-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Handhabung von Gas.
-
Bei der Kompression von Gas kann es bei spezifischen Bedingungen in Abhängigkeit von Temperatur, Druck und Stoffkonzentrationen zur Kondensation von Tropfen kommen. Zum Beispiel kann es im Falle von Erdgas bei einem Vorhandensein höherer Kohlenwasserstoffe oberhalb eines für den jeweiligen Kohlenwasserstoff spezifischen temperaturabhängigen Produktes aus Konzentration und Druck zu einer partiellen Verflüssigung der jeweiligen Komponente kommen. In der Folge liegt dann ein zweiphasiges Stoffgemisch aus mehr oder weniger großen Tropfen und Gas vor, welches sich zum einen weniger effizient komprimieren lässt (sogenannte Schleppverluste) und zum anderen wegen einer Tropfenschlagerosion die Lebensdauer der eingesetzten Anlagen reduziert. Dies ist insbesondere der Fall, wenn es zur Bildung großer Tropfen kommt. Große Tropfen werden aufgrund von Trägheitskräften in einer Gasströmung im Allgemeinen ungenügend mitgeführt, so dass Richtungsänderungen der Strömung, wie sie beispielsweise in einer Erdgaspipeline vorkommen, zu einem Aufschlag großer Tropfen mit einem entsprechend großen Impuls auf feste oder möglicherweise, und dann mit schlimmeren Folgen, auf bewegte Oberflächen, wie beispielsweise Schaufelblätter von Kompressoren, führen. Dieses technische Problem betrifft auch die Kompression von feuchter Luft oder allgemein Gasgemischen, die wenigstens eine im Betriebsbereich von Temperatur und Druck kondensierbare Komponente enthalten.
-
Im Stand der Technik wird dieses Problem meist durch reduzierte Druckverhältnisse gelöst, also eine Kompressionsstärke, bei welcher eine Kondensation noch nicht eintritt. Allerdings wird der Durchsatz durch eine Anlage oder eine Pipeline dadurch gleichzeitig deutlich reduziert und damit die auf die Anlagenkapazität bezogenen Kapitalausgaben, gegebenenfalls auch die Betriebsausgaben, entsprechend erhöht.
-
Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Handhabung von Gas bereitzustellen, welche es ermöglichen, den Durchsatz durch eine Anlage oder eine Pipeline zu erhöhen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren und durch eine Vorrichtung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
-
Um einen Gasdurchsatz durch eine Anlage oder Pipeline zu steigern, ist bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Handhabung von Gas zunächst vorgesehen, das Gas zu komprimieren, bis eine Kondensation von Tropfen einsetzt. Dann erfolgt ein elektrisches Aufladen der kondensierten Tropfen in einer Aufladezone eines Behältnisses mittels einer Aufladevorrichtung. Unter einem Behältnis werden hier insbesondere ein Tank und/oder ein Rohr verstanden.
-
Schließlich wird ein elektrisches Feld in einer Zerstäubungszone des Behältnisses angelegt, mittels welchem die Kapillarkräfte der Tropfen übertroffen werden durch die Kräfte, welche aufgrund des elektrischen Feldes und der Eigenbewegung der Tropfen auf diese wirken. Es werden also Tropfen zerstäubt, indem über ein elektrisches Feld externe Kräfte auf die Tropfen einwirken, welche die internen Kräfte, welche die Tropfen zusammenhalten, übertreffen. Die Eigenbewegung der Tropfen kann diese Zerstäubung unterstützen. Das hat den Vorteil, dass so weniger große beziehungsweise statt der großen kleinere Tropfen in dem Gas vorhanden sind, so dass ein Aufschlag von Tropfen mit großem Impuls auf feste oder bewegte Teile und Oberflächen, wie zum Beispiel auf Schaufelblätter von Kompressoren, vermieden werden kann. Somit kann ein höherer Druck ohne die erwähnte Tropfenschlagerosion realisiert werden, was in einer besseren Ausnutzung der eingesetzten Maschinen, in kleineren erforderlichen Bauvolumina, sowie im Falle von einer Kompression in Pipelines zu größeren maximalen Abständen zwischen den Kompressorstationen führt. All dies resultiert auch in einer Kostenreduktion.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt das Komprimieren des Gases in einer Reihe von Kompressorstufen. Das hat den Vorteil, dass besonders hohe Drücke erzielt werden können und die damit einhergehenden besonders großen Tropfen, welche starke Erosionserscheinungen hervorrufen können, in den folgenden Verfahrensschritten zerstäubt werden.
