine Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt wird, so eingesetzt, dass der unerwünscht verdampfte Teil verflüssigt wird, so kann die Höhe einer solchen Vorrichtung auf ¹/₃ reduziert werden. Es werden so erheblich Platz und damit Kosten eingespart.
  • Es ist weiter bekannt, ein Brenngas zu konfektionieren beispielsweise durch Einleitung von Stickstoff, um einen gewünschten Heizwert einzustellen. Eine Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt wird, kann dazu genutzt werden, um Stickstoff LNG zuzuführen und so zu konfektionieren.
  • Grundsätzlich kann eine Vorrichtung, wie sie in 1 gezeigt wird, immer dann vorteilhaft eingesetzt werden, wenn Dampf in eine Flüssigkeit eingemischt und verflüssigt werden soll.
  • 2 zeigt einen Längsschnitt der in 1 dargestellten Vorrichtung. Die mit wellenförmiger Füllung versehenen Pfeile deuten die Strömungsrichtung der Flüssigkeit an. Die Pfeile ohne Füllung verdeutlichen das Strömen von Dampf. An einer Stirnseite der gezeigten Vorrichtung werden Flüssigkeit und Dampf getrennt eingeleitet. An der anderen Stirnseite kann die erwärmte Flüssigkeit entnommen werden. Gezeigt wird, dass Flüssigkeit über Zuführungen 27 zu Ringspalten gelangt und schließlich auf der entgegengesetzten Seite über einen Auslass 28 entnommen werden kann. Die in 2 gezeigten Wände des Rohres 9 sind nicht perforiert, also undurchlässig.
  • 3 verdeutlicht das Verdampfen von fluidem LNG, welches über eine Leitung 11 meist im überkritischen, sehr kaltem Zustand (typischerweise –160°C) in einen Plattenwärmetauscher 12 eingeleitet wird und diesen mit einer Temperatur von ca. –20°C über eine Leitung 13 verlässt. Entgegengesetzt fließt in den Plattenwärmetauscher 12 flüssiges Propan über eine Zuleitung 14 mit einer Temperatur von ca. –10°C hinein. Das flüssige Propan verlässt den Plattenwärmetauscher mit einer Temperatur von ca. –135°C über eine Leitung 15 und gelangt so im garantiert flüssigen Zustand zu einer Pumpe 16, die dafür Sorge trägt, dass das Propan einen Kreislauf geführt durchströmt. Nach Verlassen der Pumpe 16 wird ein Teil des flüssigen Propans über eine Leitung 17 in eine Vorrichtung 18 gemäß den 1 und 2 eingeleitet. Über eine abzweigende Leitung 19 wird der andere Teil des flüssigen Propans einer Vorrichtung 20 zugeführt, wie diese in den 1 und 2 gezeigt wird. In der Vorrichtung 20 wird das flüssige Propan auf eine Temperatur von –35°C erwärmt. Dank eines herrschenden Drucks von 3 bis 4 bar verlässt das auf –35°C erwärmte Propan die Vorrichtung 20 zuverlässig im flüssigen Zustand und gelangt so zu einer Pumpe 21. Mit Hilfe der Pumpe 21 wird das vorgewärmte, flüssige Propan in einen Plattenwärmetauscher 22 gepumpt. Im Plattenwärmetauscher 22 wird das vorgewärmte Propan mit Hilfe von Meerwasser verdampft, welches entgegengesetzt durch den Wärmetauscher 22 geleitet wird. Der aus dem Plattenwärmetauscher 22 austretende Propandampf wird zum Teil über eine Leitung 23 in die Vorrichtung 20 eingeleitet und mit dem flüssigen Propan vermischt, wodurch das flüssige Propan vorgewärmt wird. Der andere Teil des Propandampfes wird über eine Leitung 24 in die Vorrichtung 18 eingeleitet und hier mit dem flüssigen Propan gemischt, welches mit einer Temperatur Von ca. –135°C in die Vorrichtung 18 eingeleitet wird. Die Pumpe 21 trägt dafür Sorge, dass das in die Vorrichtungen 18 und 21 eingeleitete Propangas unter höherem Druck steht im Vergleich zu dem eingeleiteten flüssigen Propangas. Flüssiges Propangas verlässt die Vorrichtung 18 mit einer Temperatur von –10°C und gelangt so in den Wärmetauscher 12.
