DE10314797A1

DE10314797A1 - Kohlendioxid-Versorgung

Info

Publication number: DE10314797A1
Application number: DE2003114797
Authority: DE
Inventors: Andreas Praller
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2003-04-01
Filing date: 2003-04-01
Publication date: 2004-10-14
Also published as: WO2004088197A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers (14a, 14b) mit CO¶2¶, wobei flüssiges CO¶2¶ einem Speichertank (11) entnommen, mit einem Gaskompressor (13) verdichtet und dem Verbraucher (14a, 14b) zugeführt wird. Das CO¶2¶ wird dabei in einer Stichleitung von dem Speichertank (11) über den Gaskompressor (13) zu dem Verbraucher (14a, 14b) geführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers mit CO₂, wobei flüssiges CO₂ einem Speichertank entnommen, mit einem Gaskompressor verdichtet und dem Verbraucher zugeführt wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers mit CO₂, die einen Speichertank für flüssiges CO₂, einen mit dem Speichertank flüssigkeitsseitig verbundenen Gaskompressor und eine Abgabeleitung zwischen dem Ausgang des Gaskompressors und dem Verbraucher umfasst.
Bekannte Verfahren zur Herstellung aufgeschäumter Kunststoffe verwenden Treibmittel, die unter Normalbedingungen gasförmig vorliegen und die mit hohem Druck einer plastischen, meist thermisch erweichten Kunststoffmasse zugeführt und mit dieser homogen vermischt werden. Bei der anschließenden Entspannung dieses Gemisches auf Normaldruck tritt eine durch das Treibmittel hervorgerufene Aufschäumung des Kunststoffs ein.
In zunehmendem Masse finden auch verdichtete Inertgase, insbesondere flüssiges Kohlendioxid, als Treibmittel Verwendung. Die Versorgung mit CO₂ erfolgt üblicherweise aus einem Niederdrucktank, in dem das CO₂ bei einem Druck von etwa 20 bar gespeichert ist. Das dem Tank entnommene CO₂ wird dann mittels einer Flüssigkeitspumpe auf den gewünschten Druck verdichtet und dem Verbraucher zugeführt. Ein typischer Verbraucher beim Kunststoffschäumen ist eine Flüssig-CO₂-Dosierpumpe, die das verdichtete CO₂ dosiert einem Extruder zuführt.

Aus der EP 0 841 481 B1 ist auch bekannt, anstelle einer Flüssigkeitspumpe einen Gaskompressor zum Verdichten des flüssigen CO₂ einzusetzen. Ein mit einem unter Druck stehenden Arbeitsgas, beispielsweise Druckluft, betriebener Gaskompressor setzt den Druck des Arbeitsgases mittels eines Kolbens mit unterschiedlich großen Flächen in einen höheren Druck um. Das flüssige CO₂ wird durch den sich auf- und abwärts bewegenden Kolben solange gefördert, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt und das flüssige CO₂ auf den dem Übersetzungsverhältnis entsprechenden Druck verdichtet ist. Die Verwendung von Gaskompressoren hat insbesondere den Vorteil, dass auf eine Kühlung des Gaskompressors verzichtet werden kann, wie sie bei einer Flüssigkeitspumpe erforderlich ist, um einen Phasenübergang des flüssigen CO₂ in den gasförmigen Aggregatszustand zu verhindern.

In 1 ist eine übliche aus dem Stand der Technik bekannte Einrichtung zur Versorgung und Dosierung von CO₂ beim Kunststoffschäumen schematisch dargestellt.

Flüssiges CO₂ wird in einem schaumisolierten Speichertank 1 bei einem Druck von 20 bar und einer entsprechenden Temperatur von –20°C gelagert. Über eine Entnahmeleitung 2 wird flüssiges CO₂ aus dem Tank 1 abgezogen und einer Flüssigkeitspumpe 3 zugeführt. Als Flüssigkeitspumpe 3 wird meist eine Kreisel- oder Kolbenpumpe eingesetzt. Mittels der Flüssigkeitspumpe 3 wird das flüssige CO₂ auf einen Druck von beispielsweise 60 bar verdichtet und zu zwei Flüssig-Dosierpumpen 4a, 4b geleitet, die die den nachgeschalteten Extrudern 5a, 5b die erforderliche Menge an CO₂ zudosieren.