-
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Aufladen mittels eines elektrischen Gasentladungsplasmas erfolgt, bei dem in einer aktiven Plasmazone Ionen erzeugt werden, welche sich anschließend durch die Aufladezone bewegen und dort vorhandene Tropfen aufladen. Das hat den Vorteil, dass die Tropfen so besonders effizient und gezielt aufgeladen werden können. Durch die Wahl der Größe und auch der Intensität der aktiven Plasmazone kann der Bereich, in welchem die Tropfen aufgeladen werden, bestimmt werden und somit auch Einfluss genommen werden auf das Ausmaß der elektrischen Aufladung der Tropfen.
-
Hier kann insbesondere vorgesehen sein, eine Gleichspannung, eine Impulsspannung oder eine Wechselspannung an scharfkantige Elektrodenstrukturen anzulegen, um so ein Überschreiten einer kritischen elektrischen Feldspannung in der Umgebung der Elektrodenstrukturen herbeizuführen und damit die aktive Plasmazone und in Folge die Ionenerzeugung und Stärke der Aufladung der vorhandenen Tropfen zu bestimmen. Das hat den Vorteil, dass die Plasmazone über eine Regelung der verwendeten Spannung sehr gut an eine erwünschte Größe und Aufladeeffektivität angepasst werden kann.
-
Dabei kann auch vorgesehen sein, die Ionen mittels eines weiteren elektrischen Feldes, insbesondere eines Gleichfeldes, durch die Aufladezone zu lenken. Das hat den Vorteil, dass so Tropfen in einer Aufladezone, die größer ist als die aktive Plasmazone, elektrisch aufgeladen werden können. Gerade ein Gleichfeld eignet sich hier gut, um die Ionen gezielt in ihrer Bewegung zu kontrollieren und in einem wohldefinierten Bereich der Aufladezone mit den Tropfen wechselwirken zu lassen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass es sich bei dem elektrischen Feld in der Zerstäubungszone um ein Wechselfeld handelt, dessen Frequenz so gewählt wird, dass bei einem Tropfen mit einem vorgegebenen maximalen Durchmesser eine Schwingungsresonanz angeregt wird. Das hat den Vorteil, dass so über Eigenschaften des spezifisch vorliegenden Gases zunächst ein maximaler Durchmesser bestimmt werden kann, unterhalb dessen Tropfen keinen schädlichen Einfluss haben. Sodann kann unter Berücksichtigung der Stoffeigenschaften des vorliegenden Gases eine entsprechende Schwingungsresonanzfrequenz ausgerechnet werden und die Frequenz des Wechselfelds auf die Resonanzfrequenz abgestimmt werden. Das hat die Folge, dass Tropfen des besagten maximalen Durchmessers über eine Anregung von Eigenschwingungen zerstäubt werden. Dabei ist also der maximal auftretende Durchmesser theoretisch gut bestimmbar beziehungsweise vorhersehbar. Außerdem ist das Zerstäuben so besonders energieeffizient.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Gas mit den Tropfen in dem Behältnis in einer Strömungsrichtung strömt und erst durch die Zerstäubungszone strömt, nachdem es zumindest einen Teil der Aufladezone durchströmt hat. Dadurch kann die Aufladezone insbesondere von der Zerstäubungszone beabstandet sein. Das hat den Vorteil, dass das Verfahren mit einem Gastransport einher gehen kann, und auch mit kleineren Lade- und/oder Zerstäubungszonen die Tropfen in großen Gasmengen, also besonders viele Tropfen, zerstäubt werden können. Außerdem können so Lade- und Zerstäubungszone räumlich getrennt werden, so dass der technische Aufbau einfacher und kostengünstiger zu realisieren ist.
