DE1551588C3

DE1551588C3 - Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen eines Fliissiggases

Info

Publication number: DE1551588C3
Application number: DE1967L0057024
Authority: DE
Inventors: Lothar Dipl.-Ing. 8000 München; Stockner Josef 8021 Baierb runn Setzpfandt
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1967-07-19
Filing date: 1967-07-19
Publication date: 1976-10-02
Also published as: GB1198228A; US3618332A; DE1551588B2; DE1551588A1; FR1571842A; ES356797A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen eines mit Kohlenwasserstoffen verunreinigten, explosiblen, sauerstoffreichen Flüssiggases, welches beim Abstellen einer Tieftemperatur-Gasgemisch-Zerlegungsanlage aus dieser entfernt wird, wobei das Flüssiggas zerstäubt und im Wärmetausch mit einem Wärmeträger verdampft wird.

Flüssiggase können gefahrlos verdampft werden, wenn sie keine Kohlenwasserstoffe enthalten. Bei der Zerlegung von Gasgemischen jedoch, welche in geringem Maße Beimengungen enthalten, die sich bei der Rektifikation anreichern und explosionsgefährlich sind, wie z. B. Azetylen, welches sich bei der Zerlegung atmosphärischer Luft im flüssigen Sauerstoff anreichert, besteht ständig die Gefahr von betriebsstörenden Explosionen an den Stellen, an denen sich Festausscheidungen der explosiblen Gase ansammeln können.

Beim Abstellen von Tieftemperatur-Gasgemisch-Zerlegungsanlagen, z. B. Luftzerlegungsanlagen, oder einzelnen Apparateteilen derselben, bleiben in den Apparaten tiefsiedende Flüssigkeiten oder Fest-Flüssig-Suspensionen zurück, die schnell entfernt, gefahrlos verdampft und deren Dämpfe abgeleitet werden müssen.

Um die Gefahr des Ausfallens von Azetylen in fester Form zu vermindern, ist es aus der deutschen Patentschrift 10 70 658 bekannt, kohlenwasserstoffhaltigen flüssigen Sauerstoff zu zerstäuben und in Form von fein über ein Kupfergazenetz verteilten Tropfen durch Wärmetausch zu verdampfen. Ein solches Verfahren weist jedoch den Nachteil auf, daß es infolge von Regelstörungen bei der Zufuhr des zu verdampfenden Flüssiggases oder infolge von Verschmutzung der

ίο Kupfergaze zur Anreicherung von Azetylen im Verdampfungsraum kommen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das eine schnelle, gefahrlose und vollständige Verdampfung explosiblen, sauerstoffreichen Flüssiggases ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Wärmeträger eine Mischung aus einem Treibgas und Luft verwendet wird, wobei durch das Treibgas gleichzeitig die Luft angesaugt und das Flüssiggas zerstäubt und daraufhin das Flüssiggas in dem sich bildenden Gemisch aus Treibgas, Luft und zerstäubtem Flüssiggas verdampft wird.

Nach dem Verfahren der Erfindung wird die kinetische Energie eines eine Düse verlassenden Treibgasstrahles ausgenutzt, um eine begrenzte Menge atmosphärischer Luft anzusaugen und gleichzeitig das zu verdampfende Flüssiggas zu zerstäuben. Danach wird das zerstäubte Flüssiggas in einem vorbestimmten Volumenstrom des sich bildenden Aerosols unter Abkühlung des Treibgases und der angesaugten Luft kontinuierlich verdampft. Zur Erzeugung des Volumenstromes wird das Aerosol durch einen in seiner seitlichen Ausdehnung begrenzten Raum geführt. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß durch die Zerstäubung das Flüssiggas schnell und vollständig verdampft und daß sich daher eventuell vorhandene, beigemengte Kohlenwasserstoffe in dem zu verdampfenden Flüssiggas nicht anreichern können. Die Enthalpien der mitgerissenen Luft und des Treibgases liefern die zur Verdampfung des Flüssiggases notwendige Wärme. Erfindungsgemäß erhält das Aerosol in dem Vefdampfungsraum eine hohe Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenz, und der dadurch erreichte gute Wärmeübergang vom Treibgas und der mitgerissenen Luft an.das zerstäubte Flüssiggas läßt dieses schnell und rückstandlos verdampfen.

