DE2351475C2 - Verfahren zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Kryogene Flüssigkeiten, wie z. B. verflüssigtes Erdgas, werden häufig bei der entsprechenden tiefen Temperatur gespeichert und erst dann verdampft und einem Verbraucher zugeführt, wenn s*~ benötigt werden. Bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art (DE-OS 22 18 307) wird ein Strom flüssigen Erdgases zunächst verdampft und der daraus entstandene Gassirom in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine durch die von einer Gasturbine angesaugte Brennluft und der andere durch die Abgase der Gasturbine erhitzt wird. Nach der erneuten Vereinigung der beiden Teilströme wird in den resultierenden Gasstrom in einer Mischvorrichtung zum Zweck der Temperatursteuerung eine im Verhältnis zu dem Gasstrom geringere Menge an flüsagem Erdgas eingespritzt und dadurch verdampft. Bei diesem bekannten Verfahren wird somit das den Gasstrom bildende Produktgas ausschließlich durch Verdampfen des flüssigen Erdgases aus dem Speichertank gewonnen.

Bei einem anderen bekannten Verfahren, das nicht zu der hier betrachteten Gattung gehört, wird ebenfalls aus einem Speichertank flüssiges Erdgas zunächst in indirektem Wärmeaustausch mit dem dampfförmigen Strömungsmedium eines geschlossenen Gasturbinenkreislaufes und anschließend mit der von einer Gasturbine angesaugten Brennluft geführt, um es zu verdampfen und einem Verbraucher zuzuführen (GB-PS 9 33 584).

Demgegenüber befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren, bei dem bereits ein zu einem Verbraucher strömender Gasstrom eines verdampften Kryogens vorliegt, dessen Menge zur Deckung des Spitzenbedarfes dadurch erhöht wird, daß kryogene Flüssigkeit verdampft und mit dem Gasstrom vereinigt wird. Hierbei geht es vor allem darum, das Verdampfen der kryogenen Flüssigkeit auf anlagentechnisch einfache und verfahrensmäßig wirtschaftliche Weise auszuführen und den Zustand des Gasstromes (Druck, Temperatur) durch die Vereinigung mit dem zugeführten kryogenen Medium möglichst wenig zu verändern.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, durch welches einem Gasstrom zur Deckung des Spiitzenbedarfes auf wirtschaftliche Weise zusätzliches kryogenes Medium zugeführt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruches 1.

Dadurch, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Gasstrom ein Nebenstrom abgetrennt und erhitzt und in den erhitzten Gasstrom das zu verdampfende kryogene Medium eingespritzt wird, ist es leichter möglich, die durchgesetzte Gasmenge des Nebenstromes auf eine einheitliche höhere Temperatur zu bringen. Dementsprechend können kleine Wärmetauscher und Erhitzer verwendet werden und steuerungstechnisch läßt sich die Temperatur des nach dem Einspritzen der zu verdampfenden kryogenen Flüssigkeit entstehenden Gasgemisches besser beherrschen. Im Ergebnis wird dadurch die zugeführte Wärmemenge weitestgehend genutzt.

Nach einer vorteilhaften Verfahrensausgesiaitung ist vorgesehen, daß vor der Einspritzung der kryogenen Flüssigkeit in den Nebenstrom dessen Druck vor der Erhitzung erhöht wird. Hierdurch kann einem Druckabfall beim Einspritzen der kryogenen Flüssigkeit und beim darauffolgenden Mischvorgang von vornherein Rechnung getragen- werden, so daß nach der Vereinigung des entstehenden Gasgemisches mit dem Gasstrom keine wesentlichen Zustandsänderungen zu erwarten sind.

Eine weitere vorteilhafte Verfahrensausgestaltung ergibt sich aus dem Anspruch 3.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens sind nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 ein Schaltbild einer Anlage zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit und zur Vereinigung der verdampften Flüssigkeit mit einem Gasstrom;

F i g. 2 ein Schaltbild einer weitet <>;i Ausführungsform einer derartigen Anlage, und

F i g. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der in den Schaltbildern in den F i g. 1 und 2 widergegebenen Kontakt- und Mischeinrichtung.