-
Hierbei kann das elektrische Feld in der Zerstäubungszone vorwiegend senkrecht oder senkrecht zur Strömungsrichtung orientiert sein. Das hat den Vorteil, dass so, gerade wenn das Behältnis ein Rohr ist, ein sehr einfacher und effizienter Aufbau für das elektrische Feld verwendbar ist, bei dem beispielsweise Elektroden an den Wänden des Rohres angeordnet sind und somit der Gasfluss durch die Elektroden nicht behindert oder abgelenkt wird.
-
In einer alternativen Ausführungsform kann hier vorgesehen sein, das elektrische Feld in der Zerstäubungszone vorwiegend parallel oder parallel zur Strömungsrichtung zu orientieren. Das hat den Vorteil, dass so gegebenenfalls die Kräfte, welche aufgrund der Bewegung in Strömungsrichtung auf die Tropfen wirken, zu deren Zerstäubung genutzt werden können.
-
Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren auch mehrmals hintereinander durchgeführt werden. Das hat den Vorteil, dass so einerseits sehr große Drücke erzielt werden können, andererseits immer wieder Tropfen zerstäubt werden, so dass auch während der Durchführung des Verfahrens die Tropfenschlagerosion minimiert wird.
-
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Handhabung von Gas, mit einem Behältnis, in dem Gas bis zum Einsetzen einer Kondensation von Tropfen komprimierbar ist. Dabei ist auch eine Aufladevorrichtung vorgesehen, mittels welcher ein elektrisches Aufladen der kondensierten Tropfen in dem Behältnis durchführbar ist. Ferner sind auch Elektroden vorhanden zum Aufbauen eines elektrischen Feldes in dem Behältnis, mittels welchem die Kapillarkräfte der Tropfen übertreffbar sind durch die Kräfte, welche aufgrund des elektrischen Feldes und der Eigenbewegung der Tropfen auf diese wirken.
-
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung, sowie anhand der Figuren. Dabei zeigen:
-
1 ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
-
2 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Handhabung von Gas.
-
In 1 ist ein schematisches Flussdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens dargestellt. Zunächst wird hier in einem ersten Schritt ein Komprimieren 1 des Gases durchgeführt, bis eine Kondensation von Tropfen (10, 2) einsetzt. Die Bildung der Tropfen (10, 2) wird hier also bewusst herbeigeführt beziehungsweise toleriert. In dem nächsten Schritt erfolgt das elektrische Aufladen 2 der kondensierten Tropfen mit einer Aufladevorrichtung (13, 2). Das elektrische Aufladen kann hier beispielsweise über ein Gasentladungsplasma erfolgen. In einem dritten Schritt erfolgt ein Anlegen 3 eines elektrischen Feldes an einen Raumbereich, der Zerstäubungszone (14, 2), in welchem die Tropfen (10, 2) sind oder eingebracht werden. Ist das elektrische Feld beispielsweise ein Wechselfeld, so kann eine gezielte Einstellung der Frequenz des elektrischen Wechselfeldes vorgenommen werden, sodass das Feld in Resonanz mit einer Eigenschwingung der Tropfen (10, 2) einer bestimmten, maximal tolerierbaren Größe gebracht wird. Dadurch werden Tropfen (10, 2), welche besagte maximale Größe erreichen, in so starke Schwingungen versetzt, dass die Kapillarkräfte beziehungsweise die inneren Kräfte der Tropfen (10, 2) nicht mehr ausreichen, diese zusammenzuhalten. Das Resultat ist ein Zerstäuben der Tropfen. In einem nächsten Schritt erfolgt dann z.B. ein Entscheiden 4, ob das Verfahren nochmals durchlaufen werden soll. Dies kann beispielsweise der Fall sein, wenn ein gewünschter Druck noch nicht erreicht ist oder beispielsweise detektiert wird, dass wider Erwarten doch noch Tropfen (10, 2) in einer nicht erwünschten Größe vorhanden sind. Ist der gewünschte Druck mit der gewünschten maximalen Tröpfchengröße erreicht, kann das (in diesem Fall iterative) Verfahren beendet werden. Die Bildung von Tröpfchen wird in dem eben beschriebenen Verfahren also bewusst toleriert, ohne dass wegen Tropfenschlagerosion die Lebensdauer der eingesetzten Anlagen reduziert würde, indem beispielsweise mit einer stufenweisen Kompression, bei der die Verfahrensschritte mehrmals durchlaufen werden, Maßnahmen zur Handhabung des betreffenden Gases kombiniert werden, die zur Zerkleinerung bereits gebildeter Tropfen (10, 2) führen und die Tropfengröße auf einen unschädlichen Wert begrenzen.
