DE4033145A1

DE4033145A1 - Verfahren zur kondensation von daempfen aus technischen prozessen

Info

Publication number: DE4033145A1
Application number: DE19904033145
Authority: DE
Inventors: Fritz Curtius
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1990-10-18
Publication date: 1992-04-23

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verflüssigung von Kaltdämpfen wie Ammoniak (NH₃), Erdgas (Methan), FCKW, außer dem ein Verfahren zur Kühlung von Druckbehältern, in denen flüssige Kaltdämpfe gelagert und transportiert werden sowie ein Verfahren zur Evakuierung von Anlagenteilen, die mit diesen Stoffen gefüllt sind.

Die Verflüssigung der obigen Stoffe erfolgt heute entsprechend dem Stand der Technik in einem indirekten Wärmetauscher unter Abführung der Kondensationswärme in einer Kälteanlage. Even tuell werden diese Stoffe bei der Verflüssigung zusätzlich verdichtet, um die Kondensationswärme auf höherem Temperatur niveau abzuführen und den Energiebedarf für die Kälteerzeugung zu reduzieren.

Bei der Gewinnung von Erdgas bringt die Verflüssigung des Gases den Vorteil, daß für flüssiges Erdgas auf Schiffen weniger Transportvolumen benötigt wird. Die Verflüssigung ist mit der verfügbaren Technik aber so teuer, daß man bei der Planung von Erdgasspreichern die Lagerung von dampfförmigem Erdgas unter Druck bevorzugt.

Es ist die Aufgabe der Erfindung die Nachteile bei der Ver flüssigung von Dämpfen, nämlich die aufwendige Technik, zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß

- der dampfförmige Kaltdampf in einem Waschkondensator durch Stoffaustauschvorgänge in einen höhersiedenden Dampf umge wandelt und dabei verflüssigt wird und
- der höhersiedende Dampf anschließend kondensiert wird.

Hierzu wird der Kaltdampf in einem Waschkondensator mit dem siedenden Kondensat eines anderen Stoffes gewaschen.

Dieser andere Stoff, im folgenden als Waschflüssigkeit bezeich net, verhält sich zu dem Kaltdampf ideal und hat einen höheren Dampfdruck und eine entsprechend höhere Siedetemperatur. Die Kondensationswärme des Kaltdampfes wird nach Anspruch 1 auf die Waschflüssigkeit übertragen und führt zu einem kontinuier lichen Verdampfen der Waschflüssigkeit. Der Dampf der Wasch flüssigkeit kann schließlich in einem Wärmetauscher in der Brüdenleitung nach dem Waschkondensator kondensiert werden.

Der Waschkondensator ist in der Patentschrift DE 39 16 073 C1 ausführlich beschrieben. Im folgenden werden 3 Anwendungsfälle für den vorteilhaften Einsatz der Erfindung beschrieben.

1. Bei der Entleerung von Anlagen, z. B. von Kälteanlagen mit Ammoniak, soll der Ammoniak nicht wie bisher in großen Wasser mengen gelöst werden. Der bisher übliche Entsorgungsweg ist die Einleitung in die Kläranlage oder die Verteilung mit dem Güllefaß auf die Felder. Vielmehr kann durch die Wäsche mit siedendem Wasser, Ammoniak in konzentrierter Form zurückgewon nen werden. Für die Lagerung des Kondensates sind nur kleinere Transportbehälter erforderlich. Bis zur weiteren Verwendung und Aufbereitung kann man den flüssigen Ammoniak in kleinen Gebinden zwischenlagern.

2. Bei der Verflüssigung von Erdgas hat das Verfahren den Vorteil, daß die aufwendige und im Betrieb teure Technik mit Hochdruckapparaten und Tiefkälteanlagen entfällt. Stattdessen kann das Erdgas bei dem vorgegebenen Betriebsdruck über eine Wäsche mit einem der höhersiedenden N-Paraffine verflüssigt werden.

Diese Vorteile sind vor allem zukünftig bei der Gewinnung von Erdgas wichtig, um den kontinuierlich anfallenden Energieträger wirtschaftlich in flüssiger Form auf Schiffen transportieren zu können und anschließend bis zum Verbrauch günstig zu lagern.

