DE60315197T2 - Methode zum Fördern kryogener Flüssigkeiten - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Förderung einer kryogenen Flüssigkeit von einem Stationsbehältersystem zu einem Empfangsbehälter, wobei mindestens ein Teil der kryogenen Flüssigkeit in dem Stationsbehälter auf einem ersten Druck gelagert wird, der höher ist als der Druck im Empfangsbehälter.
  • Solch ein Verfahren ist aus der US 6367264 bekannt, die als der nächstliegende Stand der Technik gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 betrachtet wird.
  • Normalerweise wird flüssiges Bulk-CO2 von verschiedenen Bulk-Lagerbehältern aus, die zum Beispiel am Gaserzeugungsort angeordnet sind, zu Stationsbehältersystemen bei den Kunden verteilt. Der Druck in der Bulk-Verteilkette für flüssiges CO2, einschließlich Bulk-Lagerbehältern, Bulk-Transportbehältern als Anhänger usw. beträgt normalerweise etwa 14 bis 20 bar. Der Transportbehälter nimmt Flüssigkeit von dem Bulk-Lagerbehälter auf und liefert sie an das Stationsbehältersystem, was bedeutet, dass der Druck im Stationsbehältersystem nahe oder gleich dem Druck im Transportbehälter ist.
  • Anwendungen als zum Beispiel Kühlsysteme in Nahrungsmitteltransporten auf Lastwagen verwenden oftmals CO2 als das Kühlmittel. Die auf den Lastwagen angebrachten CO2-Empfangsbehälter weisen für solche Kühlsysteme normalerweise einen Betriebsdruck von ca. 8 bis 9 bar bei einer entsprechenden Gleichgewichtstemperatur von ca. –46°C auf. Bei einem höheren Betriebsdruck im Empfangsbehälter würde der Behälter schwerer und teurer sein. Aufgrund der verringerten Flüssigkeitsdichte und geringeren Wärmekapazität pro kg für CO2 bei höherer Temperatur und höherem Druck wäre die Kühlleistung pro Behältervolumen reduziert, und es muss ein größerer Behälter für die gleiche Leistung verwendet werden.
  • Da die Empfangsbehälter mit flüssigem CO2 gefüllt in großen Stationsbehältersystemen gelagert werden, muss dann entweder der Druck im Stationsbehälter oder der Druck des flüssigen CO2 reduziert werden, wenn es von dem Stationsbehälter zum Empfangsbehälter gefördert wird. Derzeit wird der Druck durch einen Druckregler vor dem Einlass zum Empfangsbehälter verringert. Im Regler expandiert das flüssige CO2 und bildet ein Gemisch aus gasförmigem und flüssigem CO2. Sowohl gasförmiges als auch flüssiges CO2 werden zum Empfangsbehälter gefördert. Das gasförmige CO2 wird nach dem Passieren eines Lüftungsreglers am Lüftungsauslasssystem des Empfangsbehälters an die Atmosphäre entlüftet. Dieses vorbekannte Verfahren ist mit den Nachteilen behaftet, dass einerseits das Füllen länger dauert, da ein zweiphasiges Fluid in den Empfangsbehälter strömt, und dass andererseits die Gasverluste größer sind. Des Weiteren ist es nicht leicht, die Menge an flüssigem Gas, die in den Empfangsbehälter gefüllt worden ist und dort bleibt, zu messen.
  • Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Erhöhung der Einfüllgeschwindigkeit und zur Verringerung der Gasverluste bei der Förderung einer kryogenen Flüssigkeit von einem Stationsbehälter zu einem Empfangsbehälter.
