DE19941545A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung der Kälte eines tiefkalten, verflüssigten Gases - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung der Kälte eines tiefkalten, verflüssigten Gases

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Bereitstellung von Prozeßkälte wird ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas einem Wärmetauscher zugeführt und gibt seinen Kälteinhalt an ein Wärmeübertragungsmedium ab. Das Wärmeübertragungsmedium ist dafür vorgesehen, einen Prozeß zu kühlen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte, verflüssigte Gas einem ersten Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem ersten Wärmetauscher das tiefkalte, verflüssigte Gas zumindest einen Teil seines Kälteinhalts an ein Kälteübertragungsmedium abgibt und dabei erwärmt wird, daß das erwärmte Gas aus dem ersten Wärmetauscher einem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem zweiten Wärmetauscher das erwärmte Gas weiter erwärmt wird und anschließend einer weiteren Verwendung zugeführt wird, daß das gekühlte Kälteübertragungsmedium aus dem ersten Wärmetauscher einem Kältespeicher zugeführt wird und zumindest einen Teil seines Kälteinhalts an den Kältespeicher abgibt und dabei erwärmt wird, und daß der Kälteinhalt des Kältespeichers im Bedarfsfall an das Wärmeübertragungsmedium zumindest teilweise abgegeben wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung der Kälte eines tiefkalten, verflüssigten Gases, bei dem das tiefkalte, verflüssigte Gas einem Wärmetauscher zugeführt wird und seinen Kälteinhalt an ein Wärmeübertragungsmedium abgibt, welches Wärmeübertragungsmedium dafür vorgesehen ist, einen Prozeß zu kühlen, und bei dem das Gas aus dem Wärmetauscher abgeführt wird und einer Verwendung zugeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Nutzung der Kälte eines tiefkalten, verflüssigten Gases, welche Vorrichtung einen Wärmetauscher aufweist, der mit einer Quelle für ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas verbunden ist, in welchem Wärmetauscher das tiefkalte, verflüssigte Gas erwärmt wird und anschließend einer Verwendung zugeführt wird und welcher Wärmetauscher eine Zuführleitung und eine Abführleitung für ein Wärmeübertragungsmedium aufweist, welches Wärmeüberrtagungsmedium dafür vorgesehen ist, einen Prozeß zu kühlen.
Bei vielen Benutzern von größeren Mengen eines Industriegases wie Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Methan oder Kohlendioxid, zum Beispiel in der chemischen Industrie, wird das Gas verflüssigt und in einem Kaltvergaser gelagert. Das tiefkalte, verflüssigte Gase wird bei Bedarf in einem Luftverdampfer verdampft, wobei die Umgebungswärme für die Verdampfung genutzt wird. Damit wird die in den tiefkalten verflüssigten Gasen, insbesondere in tiefkaltem, verflüssigten Stickstoff, gespeicherte Kälte an die Umgebung abgegeben. In vielen Fällen wird am gleichen Standort auch Prozeßkälte benötigt, wobei der Bedarf an Prozeßkälte nicht gleichzeitig mit dem Gasbedarf anfällt. Der Begriff "Prozeßkälte" bedeutet hier die für einen bestimmten Prozeß erforderliche Kälte zur Kühlung. In der Regel erfordert der Prozeß, daß die Prozeßkälte gegenüber dem Temperaturniveau des verdampfenden Gases ein höheres Temperaturniveau aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, bei dem eine Versorgung mit Prozeßkälte unabhängig von der Verwendung des Gases erfolgen kann und bei dem die Prozeßkälte das erforderliche Temperaturniveau aufweist.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Nutzung der Kälte eines tiefkalten, verflüssigten Gases gelöst, bei dem das tiefkalte, verflüssigte Gas einem Wärmetauscher zugeführt und seinen Kälteinhalt an ein Wärmeübertragungsmedium abgibt, welches Wärmeübertragungsmedium dafür vorgesehen ist, einen Prozeß zu kühlen, und bei dem das Gas aus dem Wärmetauscher abgeführt wird und einer Verwendung zugeführt wird, und welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß das tiefkalte verflüssigte Gas einem Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem ersten Wärmetauscher das tiefkalte, verflüssigte Gas zumindest einen Teil seines Kälteinhalts an ein Kälteübertragungsmedium abgibt und dabei erwärmt wird, daß das erwärmte Gas aus dem ersten Wärmetauscher einem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem zweiten Wärmetauscher das erwärmte Gas weiter erwärmt wird und anschließend einer Verwendung zugeführt wird, daß das gekühlte Kälteübertragungsmedium aus dem ersten Wärmetauscher einem Kältespeicher zugeführt wird und zumindest einen Teil seines Kälteinhalts an den Kältespeicher abgibt und dabei erwärmt wird, und daß der Kälteinhalt des Kältespeichers im Bedarfsfall an das Wärmeübertragungsmedium zumindest teilweise abgegeben wird.
