DE19946557A1 - Verfahren zum Eliminieren der Verdunstung von in einem dichten und isothermischen Tank enthaltenem Flüssiggas sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zum Eliminieren der Verdunstung eines Flüssiggases, das in einem dichten und thermisch isolierenden Tank (1) gelagert ist, der in die Tragstruktur eines Schiffs (N) integriert ist oder in einer Gruppe von Lagerbehältern an Land oder zu Wasser vorgesehen ist, weist den Schritt des Zirkulierenlassens eines Kühlfluids in der Masse des Flüssiggases (L) auf, um diese Masse (L) auf eine Temperatur abzukühlen, die geringfügig unter der vorgegebenen Lagerungstemperatur liegt, so daß die durch thermische Verluste während des Transports oder der Lagerung bewirkte Erwärmung der Masse kompensiert wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Eliminieren der Verdunstung eines in einem dichten und thermisch isolierenden Tanks enthaltenen Flüssiggases, insbesondere flüssiges Methan, wobei der Tank in die Tragstruktur eines Schiffs, insbesondere eines Methantankers, integriert sein kann. Die Erfindung betrifft ferner eine Vor­ richtung nach Anspruch 2 zur Durchführung des Verfahrens.

Das flüssige Methan wird im allgemeinen flüssig bei einem Druck nahe dem Atmosphärendruck und bei einer Temperatur von ungefähr -163°C gelagert. Um die Verdunstung des flüssigen Methans während des Transports zu begrenzen, wurde bereits vorgeschlagen, die thermische Isolierung des Tanks durch ver­ schiedene Verfahren zu verbessern, die in den von der Anmelderin eingereichten französischen Patentanmeldungen 2 535 831, 2 586 082, 2 629 897 und 2 683 786 beschrieben sind. Die Verbesserung der thermischen Isolie­ rung haben eine Senkung der nominellen Verdunstung pro Lagerungstag von 0,30 auf ungefähr 0,15 Gewichtsprozent verringert, jedoch ist es schwierig diese Werte zu unterschreiten.

Bei einem Methantanker ist im allgemeinen jeder Tank mit einem Mast auf dem Hauptdeck des Schiffs verbunden, um das Entweichen des verdunsteten Gases zu ermöglichen, das anderenfalls einen unzulässigen Überdruck im Tank erzeu­ gen würde. Um zu vermeiden, das verdunstete Gas in die Atmosphäre zu entlas­ sen, welches eine verschmutzende Emission darstellt, die um so weniger akzep­ tabel ist, wenn sich das Schiff nahe einem Hafen befindet, und um zu verhin­ dern, auf diese Weise einen Teil der Ladung zu verlieren, ist bekannt, die Verdunstung des Gases für den Antrieb des Schiffes zu nutzen. Zu diesem Zweck ist der Maschinenraum des Schiffs mit einer Dampfturbine ausgestattet, die gleichzeitig das verdunstende Gas und Diesel oder Heizöl verbrennen kann. Jedoch haben Dampfturbinen einen geringen Leistungsgrad und die Bifunk­ tionalität der Turbine erfordert eine Verlängerung des Maschinenraums, was sich in einer Verlängerung des Schiffs oder einer Verringerung der Höhe der Lagertanks niederschlägt. Ferner liefert das verdunstende Gas bei einem Ver­ dunstungsgrad von 0,15% lediglich 40 bis 80% des Energiebedarfs der Dampf­ turbine, die somit stets gleichzeitig auch Diesel oder Heizöl verbrennen muß.