  • Diese Aufgabe ist durch ein Verfahren zur Förderung einer kryogenen Flüssigkeit von einem Stationsbehälter zu einem Empfangsbehälter gelöst worden, wobei mindestens ein Teil der kryogenen Flüssigkeit in dem Stationsbehälter auf einem ersten Druck gelagert wird, der höher ist als der Druck im Empfangsbehälter, wobei ein Teil der kryogenen Flüssigkeit aus dem Stationsbehälter abgezogen, expandiert und dann zum Kühlen eines Teils der kryogenen Flüssigkeit im Stationsbehälter auf eine Temperatur unter der Gleichgewichtstemperatur für den ersten Druck verwendet wird und wobei der gekühlte Teil der kryogenen Flüssigkeit zum Empfangsbehälter gefördert wird.
  • Der Begriff „kryogene Flüssigkeit" soll insbesondere flüssiges Kohlendioxid umfassen.
  • Der Hauptgedanke der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Systems, in dem ein Teil der gelagerten kryogenen Flüssigkeit auf einer Temperatur nahe der Temperatur im Empfangsbehälter gehalten wird. Wenn zur Förderung des flüssigen Gases vom Stationsbehälter zum Empfangsbehälter keine Pumpe verwendet wird, dann wird vorzugsweise zumindest ein Teil der kryogenen Flüssigkeit mit einem höheren Druck als der Empfangsbehälterdruck gelagert. Wenn zur Förderung des flüssigen Gases vom Stationsbehälter zum Empfangsbehälter eine Pumpe verwendet wird, dann ist es von Vorteil, die kryogene Flüssigkeit auf im Wesentlichen dem gleichen Druck wie im Empfangsbehälter zu lagern. Der Hauptvorteil der Erfindung besteht darin, dass die normalerweise infolge der Temperaturabnahme, das heißt Druckabnahme, erzeugten Gasverluste reduziert oder vollständig beseitigt werden können.
  • Vorzugsweise unterscheidet sich die Temperatur des gekühlten Teils der kryogenen Flüssigkeit von der Temperatur im Empfangsbehälter um so wenig wie möglich, vorzugsweise um nicht mehr als 5K.
  • Gemäß der Erfindung wird im Stationsbehälter eine starke Stratifikation der Flüssigkeit erzeugt. Es ist nur ein Stationsbehälter zum Lagern der kryogenen Flüssigkeit bei verschiedenen Temperaturen erforderlich. Natürlich ist es auch möglich, ein Stationsbehältersystem mit mehr als einem Stationsbehälter zu verwenden und die erfindungsgemäße Stratifikation in einer oder mehreren dieser Stationsbehälter zu erzeugen.
  • Flüssigkeit im unteren Teil des Stationsbehälters wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einem kälteren Fluid unterkühlt, während die Flüssigkeit in den oberen Teilen des Stationsbehälters mit dem Druck im Kopfraum des Stationsbehälters im Gleichgewicht steht. Gemäß der Erfindung wird eine Kühlrohrschlange im unteren Teil des Stationsbehälters angeordnet, und die Kühlrohrschlange wird durch Expandieren von Flüssigkeit vom Stationsbehälter selbst gekühlt. Das durch Expansion erzeugte und durch die Rohrschlage erhitzte Gas kann dann wieder zum oberen Teil des Stationsbehälters gepumpt werden. Der Druck im Stationsbehälter, das heißt die Gasphase, steht mit der Oberflächentemperatur der kryogenen Flüssigkeit im Gleichgewicht, während die Temperatur im Unterteil des Stationsbehälters so niedrig sein wird, wie mit Hilfe der Stratifikation erreicht werden kann. Der Stratifikationsgrad hängt von der Geometrie und der Isolation des Behälters ab. Dies führt dazu, dass die Temperatur im Stationsbehälter von oben nach unten des Behälters abnimmt. Falls kryogene Flüssigkeit zum Empfangsbehälter geliefert werden soll, wird dem Empfangsbehälter nur unterkühlte Flüssigkeit vom unteren Teil des Behälters zugeführt.