Vorteilhaft kann so einerseits das Gas bedarfsgerecht mit einer entsprechenden Temperatur für einen weiteren Zweck eingesetzt werden und andererseits wird der Kälteinhalt des tiefkalten, verflüssigten Gases mit Hilfe des ersten Wärmetauschers durch das Kälteübertragungsmedium in einen Kältespeicher gespeichert und kann so im Bedarfsfall genutzt werden. Es kann ein hoher Anteil des Kälteinhalts des tiefkalten Gases für Kühlungszwecke eingesetzt werden, was zu einer Kostenreduzierung für den Prozeß führt.
Nach der Erfindung ist es vorgesehen, daß das tiefkalte verflüssigte Gas Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Kohlendioxid oder Methan, vorzugsweise Stickstoff, ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, daß die erforderliche Kälte für das Verfahren relativ kostengünstig bereitgestellt werden kann.
Erfindungsgemäß ist das Kälteübertragungsmedium ein Wasser-Glykol-Gemisch. Die Maßnahme führt dazu, daß vorteilhaft die Kälte des kryogenen Kältemediums genutzt werden kann und sicher auf den Kältespeicher übertragen werden kann.
Es ist nach der Erfindung vorgesehen, daß der Kältespeicher hohlförmige Körper, vorzugsweise kugelige Körper, aufweist, welche hohlförmigen Körper mit einem Stoff, vorzugsweise eine eutektische Flüssigkeit, gefüllt sind, welcher Stoff, durch Zufuhr des gekühlten Kälteübertragungsmedium zumindest teilweise einfriert und bei Zufuhr des Wärmeübertragungsmediums in den Kältespeicher schmilzt und so seine latente Kälte an das Wärmeübertragungsmedium abgibt. Durch diese Verfahrensweise wird vorteilhaft eine sichere und effiziente Speicherung des Kälteinhalts im Kältespeicher ermöglicht.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung zur Nutzung der Kälte eines tiefkalten, verflüssigten Gases, insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, gelöst, welche Vorrichtung einen Wärmetauscher aufweist, der mit einer Quelle für ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas verbunden ist, in welchem Wärmetauscher das tiefkalte, verflüssigte Gas erwärmt wird und anschließend einer Verwendung zugeführt wird und welcher Wärmetauscher eine Zuführleitung und eine Abführleitung für ein Wärmeübertragungsmedium aufweist, welches Wärmeübertragungsmedium dafür vorgesehen ist, einen Prozeß zu kühlen, welche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß ein erster Wärmetauscher eine Zuführleitung für das tiefkalte, verflüssigte Gas und eine Abführleitung für das erwärmte Gas und eine Zuführleitung und eine Abführleitung für ein Kälteübertragungsmedium aufweist, daß die Abführleitung für das erwärmte Gas aus dem ersten Wärmetauscher mit einem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, in welchem zweiten Wärmetauscher das erwärmte Gas weiter erwärmt wird und welcher zweite Wärmetauscher eine Abführleitung für das weiter erwärmte Gas aufweist, um das weiter erwärmte Gas einer Verwendung zuzuführen, daß die Zuführleitung und die Abführleitung für das Kälteübertragungsmedium mit einem Kältespeicher verbunden sind, um zumindest einen Teil des Kälteinhalts des Kälteübertragungsmediums an den Kältespeicher abzugeben, und daß der Kältespeicher mit einer Zuführleitung und einer Abführleitung für das Wärmeübertragungsmedium verbunden ist, um den Kälteinhalt des Kältespeichers im Bedarfsfall zumindest teilweise an das Wärmeübertragungsmedium abzugeben.
Durch diese Vorrichtung gemäß der Erfindung wird der Kälteinhalt des tiefkalten Gases besonders effizient genutzt. Zumindest ein Teil des Kälteinhalts wird in dem Kältespeicher gespeichert und das Gas kann andererseits der Verwendung zugeführt werden.
Nach der Erfindung ist die Quelle für das tiefkalte, verflüssigte Gas ein Vorratsbehälter für Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Kohlendioxid oder Methan, vorzugsweise Stickstoff. Durch Einsatz dieser Gase kann vorteilhaft die erforderliche Kälte relativ kostengünstig bereitgestellt werden. Zudem ist der apparative Aufwand relativ gering, die Entstehungskosten der Anlage sind daher relativ niedrig.
Erfindungsgemäß ist das Kälteübertragungsmedium ein Wasser-Glykol-Gemisch. Daraus ergibt sich der Vorteil einer relativ sicheren Übertragung des Kälteinhalts auf den Kältespeicher.