In F i g. 1 ist schematisch eine Anlage 10 zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit und deren Vereinigung mit einem Gasstrom dargestellt. Die Anlage 10 umfaßt im wesentlichen eine Leitung 12 zur Aufnahme und Zufuhr eines Gasstromes. Die Leitung 12 kann die Haupt-Pipeline sein, durch die der Gasstrom einem Verteilersystem oder einem sonstigen Verbraucher zugeführt wird. Die Leitung 12 kann aber auch eine Hilfs-Pipeline sein, die an die Haupt-Pipeüne angeschlossen ist und durch die der ganze Gasstrom oder ein Teilstrom davon in der Zeit geführt wird, in der ein Strom kryogener Flüssigkeit verdampft und damit vereinigt werden soll.

An die Leitung 12 ist eine Leitung 14 angeschlossen, die zu einem gewöhnlichen Gaskompressor 16 führt. Die Druckseite des Gaskompressors 16 steht über eine Leitung 18 mit einer Heizschlange 20 eines Gaserhitzers 22 in Verbindung. An den Auslaß aus der Heizschlange 20 ist eine weitere Leitung 24 angeschlossen, die zu einer im ganzen mit 26 bezeichneten Kontakt- und Mischeinrichtung führt. Die Mischeinrichtung 26 ist so gestaltet, daß ein Strom kryogener Flüssigkeit durch eine Leitung 32 in sie eintreten kann und darin in innigen Kontakt mit erhitztem Gas gelangt und damit vermischt

wird, das durch die Leitung 24 eintritt Das entstehende Gemisch wird aus der Mischeinrichtung 26 über eine Leitung 30 wieder abgezogen. Die Leitung 30 ist an die Leitung 12 stromabwärts von der abzweigenden Leitung 14 angeschlossen.

An einen Speichertank 34 für kryogene Fiüssigkeit ist eine Leitung 36 mit einer Pumpe 38 angeschlossen, deren Druckseite mit der Leiiung 32 zur Mischeinrichtung 26 verbunden ist

Im Betrieb der Anlage 10 wird der Gasstrom, dem verdampfte kryogene Flüssigkeit zugeführt werden soll, in einen Hauptstrom in der Leitung 12 und einen Nebenstrom in der Leitung 14 aufgeteilt Der Gaskompressor 16 ist so ausgelegt, daß der Druck des Nebenstromes in der Leitung 14 ausreichend erhöht wird, um ihn durch die Anlage 10 strömen zu lassen, ohne daß in der Leitung 12 nach der Wiedervereinigung ein Druckabfall zu verzeichnen ist.

Ein Strom kryogener Flüssigkeit wird aus dem Speichertank 34 durch die Leitungen 36 und 32 dem Einlaß der Mischeinrichtung 26 zugeführt Die Pumpe 38 ist so ausgelegt, daß der Druck der kryogenen Flüssigkeit auf einen Wert angehoben wird, der ein Einspritzen in die Mischeinrichtung 26 erlaubt In der Leitung 32 ist ein Durchsatz-Steuergerät 40 angeordnet das den Durchsatz an kryogener Flüssigkeit steuert und überwacht.

Dem Nebenstrom des Gases, der den Heizkreis der Anlage 10 durchläuft, wird durch den Erhitzer 22 eine Wärmemenge zugeführt die gleich der Wärmemenge ist, welche zur Verdampfung des Stromes an kryogener Flüssigkeit und zu der Überhitzung auf eine bestimmte Temperatur des entstehenden Gemisches notwendig ist. Der erhitzte Nebenstrom durchströmt die Leitung 24 und gelangt in die Mischeinrichtung 26, in der er in innigen Kontakt mit der in diese eingespritzten kryogene Flüssigkeit tritt, wodurch die Flüssigkeit verdampft wird und sich mit dem Nebenstrom vermischt. Das Gemisch gelangt dann in die Leitung 30 und wird durch diese zur Leitung 12 weitergeleitet, in der es sich mit dem Haupf'rom des ursprünglich zugeführten Gasstromes vereinigt Zur Steuerung der Temperatur und des Brennstoffdurchsatzes durch ein entsprechendes Ventil ist ein Steuergerät 42 vorgesehen, das die Temperatur des die Leitung 30 durchströmenden Gasgemisches abtastet und die Menge des durch eine Leitung 41 zuströmenden Brennstoffes, der dem (nicht gezeigten) Brenner des Erhitzers 22 zugeführt wird, entsprechend einregelt. Somit kann die Durchsatzmenge an kryogener Flüssigkeit je nach Wunsch erhöht oder erniedrigt werden, wobei das Steuergerät 42 automatisch die dem Nebenstrom übertragene Wärmemenge proportional erhöht ode- erniedrigt

