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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, kostengünstig flüssiges
Gas zu verdampfen und dafür eine besonders vorteilhafte
Vorrichtung zur Verfügung zu stellen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein
bewährter Abstand zwischen zwei Wänden eines doppelwandigen
Rohres beträgt typischerweise 40 mm bis 80 mm.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit
Hilfe von Figuren näher verdeutlicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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