Es ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß der Kältespeicher hohlförmige Körper, vorzugsweise kugelige Körper, enthält, welche hohlförmigen Körper mit einem Stoff, vorzugsweise einer eutektischen Flüssigkeit, gefüllt sind, welcher Stoff durch Zufuhr des gekühlten Kälteübertragungsmedium zumindest teilweise einfriert und bei Zufuhr des Wärmeübertragungsmediums in den Kältespeicher schmilzt und so seine latente Kälte an das Wärmeübertragungsmedium abgibt. Mit einem derartigen Kältespeicher kann der Kälteinhalt ohne einen besonderen technischen Aufwand sicher, effizient und über einen relativ langen Zeitraum gespeichert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren oder die Vorrichtung wird vorteilhaft für die Kühlung eines chemischen Prozesses eingesetzt.
Die erfindungsgenäße Vorrichtung sowie das Verfahren werden nun anhand einer Abbildung (Figur) und eines Ausführungsbeispiels beispielhaft näher erläutert.
Die Figur zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Wärmetauschern und einem Kältespeicher.
Die in der Figur dargestellte Vorrichtung weist einen Vorratsbehälter 1 für ein tiefkaltes, flüssiges Gas, hier tiefkalter, flüssiger Stickstoff, auf. Der tiefkalte, flüssige Stickstoff wird über eine Leitung 2 einem ersten Wärmetauscher 3 zugeführt. Der tiefkalte, flüssige Stickstoff wird in dem ersten Wärmetauscher 3 erwärmt und gibt seine Kälte zumindest teilweise an ein Kälteübertragungsmedium, zum Beispiel ein Wasser-Glykol-Gemisch, ab. Der erwärmte Stickstoff wird über eine Leitung 4 einem zweiten Wärmetauscher 5 zugeführt, der durch die Umgebungswärme erhitzt wird und in welchem der Stickstoff weiter erwärmt und verdampft wird. Der gasförmige Stickstoff wird anschließend über eine Leitung 6 beispielsweise in eine Leitung 7 eines vorhandenen Gasnetzes eingespeist und so einer Verwendung zugeführt. Das im ersten Wärmetauscher 3 gekühlte Kälteübertragungsmedium wird über eine Leitung 8 einem Kältespeicher 8 zugeführt, der vorzugsweise eine Schüttung von hohlen Kunststoffkugeln aufweist. Diese Kunststoffkugeln sind mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise einer eutektischen Flüssigkeit, gefüllt, wobei der Schmelzpunkt der Flüssigkeit höher liegt als die Temperatur des zugeführten Kälteübertragungsmediums. Daher gefriert die Flüssigkeit in den Kugeln durch das zugeführte Kälteübertragungsmedium und speichert die Kälte. Über eine Leitung 10 und einen Verdichter 11, beispielsweise eine Pumpe, wird das Kälteübertragungsmedium in den ersten Wärmetauscher 3 zurückgeführt. Bei Bedarf an Prozeßkälte wird das erwärmte Wärmeübertragungsmedium von einem Kälteverbraucher 12 über eine Leitung 13 dem Kältespeicher 9 zugeführt. An den Kugeln mit der gefrorenen Flüssigkeit wird das Wärmeübertragungsmedium gekühlt. Die Kugeln werden dabei erwärmt, wobei die gefrorene Flüssigkeit in den Kugeln schmilzt, der Umgebung Wärme entzieht und die latente Kälte an das Wärmeübertragungsmedium abgibt. Das gekühlte Wärmeübertragungsmedium wird aus dem Kältespeicher 9 über eine Leitung 14 zum Kälteverbraucher 12 zurückgeführt. Bei der Kältespeicherung kann die Zufuhr des tiefkalten, flüssigen Stickstoffs entsprechend dem jeweiligen Gasbedarf geregelt werden. Wenn in dem Kältespeicher die Flüssigkeit in allen Kugeln gefroren ist, dann wird der tiefkalte, flüssige Stickstoff aus dem Vorratsbehälter 1 mit Hilfe eines Ventils 15 über eine Leitung 16 direkt in die Leitung 4 geführt und dem zweiten Wärmetauscher 5 zugeführt. Dadurch kann ein Einfrieren des Kälteübertragungsmediums im ersten Wärmetauscher 3 verhindert werden. Falls bei der Kältenutzung das aus dem Kältespeicher 9 kommende Wärmeübertragungsmedium nicht die geeignete Temperatur aufweist, kann das Wärmeübertragungsmedium aus dem Kälteverbraucher 12 mit Hilfe des Ventils 17 über eine Leitung 18 direkt in die Leitung 14 und somit direkt zum Verbraucher 12 zurückgeführt werden. Bei Bedarf können beide Verfahrensvarianten auch gleichzeitig durchgeführt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Nutzung der Kälte eines tiefkalten, verflüssigten Gases, bei dem das tiefkalte, verflüssigte Gas einem Wärmetauscher zugeführt wird und seinen Kälteinhalt an ein Wärmeübertragungsmedium abgibt, welches Wärmeübertragungsmedium dafür vorgesehen ist, einen Prozeß zu kühlen, und bei dem das