  • Um Eisbildung in der Kühlrohrschlange aufgrund der Expansion zu vermeiden, könnte der Rohrschlange ein Gegendruckregler nachgeschaltet werden. Vorzugsweise wird sämtliche aus dem Stationsbehälter abgezogene Flüssigkeit während der Expansion vergast. Um zu gewährleisten, dass sämtliche Flüssigkeit vollständig in den gasförmigen Zustand umgewandelt worden ist, wird vorzugsweise ein Temperatursensor der Kühlrohrschlange nachgeschaltet und dem Druckregler vorgeschaltet. Der Temperatursensor überprüft, ob die Temperatur über der von dem Druckregler für den Druck eingestellten Gleichgewichtstemperatur liegt.
  • Das sich aus der Expansion der kryogenen Flüssigkeit vom Stationsbehälter ergebende Gas wird nach seiner Verwendung als Wärmeaustauschmedium zur Kühlung der Flüssigkeit im unteren Teil des Stationsbehälters vorzugsweise komprimiert und zum Stationsbehälter zurückgeführt, um die Gasverluste auf ein Minimum zu reduzieren. Ganz besonders bevorzugt ist es, das Gas auf einen Druck zu komprimieren, der den Druck im Stationsbehälter wesentlich übertrifft, das Gas zu kühlen und dann das komprimierte, gekühlte und verflüssigte Gas im Stationsbehälter zu kühlen expandieren. Bei der Expansion des verflüssigten Gases wird es in ein Gemisch aus kühlerer Flüssigkeit und Gas umgewandelt, das Gas im Kopfraum des Stationsbehälters kühlt und/oder neu verflüssigt.
  • Die Erfindung ist besonders vorteilhaft bei der Lieferung von flüssigem CO2 von einem Stationsbehältersystem zu Empfangsbehältern.
  • Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die angehängten schematischen Zeichnungen in näherer Einzelheit dargestellt. Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass die Erfindung auf vielerlei Weise modifiziert werden kann und dass die Erfindung nicht auf die in den folgenden Ausführungsformen beschriebenen spezifischen Ausführungsbeispiele beschränkt ist.
  • 1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführungsform mit einer starken Stratifikation im Stationsbehälter und
  • 2 zeigt ein alternatives System mit einer starken Stratifikation im Stationsbehälter.
  • Das System nach 1 wird zur Förderung von flüssigem Kohlendioxid von einem Stationsbehältersystem zu einem Empfangsbehälter 51 verwendet. Das System umfasst einen Hauptstationsbehälter 1 und den zu füllenden Empfangsbehälter 51. Normalerweise ist der Druck im Stationsbehälter 1 auf ca. 15 bar und der Druck im Empfangsbehälter 51 auf ca. 8 bar eingestellt. Gasförmiges CO2 wird dem Stationsbehälter 1 direkt entnommen und bei Bedarf zum Spülen und Druckbeaufschlagen des Empfangsbehälters 51 verwendet.
  • Eine Druckaufbauleitung 30 ist mit dem unteren und oberen Ende des Hauptstationsbehälters 1 verbunden. Die Druckaufbauleitung 30 umfasst eine Druckaufbaurohrschlange oder einen Wärmetauscher 12 und ein Ventil 13. Wenn der Druck im Stationsbehälter 1 zu niedrig ist, wird das Ventil 13 geöffnet, und flüssiges Kohlendioxid strömt durch die Leitung 30 und wird im Wärmetauscher 12 verdampft. Sich ergebendes CO2-Gas tritt in das obere Ende des Hauptstationsbehälters 1 ein, und somit erhöht sich der Druck im Behälter 1. Wie für den Fachmann offensichtlich, ist solch ein Druckaufbausystem nicht unbedingt ein Teil der Erfindung, könnte aber von Vorteil sein, wenn Druck und Temperatur niedrig sind.
  • Es wird eine Kühlmaschine 28 verwendet, um den Druck im Stationsbehälter 1 unter einem voreingestellten Wert zu halten. Eine Druckanzeige 14 und eine Flüssigkeitspegelanzeige 15 bestimmen den Druck- bzw. Flüssigkeitspegel im Stationsbehälter 1.