3. Bei der vorteilhaften, flüssigen Lagerung von Erdgas und anderen Leichtsiedern unter Druck bietet das Verfahren schließlich den Vorteil, daß durch den Abzug von verdampften Kaltdampf und die anschließende Kondensation des Dampfes der Druck im Lagerbehälter geregelt werden kann. Die Kondensation des Kaltdampfes und die Abfuhr der Kondendationswärme auf höherem Temperaturniveau ersetzten in diesem Fall die bisher notwendige Kälteanlage. Damit kann die Kälteanlage mit den, für die Ozonschicht gefährlichen, FCKW′s entfallen.

Die Erfindung wird nun anhand von Fig. 1 näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt das Schema einer Anlage zur Lagerung und Verflüssigung von Kaltdämpfen.

Der Kaltdampf oder ein Gemisch von Kaltdämpfen wird über die Leitung 1 oder die Leitung 2 aus einem Überdruckbehälter und die nachfolgende Leitung 3 dem Waschkondensator 4 unterhalb der Einbauten 5 zugeführt. Wie in DE 39 16 073 C1 ausgeführt, sind in dem Waschkondensator mehrere Trennstufen in Form einer Packung 5 oder von Kolonnenböden 5 eingebaut. Der Kaltdampf wird im Gegenstrom gegen eine von oben über die Leitung 10 und den Verteiler 6 aufgegebene Waschflüssigkeit geführt. Die Waschflüssigkeit verhält sich in ihren physikalischen Eigen schaften gegenüber dem Kaltdampf ideal und hat einen höheren Siedepunkt.

Der Kaltdampf kondensiert in dem Waschkondensator 4. Sein Kondensat wird über die Leitung 7 am Fuß des Kondensators abgezogen. Die Waschflüssigkeit verdampft, wird über die Leitung 8 dem Kondensator 9 zugeführt und unter Entzug der Kondensationswärme verflüssigt. Die Kondensationswärme aus dem Kondensator 9 kann an die Umgebung übertragen werden oder über eine Kälteanlage oder Wärmepumpe auf ein nutzbares Temperatur niveau gebracht werden. Die zweite Kondensationsstufe 11 ist nicht immer notwendig und wird weiter unten im Zusammenhang mit der Behandlung von Erdgas beschrieben. Über den Kondensat topf 12 und die nachgeschaltete Pumpe 19 gelangt die Wasch flüssigkeit in eine Destillation bzw. eine Trennkolonne 13. Hier werden aus der Waschflüssigkeit die verbliebenen Leicht sieder ausgetrieben. Dies erfolgt durch eine Beheizung des Kolonnensumpfes 14, der hier über die Rohrleitung 15 mit der außenliegenden Heizkammer 16 verbunden ist.

Das Kopfprodukt, in diesem Fall die Leichtsiederanteile aus dem Kaltdampf werden am Kolonnenkopf der Kolonne 13 über die Leitung 17 dampfförmig abgezogen. Die Trennleistung der Kolon ne wird erfindungsgemäß dadurch verstärkt, daß über die Lei tung 18 ein Teil des verflüssigten Kaltdampfes als Rücklauf am Kolbenkopf zugeführt wird. Der Partialdruck des Leicht sieders ist nach dem Raoult′schen Gesetz über dem Kondensat des Leichtsieders in der Leitung 7 höher als über der Wasch flüssigkeit im Sumpf 14 der Kolben 13. Die geschilderte Rückführung des kondensierten Leichtsieders hat somit denselben Effekt wie eine Rektifikation und bringt den Vorteil, daß bei der gebrauchten Waschlüssigkeit eine gute Abtrennung des Leichtsieders erreicht wird. Der abgetrennte Leichtsieder wird dampfförmig über die Leitungen 17, 1 und 3 zur Kondensation in den Waschkondensator 4 zurückgeführt.

Durch die geschilderte Ausführung der Trennaufgabe in der Kolonne 13 kann auch hier auf die bei der Rektifikation notwendige Kälteanlage verzichtet werden. Nur für die Behei zung der Heizkammer wird primär Energie benötigt, jedoch nur im Bereich 150°C und ca. 10% der gesamten Kondensationslei stung des Kondensators 4.

Der Kreislauf der Waschflüssigkeit wird mit der Leitung 10 über das Entspannungventil 20 geschlossen.