Gas aus dem Wärmetauscher abgeführt wird und einer Verwendung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte verflüssigte Gas einem ersten Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem ersten Wärmetauscher das tiefkalte, verflüssigte Gas zumindest einen Teil seines Kälteinhalts an ein Kälteübertragungsmedium abgibt und dabei erwärmt wird, daß das erwärmte Gas aus dem ersten Wärmetauscher einem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem zweiten Wärmetauscher das erwärmte Gas weiter erwärmt wird und anschließend einer Verwendung zugeführt wird, daß das gekühlte Kälteübertragungsmedium aus dem ersten Wärmetauscher einem Kältespeicher zugeführt wird und zumindest einen Teil seines Kälteinhalts an den Kältespeicher abgibt und dabei erwärmt wird, und daß der Kälteinhalt des Kältespeichers im Bedarfsfall an das Wärmeübertragungsmedium zumindest teilweise abgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das tiefkalte verflüssigte Gas Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Kohlendioxid oder Methan, vorzugsweise Stickstoff, ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kälteübertragungsmedium ein Wasser-Glykol-Gemisch ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältespeicher hohlförmige Körper, vorzugsweise kugelige Körper, enthält, welche hohlförmigen Körper mit einem Stoff gefüllt sind, welcher Stoff durch Zufuhr des gekühlten Kälteübertragungsmediums zumindest teilweise einfriert und bei Zufuhr des Wärmeübertragungsmediums in den Kältespeicher schmilzt und seine latente Kälte an das Wärmeübertragungsmedium abgibt.
5. Verfahren nach einem der Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stoff in den hohlförmigen Körpern eine eutektische Flüssigkeit ist.
6. Vorrichtung zur Nutzung der Kälte eines tiefkalten, verflüssigten Gases, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, welche Vorrichtung einen Wärmetauscher aufweist, der mit einer Quelle für ein tiefkaltes, verflüssigtes Gas verbunden ist, in welchem Wärmetauscher das tiefkalte, verflüssigte Gas erwärmt wird und anschließend einer Verwendung zugeführt wird und welcher Wärmetauscher eine Zuführleitung und eine Abführleitung für ein Wärmeübertragungsmedium aufweist, welches Wärmeübertragungsmedium dafür vorgesehen ist, einen Prozeß zu kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wärmetauscher eine Zuführleitung für das tiefkalte, verflüssigte Gas und eine Abführleitung für das erwärmte Gas und eine Zuführleitung und eine Abführleitung für ein Kälteübertragungsmedium aufweist, daß die Abführleitung für das erwärmte Gas aus dem ersten Wärmetauscher mit einem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, in welchem zweiten Wärmetauscher das erwärmte Gas weiter erwärmt wird und welcher zweite Wärmetauscher eine Abführleitung für das weiter erwärmte Gas aufweist, um das weiter erwärmte Gas einer Verwendung zuzuführen, daß die Zuführleitung und die Abführleitung für das Kälteübertragungsmedium mit einem Kältespeicher verbunden sind, um zumindest einen Teil des Kälteinhalts des Kälteübertragungsmediums an den Kältespeicher abzugeben, und daß der Kältespeicher mit einer Zuführleitung und einer Abführleitung für das Wärmeübertragungsmedium verbunden ist, um den Kälteinhalt des Kältespeichers im Bedarfsfall zumindest teilweise an das Wärmeübertragungsmedium abzugeben.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle für das tiefkalte, verflüssigte Gas ein Vorratsbehälter für Sauerstoff, Stickstoff, Wasserstoff, Argon, Kohlendioxid oder Methan, vorzugsweise Stickstoff, ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kälteübertragungsmedium ein Wasser-Glykol-Gemisch oder ein . . . ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältespeicher hohlförmige Körper, vorzugsweise kugelige Körper, enthält, welche hohlförmigen Körper mit einem Stoff, vorzugsweise einer eutektischen Flüssigkeit, gefüllt sind, welcher Stoff durch Zufuhr des gekühlten Kälteübertragungsmediums zumindest teilweise einfriert und bei Zufuhr des Wärmeübertragungsmediums in den Kältespeicher schmilzt und seine latente Kälte an das Wärmeübertragungsmedium abgibt.
10. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren oder die Vorrichtung für die Kühlung eines chemischen Prozesses eingesetzt wird.
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