Um den mit der Verbrennung des verdunsteten Gases einhergehenden Nachteil und das Verbrennen eines Teils der Ladung vor dem Löschen zu vermeiden, wurde ferner vorgeschlagen, auf dem Schiffsdeck eine Verflüssigungsanlage vorzusehen, um das verdunstete Gas wieder zu verflüssigen und in den Tank zurückzuführen. Diese Lösung ist jedoch sehr schwer umzusetzen, da die Ausgangsinvestitionen für eine Verflüssigungsanlage sehr hoch sind und auch der Energiebedarf einer derartigen Anlage erheblich ist. Da ferner eine Methan­ ladung im allgemeinen nicht rein ist, ist es erforderlich, eine separate Ver­ flüssigung der verschiedenen Bestandteile der Ladung durchzuführen, was den auf einem dem Seegang ausgesetzten Schiff höchst schwierigen Einsatz von Trennsäulen erfordert.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, die genannten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren zum Eliminieren der Verdunstung eines in einem dichten und thermisch isolierenden Tank, der in die Tragstruktur eines Schiffs integriert sein kann, enthaltenen Flüssiggases zu verhindern, wobei das Verfahren in der Umsetzung und der Wirkungsweise einfach und wirtschaftlich ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Eliminieren der Verdunstung eines Flüssiggases, das in einem dichten und thermisch isolierenden Tank gelagert ist, der in die Tragstruktur eines Schiffs integriert ist oder in einer Gruppe von Lagerbehältern an Land oder zu Wasser vorgesehen ist, sieht vor, ein Kühlfluid in der Masse des Flüssiggases zirkulieren zu lassen, um diese Masse auf eine Temperatur abzukühlen, die geringfügig unter der vorgegebenen Lagerungs­ temperatur liegt, so daß die durch thermische Verluste während des Transports oder der Lagerung bewirkte Erwärmung der Masse kompensiert wird. Auf diese Weise wird die Verdunstung des Flüssiggases unterbunden oder zumindest eingeschränkt. Wenn das Flüssiggas beginnt, in dem gasigen Volumen, das über der flüssigen Masse im Tank schwimmt, zu verdunsten, bewirkt das Zirkulieren des Kühlfluids eine automatische Verflüssigung des verdunsteten Gases durch Wärmeübertragung an der Grenzfläche zwischen dem Flüssiggas und dem verdunsteten Gas.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Umsetzen des Verfahrens, wobei die Vorrichtung für jeden Tank einen in die zu kühlende Flüssiggasmasse eintauchenden Wärmetauscher, einen Kompressor zum Komprimieren des Kühlfluids am Ausgang des Wärmetauschers, und eine Kühleinheit zum Kühlen des komprimierten Kühlfluids auf ihre Kühltemperatur vor dem Einleiten in den Wärmetauscher aufweist.

Vorteilhafterweise weist die Vorrichtung eine Meerwasserzirkulationseinheit zum Kühlen des komprimierten Kühlfluids vor dessen Eintritt in die Kühleinheit auf. Diese Meerwasserzirkulationseinheit kann mit einer Ballastaufnahmeein­ richtung eines Schiffs verbunden sein.

Bei einem besondere Ausführungsbeispiel ist das Kühlfluid beim Eintritt in den Wärmetauscher flüssig, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, und verdampft während des Zirkulierens in der Masse des Flüssigases, wobei die Kühleinheit in der Lage ist, das Kühlfluid in jedem Zyklus wieder zu verflüssigen. Diese Variante ist besonders effizient, da die latente Wärme des Kühlfluids zum Kühlen der Ladung verwendet wird. Das Kühlfluid kann selbstverständlich ein Gas sein, in welchem Fall das Kühlgas bei seiner Erwärmung im Wärmetau­ scher eine Volumenänderung erfährt, beispielsweise nach dem bekannten Joule- Thompson-Zyklus.

Nach einem anderen Merkmal ist die Kühleinheit in der Lage, das Kühlfluid vor dem Eintritt in den Wärmetauscher auf eine Kühltemperatur zu bringen, die ungefähr 30°C unter der Solltemperatur der Flüssiggasmasse liegt.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist jeder Tank mit einem Mano­ meter zum Kontrollieren der Druckveränderungen im Gasvolumen versehen, das über der Flüssiggasmasse im Tank schwimmt. In diesem Fall kann das Manometer die Zirkulation des Kühlfluids einleiten, wenn der vom Manometer erkannte Druck über einem ersten vorbestimmten Schwellenwert liegt, beispiels­ weise 5 mbar über dem Soll-Lagerungsdruck, der im allgemeinen in der Grö­ ßenordnung von 1060 mbar liegt, und es kann die Zirkulation anhalten, sobald der erkannte Druck unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegt, beispielsweise 5 mbar unter dem Solldruck.

Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher im Inneren des Tanks durch einen Flüssiggas-Lade-/Entladeturm gestützt, der an einer der vertikalen Querwände des Tanks vorgesehen ist.

Der Wärmetauscher kann ein oder mehrere langgestreckte Rohre, aufweisen, deren Enden das Dach des Tanks durchdringen, wobei jedes langgestreckte Rohr oder jede Gruppe von langgestreckten Rohren seitlich von einem Hohlrohr umgeben sein kann, welches einen Konvektionsschacht bildet, der an beiden vertikalen Enden offen ist, um Konvektionsbewegung in der Masse des Flüssig­ gases durch jeden Schacht hindurch zu erzeugen.