Bei der Verdampfung eines sauerstoffreichen Flüssiggases wird durch das Treibgas und die angesaugte Luft eine Verminderung der Sauerstoffkonzentration des Aerosols erreicht, die sich fortsetzt, wenn das verdampfte Flüssiggas den Verdampfungsraum verläßt und sich wegen der noch hohen kinetischen Energie des Strahles der Dämpfe mit der Umgebungsluft intensiv vermischt. Eine Gefährdung der Umgebung des Ortes der erfindungsgemäßen Flüssiggasverdampfung ist somit ausgeschlossen.

Als Treibgas kann Niederdruckluft verwendet werden. Luft steht kostenlos zur Verfügung und braucht nur mittels eines Gebläses, das z. B. in Luftzerlegungsanlagen ohnehin vorhanden ist, auf einen höheren Druck gebracht zu werden. Unter Umständen kann es jedoch von Vorteil sein, als Treibgas überhitzten Wasserdampf zu verwenden.

Erfindungsgemäß besteht die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens aus einem Mischrohr, das an einem Ende zentrisch mit einer Treibgasdüse wesentlich geringeren Querschnitts versehen ist. Etwa rechtwinklig zum Mischrohr ist mindestens eine

Flüssiggasleitung angeordnet, die sich mit ihrem offenen Ende bis zur Treibgasdüse erstreckt Der seitlich begrenzte Verdampfungsraum besteht also aus einem Rohr, das an beiden Enden offen ist. Im Rohr stellt sich eine turbulente Strömung und eine hohe Strömungsgeschwindigkeit des Aerosols ein, weil durch den Treibgasstrahl eine große Menge atmosphärischer Luft mitgerissen und der Strom beider Gase zusammen durch das Mischrohr getrieben wird. Die turbulente Strömung im Mischrohr ist in der Lage, die Wärme des Treibgases und der mitgerissenen Luft schnell an das zerstäubte, kalte Flüssiggas zu übertragen. Die lichte Weite und die Länge des Mischrohres müssen der Verdampfungsgeschwindigkeit des zerstäubten Flüssiggases angepaßt sein. Zwischen der Treibgasdüse, die in einem Ende des Mischrohres zentrisch angeordnet ist, und der Innenwandung dieses Mischrohrendes verbleibt eine so große ringförmige öffnung, daß eine genügende Menge atmosphärischer Luft in das Mischrohr mitgerissen wird, um das zerstäubte Flüssiggas verdampfen zu können. Die ringförmige Öffnung ist so groß bemessen, daß die Luftgeschwindigkeit in ihr größer oder gleich der Mitreißgeschwindigkeit für das zerstäubte Flüssiggas ist. Die angesaugte Luftmenge beträgt ein Vielfaches der Treibgasmenge, so daß die Enthalpie der angesaugten Luft den größten Teil der Verdampfungswärme des zerstäubten Flüssiggases deckt.

In zweckmäßiger Weise ist das Mischrohr senkrecht aufgestellt und die Treibgasdüse im unteren Ende des Mischrohres angebracht. Auf diese Weise wird das zerstäubte Flüssiggas in der Aerosolströmung von unten nach oben durch das Mischrohr getragen. Am oberen Ende des Mischrohres tritt ein trockenes Gas aus, das in einer größeren Entfernung vom Erdboden gefahrlos in die Luft abgeblasen werden kann. Das Mischrohr kann jedoch auch waagerecht liegend angeordnet sein, wobei das Rohrende nach oben umgebogen ist. Im Gegensatz zum senkrecht aufgestellten Mischrohr benötigt das waagerecht liegende mehr Platz.

Das untere Ende des Mischrohres kann eine Erweiterung, vorzugsweise eine konische, aufweisen. Die Erweiterung des Mischrohrendes begünstigt erheblich das Ansaugen von atmosphärischer Luft durch den Treibgasstrahl. Eine konische Erweiterung eines Rohrendes ist fertigungstechnisch leicht herstellbar.

Die durch den Treibgasstrahl angesaugte Menge von atmosphärischer Luft kann noch vergrößert werden, wenn der obere Teil des Mischrohres mit einem Diffusor und einem anschließenden zylindrischen, weiten Rohr versehen ist.

Die Treibgasdüse kann sich stetig verjüngen, wobei in der Düsenmündung höchstens Schallgeschwindigkeit erreicht wird. Die Treibgasdüse kann jedoch auch aus einer Laval-Düse bestehen, die eine Überschallströmung ermöglicht. Damit ist gewährleistet, daß durch die hohe Treibgasgeschwindigkeit möglichst viel atmosphärische Luft in das Mischrohr mitgerissen wird und daß das zu zerstäubende Flüssiggas im Mischrohr in einen feinsten, schnell verdampfenden Nebel verwandelt wird.