  • Das obere Ende des Stationsbehälters 1 und der Empfangsbehälter 51 sind durch ein Gasphasenfüllrohr 41 verbunden. Eine Flüssigkeitsfüllleitung 40 ist mit dem unteren Ende des Stationsbehälters 1 verbunden und gestattet das Abziehen von flüssigem CO2 aus dem Stationsbehälter 1. Die Füllleitung 40 umfasst wahlweise eine in der Zeichnung nicht gezeigte Pumpe.
  • Ein Teil des flüssigen CO2 wird aus dem Boden des Behälters 1 abgezogen und durch eine Düse 17 in eine Wärmetauscherrohrschlange 18 expandiert, die sich im unteren Teil des Behälters 1 befindet. Dem Wärmetauscher 18 ist ein Druckregler 55 nachgeschaltet. Der Druckregler 55 stellt einen Mindestdruck ein, um die Bildung von Trockeneisteilchen in der Wärmetauscherrohrschlange 18 oder im Rohr 34 zu vermeiden.
  • Um zu gewährleisten, dass sämtliche Flüssigkeit in der Wärmetauscherrohrschlange 18 vollständig vergast wird, ist zwischen der Wärmetauscherrohrschlange 18 und dem Druckregler 55 ein Temperaturfühler 19 angeordnet. Der Temperaturfühler 19 überprüft, ob die Temperatur über der Gleichgewichtstemperatur für den von dem Druckregler 55 eingestellten Druck liegt. Wenn die Temperatur zu niedrig ist, ist ein Teil des flüssigen CO2 in der Wärmetauscherrohrschlange 18 nicht verdampft. In diesem Fall verringert das Steilventil 16 in der Leitung 34 den Fluss von flüssigem CO2 durch die Wärmetauscherrohrschlange 18.
  • Dem Druckregler 55 nachgeschaltet pumpt ein Verdichter 35 das Gas wieder in den Behälter 1 zurück. Das den Verdichter 35 verlassende Gas wird im Wärmetauscher 23 vor Eintritt in den Behälter 1 gekühlt. Das Druckverhältnis des Verdichters 35 beträgt vorzugsweise ca. 5,5 bar zu 15 bar.
  • Die Wärmetauscherrohrschlange 18 kühlt den unteren Teil des flüssigen CO2 im Behälter 1, wodurch eine Stratifikation der Flüssigkeit erzeugt wird. An der Flüssigkeitsoberfläche ist die Temperatur der Flüssigkeit die Gleichgewichtstemperatur für den Druck im Behälter 1, während am Boden des Behälters 1 im Bereich nahe der Rohrschlange 18 die Flüssigkeit durch die Wärmetauscherrohrschlange 18 unterkühlt wird. Bei einem Druck von 15 bar im Kopfraum des Behälters 1 weist die oberste Schicht des flüssigen CO2 zum Beispiel eine Temperatur von ca. –29°C auf, und die Temperatur am Boden des Behälters 1 könnte weniger als –40°C betragen.
  • Die Leistung des Unterkühlungsprozesses wird durch die Leistung des Verdichters 35 begrenzt. Wenn eine schnellere Kühlung und Stratifikation im Behälter 1 erforderlich ist, was kurz nach dem Füllen des Behälters 1 der Fall sein kann, kann das die Wärmetauscherrohrschlange 18 verlassende Gas über das Ventil 6 und den Druckregler 7 an die Atmosphäre abgelassen werden. Des Weiteren ist es möglich, Gas von der Gasphase im Behälter 1 durch den Wärmetauscher 23 durch Öffnen des Ventils 25 an die Atmosphäre abzulassen.
  • Der Wärmetauscher 23 wird dazu verwendet, die durch den Verdichter 35 dem Behälter 1 zugeführte Wärme auf ein Minimum zu reduzieren. Selbst das über das Ventil 6 und den Regler 7 an die Atmosphäre strömende Lüftungsgas kann zum Kühlen des Gases vom Verdichter 35 verwendet werden.