Vorteilhafterweise sind der Kompressor und die Kühleinheit auf dem Schiffs­ deck am Lade-/Entladeturm jedes Tanks angeordnet.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird im folgenden ein in den zu­ gehörigen Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel als rein illustratives und nicht beschränkendes Beispiel beschrieben.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische, teilweise geschnittene Längsseitenansicht eines Methantankers klassischen Aufbaus, und

Fig. 2 eine vergrößerte, teilweise geschnittene Darstellung eines Tanks des Schiffs von Fig. 1 nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1 zeigt eine Methantanker N mit klassischem Aufbau, der vier Tanks 1 zum Lagern der Ladung aufweist, wobei jeder Tank mit einem Mast 2 auf dem Hauptdeck 3 des Schiffs verbunden ist, die bei einem Überdruck im Tank dem Entweichen des Gases dienen. Im hinteren Bereich des Schiffs N ist ein Maschi­ nenraum 14 vorgesehen, der üblicherweise eine Dampfturbine aufweist, die für den Betrieb Diesel und/oder aus den Tanks kommendes verdunstetes Gas verbrennt.

Die Tanks 1 sind voneinander durch doppelte Querwände 4 getrennt, die unter der Bezeichnung "Cofferdam" bekannt sind. Der Boden jedes Tanks ist durch die Innenwand 5 des Doppelrumpfs des Schiffs gebildet, während der Zwi­ schenraum zwischen der Innenwand 5 und der Außenwand 6 des Doppelrumpfs als Ballast dient. In an sich bekannter Weise weist jeder Tank 1 einen Lade- /Entladeturm 7 zum Laden der Ladung in den Tank vor dem Transport und zum Entladen der Ladung nach dem Transport auf.

Wie in der Fig. 2 besser erkennbar, erstreckt sich der Turm 7 nahe einer Querwand des "Cofferdam" 4 über die gesamte Höhe des Tanks 1 und weist in seinem unteren Bereich eine Pumpe 8 für das Entladen der Ladung auf. In an sich bekannter Weise weist der Turm 7 eine Ladeleitung und eine Entladelei­ tung für die Ladung auf, wobei der Turm vom Dreifuß-Typ sein kann, das heißt drei vertikale Masten aufweisen kann, die die Gesamtheit der Lade- und Entla­ deleitungen stützen.

In an sich bekannter Weise weist jeder Tank 1 eine sekundäre thermisch isolie­ rende Sperrschicht 10, die an der Tragstruktur des Schiffs, insbesondere an der Innenwand 5 des Doppelrumpfs und den Querwänden 4, befestigt ist, und eine sekundäre 11 sowie eine primäre Dichtsperrschicht 12 auf, die an der sekundä­ ren isolierenden Sperrschicht 10 angebracht sind. Zwischen der sekundären 11 und der primären Dichtsperrschicht 12 ist im allgemeinen eine primäre ther­ misch isolierende Sperrschicht 13 oder eine stoßfeste mechanische Schutzvor­ richtung vorgesehen, wie sie in der französischen Patentanmeldung 98/08196 der Anmelderin vom 10. Juli 1998 beschrieben ist.

In der Fig. 2 ist die Trennlinie S zwischen der Flüssiggasmasse L und dem gasigen Ladungsvolumen G im Inneren des Tanks 1 dargestellt.

Durch einen allgemeinen Block 20 ist in Fig. 2 eine mit einem Kompressor verbundene Kühleinheit dargestellt, beispielsweise zum Zirkulieren von flüssi­ gem Stickstoff. Die Kühleinheit kann zum Wiederverflüssigen des flüssigen Stickstoffs beim Verlassen des Tanks geeignet sein. Der Block 20 ist auf dem Hauptdeck 3 des Schiffs angebracht.

Eine Zuführleitung 21 und eine Abführleitung 22 sind mit dem Block 20 zum Zirkulieren von Meerwasser vorgesehen, das beispielsweise aus einer Ballast­ aufnahemeinrichtung des Schiffs kommt.

Wenigstes ein langgestrecktes Rohr 23 ist an seinem Einlaß 23a und an seinem Auslaß 23b mit dem Block 20 verbunden. Das langgestreckte Rohr 23 bildet einen Wärmetauscher, der sich vertikal in den Tank 1 erstreckt, und zwar im wesentlichen auf halber Höhe vom Boden aus. Obwohl in den Zeichnungen nicht dargestellt, ist jedes Langgestreckte Rohr 23 vorteilhafterweise durch eine Mast des Turms 7 gestützt. Zu diesem Zweck erstreckt sich jedes langgestreckte Rohr 23 in der Nähe des Turms 7.