Die Leitung zum Einspeisen des zu verdampfenden Flüssiggases in das Mischrohr durchdringt in zweckmäßiger Weise das untere Ende des Mischrohres an einer Durchtrittsstelle. Die ringförmige öffnung zum Ansaugen von atmosphärischer Luft zwischen Treibgasdüse und Mischrohr wird dabei fast nicht verengt. Außerdem läßt sich die Flüssiggasleitung an der Wandung des Mischrohres gut befestigen, z. B. durch Schweißen.

Mit Vorteil erstreckt sich die Flüssiggasleitung bis zu der der Durchtrittsstelle zugewandten Innenwandung der Düsenmündung. Auf diese Weise wird der die Düsenmündung verlassende Treibgasstrahl von der Flüssiggasleitung nicht gestört Nachdem sich der Treibgasstrahl nach dem Verlassen der Düse kegelförmig ausbreitet, ist das Ende der Flüssiggasleitung abgeschrägt, wobei zur Erleichterung des Flüssiggasaustritts der Abschrägungswinkel größer als der Winkel des Strahlkegels ist. Die kinetische Energie der Grenzschicht des Gasstrahles wird so über die ganze Weite der Flüssiggasleitung zum Zerstäuben des Flüssiggases wirksam.

Zwischen der Düsenmündung und dem Ende der Flüssiggasleitung befindet sich ein Abstand, um ein Verstopfen der Düse durch Eis zu verhindern. Bei Verwendung von atmosphärischer Luft als Treibgas können durch die Kälte des zu zerstäubenden Flüssiggases Wasserdampf und Kohlendioxid aus der Luft im Bereich der Treibgasdüse ausfrieren, was durch den wärmedämmenden Abstand zwischen Düsenmündung und Flüssiggasleitung vermieden wird.

Mit besonderem Vorteil sind um die Treibgasdüse mehrere Flüssiggasleitungen angeordnet. So kann die kinetische Energie der Grenzschicht des Gasstrahles an seinem ganzen Umfang zum Zerstäuben des Flüssiggases ausgenutzt werden. Außerdem wird auf diese Weise im Mischrohr ein sehr gleichmäßig verteiltes Gas-Flüssigkeits-Gemisch erreicht, in dem das zerstäubte Flüssiggas schnell und vollständig verdampft.

Die Erfindung sei an Hand eines schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine Verdampfungsvorrichtung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren zum Verdampfen von Flüssiggasen durchgeführt wird. Die Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einem Mischrohr 1, das senkrecht aufgestellt und am oberen und unteren Ende offen ist. Am unteren Ende ist das Mischrohr 1 zentrisch mit einer Treibgasdüse 2 versehen, deren Düsenmündung 3 eine wesentlich kleinere Querschnittsfläche aufweist als die lichte Weite des Mischrohres 1, so daß zwischen Treibgasdüse 2 und Mischrohr 1 eine ringförmige Öffnung 4 gebildet wird. Etwa rechtwinklig zur Treibgasdüse 2 ist eine Flüssiggasleitung 5 angeordnet, die an einer Durchtrittsstelle 6 das untere Ende des Mischrohres 1 durchdringt und sich mit ihrem offenen Ende 7 bis zu der der Durchtrittsstelle 6 zugewandten Innenwandung 8 der Düsenmündung 3 erstreckt.

Die Verdampfung eines Flüssiggases mit dieser Vorrichtung geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß durch einen die Düsenmündung 3 verlassenden Niederdruckluftstrahl 9 eine begrenzte Menge atmosphärischer Luft 10 angesaugt, das zu verdampfende Flüssiggas 11 zerstäubt und das zerstäubte Flüssiggas in einem Aerosol, das sich im Mischrohr 1 bildet, kontinuierlich verdampft wird. Bei 12 verlassen nur mehr Dämpfe ohne zerstäubte Flüssigkeit das obere Ende des Mischrohres 1.