Herkömmliche Flüssigkeitspumpen 3 müssen stets mit Flüssigkeit, hier speziell mit flüssigem CO₂, versorgt werden. Ferner kann eine Flüssigkeitspumpe 3 nicht direkt in Reihe mit einer Dosierpumpe 4a, 4b geschaltet werden, da, insbesondere bei Verbrauchsschwankungen, der Verbrauch am Extruder 5a, 5b nicht mit der Fördercharakteristik beziehungsweise Pumpenleistung der Flüssigkeitspumpe 3 zusammenpasst.

Bei einer bekannten CO₂-Versorgungseinrichtung, wie sie in 1 gezeigt ist, ist es deshalb erforderlich, das verdichtete CO₂ über eine Ringleitung 6 im Kreislauf in den Tank 1 zurückzuführen. Über die Ringleitung 6 muss ein so großer CO₂-Strom im Kreis gefahren werden, dass auch bei maximalem Verbrauch, das heißt wenn die Dosierpumpen 4a, 4b die maximale CO₂-Menge den Extrudern 5a, 5b zudosieren, stets flüssiges CO₂ wieder in den Tank 1 zurückgeleitet wird.

Hierzu ist es erforderlich, eine bis zu einem Faktor 10 größere CO₂-Menge mit der Flüssigkeitspumpe 3 zu komprimieren als in den Extrudem 5a, 5b tatsächlich verbraucht wird. Zudem muss das rückgeführte CO₂ vor dem Einleiten in den Tank 1 rückgekühlt werden. Die bekannten Versorgungssysteme sind daher mit einem beträchtlichen Installationsaufwand für die Verrohrung und Isolierung sowie hohen Betriebskosten für die Verdichtung und Rückkühlung verbunden.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers mit unter erhöhtem Druck stehenden CO₂ bereit zu stellen, welches die beschriebenen Nachteile möglichst vermeidet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem das CO₂ in einer Stichleitung von dem Speichertank über den Gaskompressor zu dem Verbraucher geführt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Speichertank für flüssiges CO₂, einen mit dem Speichertank flüssigkeitsseitig verbundenen Gaskompressor und eine Abgabeleitung zwischen dem Ausgang des Gaskompressors und einem Verbraucher, welche sich dadurch auszeichnet, dass zwischen der Abgabeleitung und dem Speichertank keine Strömungsverbindung besteht.

Bei einem Gaskompressor wird, ähnlich wie bei einer Flüssigkeits-Kolbenpumpe, das flüssige CO₂ mittels eines sich bewegenden Kolbens gefördert. Allerdings erfolgt der Antrieb nicht mechanisch, sondern pneumatisch oder hydraulisch. Im Gegensatz zu einer mechanisch angetriebenen Flüssigkeitspumpe bricht der Gaskompressor zwar die Förderung von weiterem flüssigen CO₂ automatisch ab, wenn der dem Übersetzungsverhältnis des Gaskompressors entsprechende Druck erreicht ist. In der Druckaufbauphase beziehungsweise in der Förderphase, in der flüssiges CO₂ mittels des Gaskompressors gefördert und verdichtet wird, kann aber auch bei einem Gaskompressor bei Förderung von flüssigem CO₂ die Bewegung des Kolbens beziehungsweise die Förderleistung des Gaskompressors nicht mit der des angeschlossenen Verbrauchers synchronisiert werden. Man war daher bisher der Meinung, dass auch bei der Verwendung eines Gaskompressors zur Verdichtung von flüssigem CO₂ eine Ringleitung, wie in 1 gezeigt, notwendig ist, um für den angeschlossenen Verbraucher definierte Bedingungen zu gewährleisten.