  • Das im Plattenwärmetauscher 12 erwärmte LNG wird über die Leitung 13 einem weiteren Plattenwärmetauscher 25 zugeführt und hier mit Hilfe von Meerwasser mittelbar oder unmittelbar auf über 0°C erwärmt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • - JP 08338692 A [0004]
    • - WO 2007/104076 A1 [0006]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - http://aiche.confex.com/aiche/s06/preliminaryprogram/abstract_43676.htm [0005]

Claims (25)

  1. Verfahren für das Verdampfen eines Fluids mit den Schritten: Wärme wird von einer im Kreislauf geführten Flüssigkeit auf das Fluid übertragen; die im Kreislauf geführte Flüssigkeit wird nach der Übertragung von Wärme teilweise verdampft; der verdampfte Teil der Flüssigkeit wird mit dem anderen, nicht verdampften Teil der Flüssigkeit gemischt; nach dem Vermischen wird Wärme von der im Kreislauf geführten Flüssigkeit wird auf das zu verdampfende Fluid übertragen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zu verdampfende Fluid LNG, Äthylen oder Äthan ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schmelzpunkt der im Kreislauf geführten Flüssigkeit weniger als –100°C, vorzugsweise weniger als –150°C beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die im Kreislauf geführte Flüssigkeit aus Propan besteht.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die im Kreislauf geführte Flüssigkeit auf 0°C bis –30°C, vorzugsweise auf –10°C bis –20°C erwärmt wird, bevor Wärme auf das zu verdampfende Fluid übertragen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der verdampfte Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit mit dem anderen Teil der Flüssigkeit gemischt wird, indem die Flüssigkeit zerstäubt in den Dampf eingeleitet wird oder der Dampf in Form von Dampfbläschen in die Flüssigkeit eingeleitet wird.
  7. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem Dampf so in die Flüssigkeit eingeleitet wird, dass die Temperatur der Flüssigkeit stets wenigstens 10°C kälter als der Siedepunkt der Flüssigkeit ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der verdampfte Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit mit dem anderen Teil der Flüssigkeit mit Hilfe eines perforierten Rohres (5) gemischt wird.
  9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Löcherdichte des perforierten Rohres (5) in Strömungsrichtung von Dampf und Flüssigkeit abnimmt und zwar bevorzugt logarithmisch.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Dampf sternförmig in perforierte Rohre (5) eingeleitet wird und durch die Perforierung hindurch in Flüssigkeit gedrückt wird.
  11. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Flüssigkeit mit dem hineingedrückten Dampf Umlenkeinrichtungen (26) zugeführt wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit in einem Wärmetauscher (22) mit Hilfe von Wasser verdampft wird.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der zu verdampfende Teil der im Kreislauf geführten Flüssigkeit vor der Verdampfung vorgewärmt wird und zwar insbesondere auf Temperaturen zwischen –20°C und –50°C.
  14. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die vorzuwärmende Flüssigkeit durch Zufuhr von Dampf vorgewärmt wird und zwar insbesondere durch Zufuhr einer Vielzahl von Dampfblasen.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Temperatur des zu verdampfenden Fluids vor einem Austausch von Wärme mit der im Kreislauf geführten Flüssigkeit weniger als –50°C, insbesondere weniger als –100°C beträgt.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem in einem Wärmetauscher (12) Wärme zwischen dem zu verdampfenden Fluid und der im Kreislauf geführten Flüssigkeit ausgetauscht wird.
  17. Vorrichtung für das Mischen von Dampf mit Flüssigkeit mit einer Zufuhr (1) für Dampf in wenigstens ein perforiertes Rohr (5) hinein und einer weiteren Zufuhr (27) für Flüssigkeit in einen an das perforierte Rohr angrenzenden Bereich (7).
  18. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch mit einer sternförmigen Zufuhr (2) für Dampf in eine Mehrzahl von perforierten Rohren (3).
  19. Vorrichtung nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei der der angrenzende Bereich ein Ringspalt (7) ist, der das perforierte Rohr (5) umhüllt.
  20. Vorrichtung nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche mit Mitteln zur Erzeugung eines Gasdrucks, der oberhalb des Flüssigkeitsdrucks liegt.
  21. Vorrichtung nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche mit einer Weiterleitung von wenigstens zwei angrenzenden Bereichen (7) in ein Rohr (9) hinein, welches mit Mittel für das Verwirbeln von Flüssigkeit (26) versehen ist.
  22. Vorrichtung nach dem vorhergehenden Anspruch, bei der das Rohr (9) mit Umlenkeinrichtungen ein doppelwandiges Rohr ist und der Ringspalt (10) des doppelwandigen Rohres eine Weiterleitung für das in das Rohr (9) eingeleitete Fluid ist.
  23. Vorrichtung nach einem der sechs vorhergehenden Ansprüche, bei der die perforierten Rohre (5) parallel zueinander und/oder kreisförmig angeordnet sind.
  24. Vorrichtung nach einem der sieben vorhergehenden Ansprüche, bei der Rohre (9) mit Umlenkeinrichtungen (26) parallel zu den perforierten Rohren (5) angeordnet sind.
  25. Verfahren für das Verflüssigen von verdampften LNG, indem verdampftes LNG in flüssiges LNG eingeleitet wird und zwar mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Vorrichtungsansprüche.
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