Um das Ansaugen atmosphärischer Luft 10 durch den Druckluftstrahl 9 zu begünstigen, weist das untere Ende des Mischrohres 1 eine konische Erweiterung 13 auf. Um dem Druckluftstrahl 9 eine Überschallgeschwindigkeit zu verleihen, ist die Treibgasdüse 2 als Laval-Düse ausgebildet. Das offene Ende 7 der Flüssiggasleitung 5 ist abgeschrägt, wobei der Abschrägungswinkel größer als der Winkel des Kegels des Druckluftstrahles 9 ist. Zwischen der Düsenmündung 3 und dem Ende 7 der

Flüssiggasleitung 5 befindet sich ein Abstand 14, um ein Vereisen der Düsenmündung 3 zu verhindern.

Die Wirkungsweise der Erfindung sei an Hand von Zahlenbeispielen verdeutlicht.

Die Versuchsergebnisse beziehen sich auf eine erfindungsgemäße Verdampfungsvorrichtung bei folgenden Bedingungen:

Mischrohrlänge 5,5 m

Nennweite des Mischrohres 100 mm

konische Erweiterung des unteren Endes des Mischrohres

Umgebungstemperatur +5 bis +10⁰C

Temperatur in der Laval-Düse +25 bis +30⁰C

Beispiel I

150Nm³/h Treibluft bei einem Druck von 0,5 atü konnten ohne Flüssigkeitszerstäubung die 4,2fache Menge atmosphärischer Luft ansaugen und in das Mischrohr mitreißen. Die Geschwindigkeit der angesaugten Luft im Ringquerschnitt kurz vor der Flüssiggaszuführung betrug 25 m/sec. Bei gleichzeitiger Flüssiggaszuführung (flüssiger Stickstoff) ist das Gewichtsverhältnis von angesaugter Luft zu Treibluft auf einen Wert von 3,1 und die Luftgeschwindigkeit im Ringquerschnitt auf 18 m/sec abgesunken. Das Gewichtsverhältnis der verdampften Flüssiggasmenge zu Treibluftmenge betrug 2,9. Am oberen Ende des Mischrohres ergab sich eine Strömungsgeschwindigkeit von 19 m/sec und eine Gasaustrittstemperatur von -130bis-140⁰C.

Beispiel Il

ίο 600 Nm³/h Treibluft bei einem Druck von 5,5 atü konnten ohne Flüssiggaszerstäubung die 3fache Menge atmosphärischer Luft ansaugen und in das Mischrohr mitreißen. Die Geschwindigkeit der angesaugten Luft im Ringquerschnitt kurz vor der Flüssiggaszuführung betrug 68 m/sec. Bei gleichzeitiger Flüssiggaszuführung (flüssiger Stickstoff) ist das Gewichtsverhältnis von angesaugter Luft zu Treibluft auf einen Wert von 2,3 und die Luftgeschwindigkeit im Ringquerschnitt auf 47 m/sec abgesunken. Das Gewichtsverhältnis der verdampften Flüssiggasmenge zu Treibluftmenge betrug 2,5. Am oberen Ende des Mischrohres ergab sich eine Strömungsgeschwindigkeit von 63 m/sec und eine Gasaustrittstemperatur von -130 bis -140⁰C.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verdampfen eines mit Kohlenwasserstoffen verunreinigten, explosiblen, sauerstoffreichen Flüssiggases, welches beim Abstellen einer Tieftemperatur-Gasgemisch-Zerlegungsanlage aus dieser entfernt wird, wobei das Flüssiggas zerstäubt und im Wärmetausch mit einem Wärmeträger verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmeträger eine Mischung aus einem Treibgas und Luft verwendet wird, wobei durch das Treibgas gleichzeitig die Luft angesaugt und das Flüssiggas zerstäubt und daraufhin das Flüssiggas in dem sich bildenden Gemisch aus Treibgas, Luft und zerstäubtem Flüssiggas verdampft wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgas Niederdruckluft verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Treibgas überhitzter Wasserdampf verwendet wird.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem an einem Ende mit einer Treibgasdüse versehenen Mischrohr, wobei die Treibgasdüse gegenüber dem Mischrohr zentriert und zwischen Mischrohr und Treibgasdüse eine ringförmige öffnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß etwa rechtwinklig zur Treibgasdüse (2) und in Abstand zur Düsenmündung (3) mindestens eine Flüssiggasleitung (5) angeordnet ist, die sich mit ihrem offenen Ende (7) bis zur Treibgasdüse (2) erstreckt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (7) der Flüssiggasleitung (5) abgeschrägt ist.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Flüssiggasleitungen um die Treibgasdüse (2) angeordnet sind.