Es ist eine Leitung 28 vorgesehen, durch die das die Mischeinrichtung 26 verlassende Gasgemisch in zwei Teile aufgeteilt werden kann. Ein Teilstrom davon durchströmt die Leitung 30, während der andere Teilstrom über die Leitung 28 zur Leitung 14 zurückgeführt wird und auf diese Weise den von der Leitung 12 durch die Leitung 14 abgezweigten Nebenstrom reduziert.

Der jeweilige Durchsatz an Gas durch den Heizkreis der Anlage 10 hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von der Durchsatzmenge der zu verdampfenden kryogenen Flüssigkeit, der erwünschten Temperatur des wiedervereinigten Gasstromes in der Leitung 12 und von der von der Anlage verlangten Wirtschaftlichkeit. Die optimalen Durchsätze,Temperaturen und die erforderliche Größe der zu installierenden Anlage lassen sich durch gewöhnliche ingenieurmäßige Berechnungen bestimmen.

In Fig..2 ist eine andere Ausführungsform einer Anlage 50 dargestellt, die der Anlage 10 gemäß F i g. 1 ähnelt. Auch hier ist eine Leitung 52 für einen Gasstrom vorgesehen, mit dem ein Strom kryogener Flüssigkeit vereinigt werden soll. Die Anlage 50 enthält einen Heizkreis, der eine von der Leitung 52 abzweigende Leiiung 54 und einen Kompressor 56 aufweist. Der Kompressor 56 ist durch eine gewöhnliche Gasturbine 58 angetrieben. Eine Leitung 60 führt von der Druckseite des Kompressors 56 zu einer Heizschlange 62, die im Wärmeaustausch mit den Abgasen der Gasturbine 58 steht Vom Auslaß der Wärmetauscherschiange 62 führt eine Leitung 64 zu einer Heizschlange 66 in einem gasbefeuerten Erhitzer 68. Deren Auslaß ist wiederum über eine Leitung 70 mit einer Kontakt- und Mischeinrichtung 72 gleicher Art wie vorstehend schon erläutert verbunden. An den Auslaß der Kontakt- und Mischeinrichtung 72 ist eine Leitung 74 angeschlossen, die stromabwärts von der Abzweigleitung 54 wieder in die Leitung 52 einmündet.

Über eine Leitung 80 ist eine Pump.· 78 an einen Speichertank 76 angeschlossen. Die Druckseite der Pumpe 78 steht mit der Mischeinrichtung 72 über eine Leitung 82 in Verbindung, in der ein Durchsatz-Steuergerät ΐ-i vorgesehen ist, um die Durchsatzmenge an kryogener Flüssigkeit zur Mischeinrichtung 72 zu steuern. Außerdem ist ein Gerät 86 zur Steuerung der Temperatur und eines Brennstoff-Steuerventiles vorgesehen, das auf gleiche Weise arbeitet, wie dies in Zusammenhang mit dem Gerät 42 der F i g. 1 bereits erläutert worden ist.

Die Anlage gemäß Fig.2 arbeitet grundsätzlich in gleicher Weise wie diejenige gemäß F i g. 1 und unterscheidet sich davon nur dadurch, daß der Kompressor 56 durch die Gasturbine 58 angetrieben wird. Eine Gasturbine erzeugt ein großes Volumen an heißen Abgasen, die normalerweise zur Atmosphäre abgeführt werden. In der in F i g. 2 dargestellten Anlage werden diese Abgase im Wärmeaustausch mit dem Nebenstrom geführt, bevor dieser in die Heizschlange 66 des Erhitzers 68 eintritt. Auf diese Weise wird der Nebenstrom in der Wärmetauscherschlange 62 bereits vorerhitzt und dann in der Heizschlange 66 weiter erhitzt. Wenn elektrische Energie nicht zur Verfügung steht oder sonstige. Wirtschaftlichkeitserwägungen die Anwendung von Gas als Energiequelle zum Antrieb des Kompressors 56 notwendig machen, dann bringt der Einsatz der Anlage 50 in wirtschaftlicher Hinsicht Vorteile.