-
In 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Handhabung von Gas dargestellt. Tropfen 10 bewegen sich hier entlang einer Strömungsrichtung 17 in einem Behältnis 12, welches hier als Rohr ausgeführt ist. Dabei gelangen die Tropfen 10 zunächst in eine Aufladezone 11. In dieser Aufladezone 11 werden sie über eine Wechselwirkung mit durch die Aufladezone 11 driftenden Ionen, welche nicht dargestellt sind, zu geladenen Tropfen 19, im gezeigten Beispiel zu negativ geladenen Tropfen. Diese Ionen entstehen hier in einer Plasmazone 15, welche im gezeigten Beispiel Teil der Aufladezone 11 ist. Die aktive Plasmazone 15 wird hier durch scharfkantige Elektrodenstrukturen 16 bestimmt. Diese scharfkantigen Elektrodenstrukturen 16 sind Teil einer Aufladevorrichtung 13, zu der im gezeigten Beispiel auch noch eine weitere Elektrode auf der gegenüberliegenden Seite des Behältnisses 12 gehört. Der Bereich zwischen den scharfkantigen Elektrodenstrukturen 16 und der weiteren zur Aufladevorrichtung 13 gehörigen Elektrode ist dann besagte Aufladezone 11.
-
Die geladenen Tropfen 19 strömen dann beispielsweise weiter zu einer im vorliegenden Beispiel von der Aufladezone 11 beabstandeten Zerstäubungszone 14. Diese Zerstäubungszone 14 befindet sich hier zwischen zwei weiteren Elektroden 18, zwischen denen ein elektrisches Feld anliegt. Da im gezeigten Beispiel die geladenen Tropfen 19 einen vorgegebenen maximalen Durchmesser überschreiten, werden sie in dem elektrischen Feld, welches als Wechselfeld im gezeigten Beispiel die geladenen Tropfen 19 in Schwingungen versetzt, zerstäubt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Feld ein Wechselfeld ist und die Frequenz des elektrischen Feldes auf einen maximal tolerierbaren Durchmesser der Tropfen 10 abgestimmt wird. Die geladenen Tropfen 19 werden hier schließlich derart in Schwingungen versetzt, dass sie zu zerstäubten Tropfen 20 zerplatzen. Damit verfügen diese zerstäubten Tropfen 20 nur noch über einen sehr geringen Impuls und können kaum noch Schaden anrichten. Selbstverständlich können zur besonders effektiven Zerstäubung mehrere Zerstäubungszonen aufeinander abfolgen, welche z.B. jeweils in der Frequenz ihrer elektrischen Felder auf unterschiedliche Durchmesser der Tropfen 10 beziehungsweise der geladenen Tropfen 19 und/oder zerstäubten Tropfen 20 abgestimmt sind. Die verwendeten Spannungen können hier im Bereich von einigen 1000 Volt bis zu einigen 10.000 Volt liegen.