Um jedes langgestreckte Rohr 23 ist ein Hohlrohr 24 angeordnet, das einen Konvektionsschacht im Inneren des Tanks 1 bildet. Dieses Rohr 24 ist an beiden vertikalen Enden offen, um eine Konvektionsbewegung der in dem Tank 1 gelagerten Ladung zu bewirken.

Im folgenden wird die Funktionsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung beschrieben.

Das flüssige Methan L und das geringe gasige Volumen G werden im Tank 1 bei einer Temperatur von ungefähr -163°C gelagert.

Die Kühleinheit 20 leitet flüssigen Stickstoff mit einer Temperatur von -196°C zirkulierend durch das langgestreckte Rohr 23, wodurch das flüssige Methan L um das Rohr 23 gekühlt wird. Da das derart gekühlte flüssige Methan dichter wird, sinkt es in dem Tank 1 nach unten, während das noch nicht gekühlte flüssige Methan umgekehrt aufsteigt. Diese Konvektionsbewegung des flüssi­ gen Methans L wird durch die Konvektionsschächte 24 kanalisiert, um diese Konvektionsbewegung in dem gesamten Tank 1 zu erzeugen. Beispielsweise kann das Hohlrohr 24 einen Durchmesser von ungefähr 1 Meter aufweisen. Selbstverständlich kann der Wärmetauscher mehrere langgestreckte Rohre 23 oder Rohre mit mehreren Krümmungen sowie mehrere Konvektionsrohre 24 aufweisen. Das Hohlrohr 24 weist an seinem oberen Ende im wesentlichen die Form eines nach außen aufgeweiteten Trichters 24a zur Unterstützung der Konvektionsbewegung.

Im Verlauf der Zirkulation im langgestreckten Rohr 23 verdunstet der flüssige Stickstoff, wodurch eine effizientere Kühlung des flüssigen Methans L durch Ausnutzen der latenten Wärme des Stickstoffs möglich ist. Aus diesem Grund ist es ebenfalls möglich, gasigen Stickstoff zu verwenden, wobei der gasige Stickstoff eine Volumenänderung während der Zirkulation im Wärmetauscher erfährt. Beim Verlassen des langgestreckten Rohrs 23 an dessen Auslaß 23a weist der Stickstoff eine Temperatur von ungefähr -163°C auf. Der Stickstoff strömt sodann in den Kompressor 20, beispielsweise ein dreistufiger Kom­ pressor, der den Stickstoff auf eine Temperatur von beispielsweise ungefähr +130°C bringt. Der derart komprimierte Stickstoff wird in einem ersten Zeit­ raum durch die Meerwasserzirkulationsleitungen 21, 22 auf eine Maximal­ temperatur von ungefähr +30°C, das heißt die Meerwassertemperatur, gekühlt.

Schließlich wird der komprimierte Stickstoff in einer Kühleinheit wieder ver­ flüssigt, um ihn auf eine Temperatur von -196°C zu bringen.

Da die Kühleinheit und der Kompressor 20 in der Vertikalen des Turms 7 angeordnet sind, ist es möglich, die verfügbare Leistung für die Entladepumpe 8 zu verwenden, da diese während des Transports nicht arbeitet, sondern aus­ schließlich beim Entladen.

Der Block 20 ist vorteilhafterweise mit einem Manometer 25 verbunden, das im gasigen Volumen G des Tanks 1 angeordnet ist, um Druckschwankungen in diesem gasigen Volumen zu erkennen. Bei einem Soll-Lagerdruck von ungefähr 1060 mbar im gasigen Volumen G, zum Beispiel, erkennt das Manometer 25 eine Schwankung von 5 mbar über und unter diesem Wert, um jeweils die Kühleinheit und den Kompressor einzuschalten oder abzuschalten. Da die Ladung in jedem Tank eine starke thermische Trägheit aufweist, arbeiten die Kühleinheit und der Kompressor 20 im allgemeinen über mehrere Stunden, bevor sie eine geringe Abkühlung der Ladung erreichen und das an der Grenz­ fläche S zum Flüssiggas L verdunstete Methan wieder zu verflüssigen. In derselben Weise bleiben die Kühleinheit und der Kompressor 20 für mehrere Stunden angehalten, bis eine erneute Verdunstung des Flüssiggases eintreten kann.

Da thermische Verluste infolge von Sonneneinstrahlung auf das Deck im wesentlichen tagsüber auftreten, ist es in der Praxis möglich, den Kompressor und die Kühleinheit 20 automatisch tags zu betreiben und nachts abzuschalten.