Auch in der Anlage gemäß Fig. 1 kann ein Teil des aus dem Nebenstrom und der verdampften kryogenen Flüssigkeit bestehenden Gasgemisches entnommen uiH erneut dem Nebenstrom zugeführt werden. Das ist insbesondere vorteilhaft in Anwendungsfällen, wo große Volumina an kryogener Flüssigkeit verdampft und mit einem relativ kleinen Gasstrom vereinigt werden sollen. In F i g. 3 ist eine Kontakt- und Mischeinrichtung 100 im einzelnen dargestellt, die identisch mit den Mischeinrichtungen 26 und 72 gemäß den F i g. 1 bzw. 2 ist, und die sich als besonders wirksam erwiesen hat und sich wirtschaftlich herstellen läßt.

Die Mischeinrichtung 100 umfaßt einen ersten Rohrteil 102 mit einem gewöhnlichen Anschlußflansch 104 an dessen vorderem Ende 106. An das hintere Ende 108 des Rohrteiles 102 ist ein Anschlußflansch 112 angeschweißt, durch den eine Einlaßdüse 110 für kryogene Flüssigkeit verläuft Die Einlaßdüse 110 besteht aus einem kurzen Rohrstück mit offenem vorderen Ende 111

und einem gewöhnlichen Flanschanschluß 113 an dessen hinterem Ende 115. Die Einlaßdüse 110 ist mittels Dichtschweißung im Anschlußflansch 112 befestigt, durchsetzt diesen und erstreckt sich ein kurzes Stück in den Rohrteil 102 hinein. An den Rohrteil 102 ist ein zweiter Rohrteil 116 angeschlossen, dessen Mittelachse senkrecht zur Mittelachse des Rohrteiles 102 verläuft. Das untere Ende des Rohrteiles 116 trägt einen Anschlußflansch 118.

Im Betrieb wird der heiße Nebenstrom in die Mischeinrichtung 100 durch das vordere Ende 106 des Rohrteiles 102 eingeleitet. Der Strom der kryogenen Flüssigkeit, die verdampft und mit dem Nebenstrom vereinigt werden soll, durchströmt die Einlaßdüse 110 und wird durch diese innerhalb des Rohrteiles 102 im Gegenstrom zu dem eintretenden Nebenstrom versprüht. Die verdampfte kryogene Flüssigkeit durchströmt dann den Rohrteil 116 und verläßt die Mischeinrichtung 100. Die Mischsiririchiun" !0Q besteht 3iis Werkstoffen, dip widerstandsfähig gegen die in Verbindung mit kryogenen Medien auftretenden Temperaturen sind. z. B. aus rostfreiem Stahl oder Aluminium, und ist aufgrund ihrer relativ geringen Größe und ihrer einfachen Gestaltung wirtschaftlich herzustellen.

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Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (3)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit, wobei ein Gasstrom (12, 52) in einen Hauptstrom (12,52) und einen Nebenstrom (14,54) aufgeteilt wird und der Nebenstrom (14,54) erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß in den erhitzten Nebenstrom (24,70) die kryogene Flüssigkeit eingespritzt wird, wobei sie vollständig verdampft, und daß das dabei entstandene Gasgemisch in den Hauptstrom (12,52) eingeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Einspritzung (26,72) der kryogenen Flüssigkeit in den Nebenstrom (24,70) dessen Druck vor der Erhitzung erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch in einen ersten und in einen zweiten Gemischanteil aufgeteilt wird, und daß anschließend der erste Gemischanteif dem Hauptstrprn (52) und der zweite Gemischanteil dem Nebenstrom (54) vor der Erhitzung zugeführt wird.