Im Rahmen von der Erfindung vorausgehenden Tests hat sich nunmehr gezeigt, dass ein Gaskompressor auch bei schwankendem Bedarf auf Anforderung unter definiertem Druck stehendes, flüssiges CO₂ bereitstellen kann. Vermutlich liegt dies in den speziellen Kompressibilitätseigenschaften von flüssigem CO₂ begründet. Die Untersuchungen haben ergeben, dass eine Kreislaufführung des verdichteten CO₂ zurück in den Speichertank bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nicht notwendig ist. Es muss lediglich sichergestellt sein, dass die Förderleistung des Gaskompressors ausreicht, um den maximalen Bedarf des Verbrauchers zu befriedigen. Der Speichertank, der Gaskompressor und der Verbraucher können in einer Stichleitung angeordnet werden, das heißt, das gesamte flüssige CO₂, das dem Speichertank entnommen wird, wird auch dem Verbraucher zugeführt.

Insbesondere bei Verdichtung des CO₂ auf einen Druck zwischen 50 und 90 bar, vorzugsweise 55 bis 75 bar, hat sich die Erfindung bewährt, was vermutlich daran liegt, dass das CO₂ dann in der Nähe des kritischen Drucks vorliegt. Als Ausgangsdruck hat sich der Druckbereich zwischen 15 und 25 bar als vorteilhaft erwiesen. Damit sind auch einstufige Gaskompressoren mit niedrigerem Übersetzungsverhältnis einsetzbar. Vorzugsweise werden 5 bis 150 kg/h, besonders bevorzugt 5 bis 100 kg/h CO₂ verdichtet.

Ein besonders vorteilhaftes Anwendungsgebiet ist die Versorgung von Dosierpumpen, insbesondere Membran- oder Kolben-Dosierpumpen, mit flüssigem CO₂. Beim Aufschäumen von Kunststoffen werden solche Dosierpumpen beispielsweise eingesetzt, um den Extruder mit flüssigem CO₂ als Treibmittel zu versorgen. Dabei ist es für das anschließende Aufschäumen wesentlich, dass dem Extruder definierte Mengen CO₂ zugeführt werden. Durch die erfindungsgemäße Bereitstellung einer ausreichenden Menge flüssigen CO₂ unter definiertem Druck wird sichergestellt, dass die Dosierpumpen exakt die jeweils erforderliche Menge CO₂ den Extrudern zudosieren können.

Die Erfindung ist, wie erwähnt, insbesondere zur Herstellung von Kunststoffschäumen in Extrudern, Spritzgussmaschinen, RIM-Maschinen (Reaction-Injection-Moulding) oder Doppelbandanlagen geeignet. Sie eignet sich aber ebenso zum Aufschäumen von anderen Produkten oder zum Einbringen von Treibmitteln in Flüssigkeiten. Weiter wird die Erfindung mit Vorteil auch für die Versorgung von Expansionsdüsen eingesetzt, denen verdichtetes CO₂ zugeführt und zu Kühlzwecken entspannt wird.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen
1 eine aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung zur Versorgung von Extrudem mit flüssigem CO₂ als Treibmittel und
2 eine entsprechende erfindungsgemäße Vorrichtung.
In den 1 und 2 ist jeweils eine Vorrichtung zur Versorgung von Extrudem mit flüssigem CO₂ dargestellt. Die in 1 gezeigte Vorrichtung wurde bereits in der Beschreibungseinleitung ausführlich erläutert.
2 zeigt eine entsprechende nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Vorrichtung. In einem Niederdrucktank 11 wird flüssiges CO₂ unter einem Druck von 20 bar gespeichert. Der Tank 11 ist als vakuumisolierter Tank ausgeführt. Am unteren Ende des Tanks 12 ist eine Entnahmeleitung 12 angebracht, über die flüssiges CO₂ dem Tank 11 entnommen werden kann.
In der Entnahmeleitung 12 befindet sich ein druckluftbetriebener Gaskompressor 13. Mittels des Gaskompressors 13 kann das aus dem Tank 11 abgezogene flüssige CO₂ auf einen Druck von bis zu 500 bar komprimiert werden. Das aus dem Gaskompressor 13 austretende CO₂ wird beispielsweise zwei parallel zueinander angeordneten Dosierpumpen 14a, 14b zugeführt, die jeweils mit einem Extruder 15a, 15b verbunden sind. Vorzugsweise werden Membran- oder Kolbendosierpumpen eingesetzt. Mittels der Dosierpumpen 14a, 14b kann den Extrudern 15a, 15b ein volumen- oder mengendosierter Strom von verdichtetem CO₂ zugeführt werden.
Der Gaskompressor 13 arbeitet nur dann, wenn zumindest einer der Extruder 15a, 15b flüssiges CO₂ benötigt. Muss den Extrudem 15a, 15b kein flüssiges CO₂ als Treibmittel zugeführt werden, wird im Gaskompressor 13 nur soviel CO₂ verdichtet, um eventuell vorhandene Druckabfälle stromabwärts des Gaskompressors 13 auszugleichen. Wird dagegen von den Dosierpumpen 14a, 14b eine bestimmte Menge CO₂ abgezogen und zu den Extrudern 15a, 15b geleitet, startet automatisch der Gaskompressor 13 und gleicht den Verbrauch an flüssigem CO₂ sofort aus. Eine Abstimmung beziehungsweise Anpassung der Förderleistung des Gaskompressors 13 an die Förderleistung der Dosierpumpen 14a, 14b ist nicht erforderlich.
Erfindungsgemäß ist es nicht notwendig, einen Kreislaufstrom von verdichtetem CO₂ aufrechtzuerhalten, wie dies bei dem bekannten, anhand von 1 erläuterten Verfahren notwendig ist. In dem Gaskompressor 13 muss daher nur die CO₂-Menge verdichtet werden, die von den Verbrauchern 14a, 14b auch abgenommen wird. Werden beispielsweise Dosierpumpen 14a, 14b eingesetzt, mit denen jeweils 5 bis 50 kg CO₂ pro Stunde dosiert werden können, so ist theoretisch ein Gaskompressor 13 mit einer maximalen Förderleistung von 100 kg/h CO₂ ausreichend. In der Praxis wird man in diesem Fall aus Sicherheitsgründen einen Gaskompressor 13 auswählen, der bis zu etwa 150 kg/h CO₂ verdichten kann.
Aus dem Vergleich der in den 1 und 2 dargestellten Beispiele werden die Vorteile der Erfindung deutlich:

– Der Installationsaufwand für die Verrohrung und Isolierung ist erfindungsgemäß wesentlich geringer.
– Aufgrund der fehlenden Rückführung von CO₂ in den Speichertank ist auch keine Vorrichtung zur Rückkühlung notwendig.
– Erfindungsgemäß kann ein vakuumisolierter anstelle eines schaumisolierten Speichertanks verwendet werden.
– Die Betriebskosten für die Verdichtung werden gesenkt, da nur diejenige Menge CO₂ verdichtet wird, die auch tatsächlich verbraucht wird.
– Da geringere Mengen flüssiges CO₂ durch die Leitung zum Verbraucher, hier den Dosierpumpen 4a, 4b bzw, 14a, 14b, geführt werden, können die Leitungsquerschnitte verringert werden.
– Ebenso kann ein Gaskompressor mit einer geringeren Förderleistung gewählt werden.

Claims

Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers mit CO₂, wobei flüssiges CO₂ einem Speichertank entnommen, mit einem Gaskompressor verdichtet und dem Verbraucher zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂ in einer Stichleitung (12) von dem Speichertank (11) über den Gaskompressor (13) zu dem Verbraucher (14a, 14b) geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂ auf einen Druck zwischen 50 und 90 bar, vorzugsweise 55 bis 75 bar, verdichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das CO₂ dem Speichertank (11) unter einem Druck von 15 bis 25 bar entnommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass 5 bis 150 kg/h, vorzugsweise 5 bis 100 kg/h CO₂ verdichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete CO₂ einer Expansionsdüse zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete CO₂ einer Dosierpumpe (14a, 14b) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete CO₂ einer Vorrichtung (15a, 15b) zum Aufschäumen von Kunststoffen zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gaskompressor (13) mit einem Arbeitsgas, insbesondere mit Druckluft, betrieben wird.
Vorrichtung zur Versorgung eines Verbrauchers mit CO₂, die einen Speichertank für flüssiges CO₂, einen mit dem Speichertank flüssigkeitsseitig verbundenen Gaskompressor und eine Abgabeleitung zwischen dem Ausgang des Gaskompressors und dem Verbraucher umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abgabeleitung und dem Speichertank (11) keine Strömungsverbindung besteht.