Der verflüssigte Kaltdampf wird, wie oben erwähnt, von dem Waschkondensator 4 über die Leitung 7 abgezogen. Über die Förderpumpe oder Druckerhöhungspumpe 21 erfolgt die Einspei sung in den Lagerbehälter 22.

Der oben beschriebene Kreislauf für die Waschflüssigkeit ist in der Patentanmeldung P 40 03 446.1 bereits ausführlich beschrieben worden.

Bei der Anwendung des Verfahrens zur Verflüssigung oder zum Lagern von natürlichen Kaltdämpfen wie Erdgas sind in dem Gas auch Spuren von höhersiedenden Stoffen als die Waschflüssig keit enthalten. Für diesen Fall ist in der Leitung 8 vor dem Wärmetauscher 9 ein weiterer Wärmetauscher 11 eingebaut. Hier kann durch eine partielle Kondensation auf höherem Temperatur niveau ein vorhandener Schwersieder auskondensiert und damit aus der Waschflüssigkeit abgetrennt werden. Über die Leitung 23 und den Kondensattopf 24 wird der Schwersieder aus dem Waschflüssigkeitskreislauf entnommen. Nach einem nicht gezeig ten Kühler und einer möglichen Förderpumpe ist eine flüssige Aufgabe in den Lagerbehälter 22 möglich.

Mit dem in Fig 1 beschriebenen Verfahren lassen sich u. a. die folgenden Anwendungsfälle für Erdgas und andere Kaltdämpfe realisieren:

1. Im Erzeugerland wird dampfförmiges Erdgas einer Anlage zur Verflüssigung zugeführt und mit dem Leichtsieder Pentan oder einem anderen Leichtbenzin verflüssigt. Das flüssige Erdgas wird in dem Behälter 22 gelagert und von dort über die Leitung 26 auf das Schiff gepumpt.

2. Im Bestimmungsland wird über das vorhandene Transportsystem dampfförmiges Erdgas über die Leitung 1 zugeführt und nach der Verflüssigung in dem Druckbehälter 22 oder der Kaverne 22 gelagert.

3. Auf dem Transport in flüssiger Form oder bei der flüssigen Lagerung von Kaltdämpfen bzw. Erdgas muß der Druck im Lagerbe hälter infolge Wärmezufuhr von außen ständig kontrolliert wer den. Hierzu wird der Kaltdampf aus dem Druckbehälter 22 über die Leitung 2 abgezogen und nach der Kondensation im Waschkon densator 4 über die Leitung 7 und die Pumpe/Druckerhöhungs- Pumpe 21 zurückgeführt. Die Abfuhr der freiwerdenden Prozeß wärme erfolgt über die Waschflüssigkeit in den Wärmetauschern 11 und 9. Bei der Lagerung der flüssigen Kaltdämpfe in grö ßeren Behältern oder Kavernen ist es auch möglich, in die Leitung zwischen Behälter 22 und Leitung 3 eine Entspannungs turbine zu schalten, um einen Teil der abzuführenden Energie als Arbeit zu gewinnen.

Für die oben geschilderte Anwendung des Verfahren zur Entlee rung von Druckanlagen, z. B. Kälteanlagen mit Ammoniak, kann Fig. 1 wesentlich vereinfacht werden.

Der Ammoniak wird über die Leitung 1 und ein nicht gezeigtes Entspannungsventil bei Atmosphärendruck dem Waschkondensator zugeführt. Über die Leitung 10 wird siedendes Wasser in den Waschkondensator als Waschflüssigkeit aufgegeben. Der konden sierte Ammoniak fließt über die Leitung 7 in den Lagerbehälter 22, um zu einem späteren Zeitpunkt in einer geeigneten Anlage wieder aufbereitet zu werden. Für die Kondensation des ver dampften Wassers wird nur der Wärmetauscher 11 mit dem Konden sattopf 24 benötigt. Der Wasserdampf wird in dem Kondensator verflüssigt und über den Kondensattopf 24 abgezogen. Nach einer nicht gezeigten Abkühlung mittels Kühlwasser oder Luft kann die kondensierte Waschflüssigkeit bei Umgebungstemperatur bis zur weiteren Entsorgung gelagert werden.

Die Anwendung des Verfahrens kann vorteilhaft bei der Wartung und Erweiterung von industriellen Kälteanlagen sowie bei Eisbahnen eingesetzt werden, die mit Ammoniak gefüllt sind.