Durch die Erfindung ist es möglich, die Dampfturbine durch einen Dieselmotor zu ersetzen, der mit Diesel arbeitet, wodurch eine bessere Leistung und ein geringerer Platzbedarf erreicht werden, so daß der Maschinenraum verkleinert werden kann. Die Größe des Maschinenraums kann um ungefähr 10% verrin­ gert werden, was sich in einer um mehrere Meter geringeren Länge ausdrückt. Desgleichen kann jeder hinsichtlich des Maschinenraums gewonnene Meter zur Vergrößerung des Tankvolumens dienen, was im Hinblick auf die Größe der Tanks sehr wichtig ist.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht im Wegfall sämtlicher Leitungen zum Zirkulieren des verdunsteten Gases zum Maschinenraum oder zu einer eventuellen Verflüssigungsanlage.

Da es sich bei dem Kühlfluid um Stickstoff handelt, ist bei jedem Tank eine Stickstoffreserve vorgesehen, die in die Ballasttanks eingeleitet werden kann, um den Gehalt an brennbarem Sauerstoff zu verringern und einen Brand im Falle eines Stoßes auf die Ballasttanks, beispielsweise beim Zusammenprall mit einem anderen Schiff, zu verhindern.

Claims (12)

1. Verfahren zum Eliminieren der Verdunstung eines Flüssiggases, das in einem dichten und thermisch isolierenden Tank (1) gelagert ist, der in die Tragstruktur eines Schiffs (N) integriert ist oder in einer Gruppe von Lagerbehältern an Land oder zu Wasser vorgesehen ist, mit dem Schritt des Zirkulierenlassens eines Kühlfluids in der Masse des Flüssiggases (L), um diese Masse (L) auf eine Temperatur abzukühlen, die geringfügig unter der vorgegebenen Lagerungs­ temperatur liegt, so daß die durch thermische Verluste während des Transports oder der Lagerung bewirkte Erwärmung der Masse kompensiert wird.

2. Vorrichtung zum Umsetzen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Vorrichtung für jeden Tank (1) einen in die zu kühlende Flüssiggasmasse (L) eintauchenden Wärmetauscher (23), einen Kompressor (20) zum Komprimieren des Kühlfluids am Ausgang des Wärmetauschers, und eine Kühleinheit (20) zum Kühlen des komprimierten Kühlfluids auf ihre Kühltemperatur vor dem Einleiten in den Wärmetauscher aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Meer­ wasserzirkulationseinheit (21, 22) zum Kühlen des komprimierten Kühlfluids vor dessen Eintritt in die Kühleinheit (20) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meerwasser­ zirkulationseinheit (21, 22) mit einer Ballastaufnahmeeinrichtung eines Schiffs verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid beim Eintritt in den Wärmetauscher (23) flüssig, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, ist und während des Zirkulierens in der Masse des Flüssiga­ ses (L) verdampft, wobei die Kühleinheit (20) in der Lage ist, das Kühlfluid in jedem Zyklus wieder zu verflüssigen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühleinheit (20) in der Lage ist, das Kühlfluid vor dem Eintritt in den Wärmetauscher (23) auf eine Kühltemperatur zu bringen, die ungefähr 30°C unter der Solltemperatur der Flüssiggasmasse (L) liegt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Tank (1) mit einem Manometer (25) zum Kontrollieren der Druckver­ änderungen im Gasvolumen versehen ist, das über der Flüssiggasmasse im Tank schwimmt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Manometer (25) die Zirkulation des Kühlfluids einleiten, wenn der vom Manometer erkann­ te Druck über einem ersten vorbestimmten Schwellenwert liegt, beispielsweise 5 mbar über dem Soll-Lagerungsdruck, der im allgemeinen in der Größen­ ordnung von 1060 mbar liegt, und es kann die Zirkulation anhalten, sobald der erkannte Druck unter einem zweiten vorbestimmten Schwellenwert liegt, bei­ spielsweise 5 mbar unter dem Solldruck.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (23) im Inneren des Tanks (1) durch einen Flüssiggas-Lade- /Entladeturm (7) gestützt ist, der an einer der vertikalen Querwände (4) des Tanks vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetau­ scher ein oder mehrere längliche Rohre (23) aufweist, deren Enden das Dach des Tanks (1) durchdringen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedes läng­ liche Rohr oder jede Gruppe von länglichen Rohren (23) seitlich von einem Hohlrohr (24) umgeben ist, welches einen Konvektionsschacht bildet, der an beiden vertikalen Enden offen ist, um Konvektionsbewegung in der Masse des Flüssiggases (L) durch jeden Schacht hindurch zu erzeugen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor und die Kühleinheit (20) auf dem Schiffsdeck (3) am Lade-/Entladeturm (7) jedes Tanks (1) angeordnet sind.