Der Betrieb des Waschkondensators innerhalb einer Wärmepumpe mit 2 Prozeßschlaufen ist in dem Patentgesuch P 40 03 446.1 zur Umwandlung von Abwärme in nutzbare Wärme und Energie beschrieben. In diesem Anwendungsfall ist es wichtig eine hohe Nutztemperatur in dem Wärmetauscher zur Kondensation der verdampften Waschflüssigkeit zu realisieren. Aus diesem Grund wird in diesem Fall die Waschlüssigkeitsmenge so eingestellt, daß unter den Bedingungen des Gegenstroms ein reiner Dampf der Waschflüssigkeit erhalten wird und kleine betriebsbedingte Überschußmengen der Waschflüssigkeit sich im Kondensat des Kaltdampfes befinden.

Im Falle der Kondensation von Erdgas und der Kühlung eines Erdgasspeichers, wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Waschflüs sigkeit nicht aus dem verflüssigten Kaltdampf zurückgewonnen werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, eine etwas geringere Waschflüssigkeitsmenge dem Waschkondensator zuzuführen als zur Kondensation des gesamten Kaltdampfes benötigt wird. Damit reduzieren sich die Verluste an Waschflüssigkeit, dafür ist der Anteil an Leichtsieder im Dampf der Waschflüssigkeit größer. Als Nachteil bringt dies eine tiefere Kondensations temperatur in beiden Kondensatoren 11 und 9.

Mit dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren zur Kondensation von Dämpfen ist somit möglich,

- einen Dampf in einen anderen von gleichem Druck umzuwandeln,
- Kondensationswärme unter 0°C abzuführen,

wobei nur ein Bruchteil der Kondensationsleistung als Wärmeenergie zuzuführen ist.

Claims

1. Verfahren zur Kondenaation von Dämpfen aus technischen Prozessen, dadurch gekennzeichnet, daß

- der Kaltdampd durch Stoffaustauschvorgänge in einem Wasch kondensator bei einer Wäsche im Gegenstrom mit einem höher siedenden Stoff als Waschflüssigkeit in den höhersiedenden Dampf der Waschflüssigkeit umgewandelt wird,
- der Kaltdampf dabei verflüssigt wird und
- der Dampf des höhersiedenden Stoffes in einem Wärmeaus tauscher verflüssigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher in der Brüdenabzugsleitung nach dem Waschkondensator eingebaut ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß die verdampfte Waschflüssigkeit nach der Kondensation in einem indirekten Wärmetauscher erneut als Waschflüssigkeit verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Waschflüssigkeit in einem separaten Kreislauf mit einer Destillation aufbereitet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kreislauf für Waschflüssigkeit höhersiedende Anteile durch eine partielle Kondensation in einem Wärmetauscher aus der Flüssigkeit abgetrennt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verlust an Waschflüssigkeit durch die Aufgabe eines Kondensates mit höheren Leichtsiederanteilen am Kopf der Destillation verringert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die an dem Kaltdampf reichen Brüden zur Kondensation von dem Kopf der Destillation über eine Leitung erneut in den Waschkondensator zurückgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlung eines Druckbehälters aus dem Behälter ein Gasstrom abgezogen wird und dieser nach der Verflüssigung über eine Pumpe oder Druckerhöhungspumpe in den Druckbehälter zurückgeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kondensat in einen anderen Druckbehälter gegeben wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß in die Entnahmeleitung aus dem Druckbehälter eine Entspan nungsmaschine eingebaut wird, um einen Teil der Druckenergie im Gas in Arbeit umzuwandeln, wobei das entnommene Gas auf einem tieferen Druckniveau verflüssigt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß

- bei der Lagerung von Ammoniak in Druckbehältern, der Ammoniakdampf in dem Waschkondensator durch eine Wäsche mit Wasser in Wasserdampf verwandelt wird und
- flüssiger Ammoniak erzeugt wird und
- der Wasserdampf in einem Kondensator verflüssigt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1-11, und zur Verflüssigung und zur Lagerung von Erdgas, dadurch gekennzeichnet, daß zur Behandlung eines dampfförmigen Erdgasstromes im Waschkon densator eines der höhersiedenden Normal-Paraffine verwendet wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckniveau im Lagerbehälter durch den kontinuierlichen Abzug der Dampfphase geregelt wird.