  • Das System nach 1 weist den Vorteil auf, dass nur ein CO2-Behälter 1 erforderlich ist. Zum Neufüllen des Behälters 1 wird bevorzugt, das flüssige CO2 in den Behälter 1 oben am Behälter zuzuführen, um so viel wie möglich von der Stratifikation der Flüssigkeit im Behälter 1 zu bewahren. Durch Installation einer größeren Kühlmaschine 28 und einer größeren Pumpe 35, könnte die Zeit verringert werden, wenn der Druck und die Temperatur zu hoch sind oder wenn die Stratifikation nicht ausreicht.
  • In 2 wird eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Das System nach 2 verwendet auch eine Wärmetauscherrohrschlange 18 zum Kühlen der Flüssigkeit im unteren Bereich des Behälters 1 und zur Erzeugung von Stratifikation. Im Gegensatz zur Lösung von 1 wird das die Wärmetauscherrohrschlange 18 verlassende gasförmige CO2 im Verdichter 36 auf einen Druck von mindestens 50 bar, vorzugsweise mehr als 60 bar, komprimiert und teilweise verflüssigt. Das verflüssigte CO2 wird im Wärmetauscher 27 durch Wasser oder Umgebungsluft gekühlt. Nach dem Wärmetauscher 27 wird das CO2 im Wärmetauscher 23 in indirektem Wärmeaustausch mit dem sehr kalten Gas, das von der Wärmetauscherrohrschlange 18 kommt, und, falls erforderlich, auch dem Gas direkt von dem oberen Ende des Behälters 1 durch Öffnen des Ventils 11 weiter abgekühlt. Das verflüssigte Gas expandiert in der Düse 70, wo es zu einem Gemisch aus kühlerer Flüssigkeit und Gas umgewandelt wird, und tritt in den Behälter 1 ein.
  • Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, dass außer dem Gasrückgewinnungssystem selbst keine zusätzliche Kühlmaschine erforderlich ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird dem Boden des Behälters 1 entnommenes Flüssiggas durch das Expansionsventil 17 expandiert und durch die Rohrschlange 18 expandiert und dann in einer Wärmetauscherrohrschlange 22 verwendet, um die Gasphase im Behälter 1 zu kühlen, falls erforderlich.
  • Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Systems wird unterkühltes CO2, das heißt flüssiges CO2 mit einer niedrigeren Temperatur als dem Istdruck entspricht, dem Empfangsbehälter 51 zugeführt. Vorzugsweise ist die Temperatur des zugeführten flüssigen CO2 gleich oder nahe der Betriebstemperatur innerhalb des Empfangsbehälters 51. Gasverluste, die normalerweise infolge der Verringerung der CO2-Temperatur auftreten, können reduziert oder sogar eliminiert werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Förderung einer kryogenen Flüssigkeit von einem Stationsbehälter (1) zu einem Empfangsbehälter (51), wobei mindestens ein Teil der kryogenen Flüssigkeit in dem Stationsbehälter (1) auf einem ersten Druck gelagert wird, der höher ist als der Druck im Empfangsbehälter (51), dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der kryogenen Flüssigkeit aus dem Stationsbehälter (1) abgezogen, expandiert und dann zum Kühlen eines Teils der kryogenen Flüssigkeit im Stationsbehälter (1) auf eine Temperatur unter der Gleichgewichtstemperatur für den ersten Druck verwendet wird und dass der gekühlte Teil der kryogenen Flüssigkeit zum Empfangsbehälter (51) gefördert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem sich die Temperatur des gekühlten Teils der kryogenen Flüssigkeit von der Temperatur im Empfangsbehälter (51) um nicht mehr als 12K unterscheidet, wobei vorzugsweise die Temperatur des gekühlten Teils gleich der Temperatur der Flüssigkeit im Empfangsbehälter (51) oder um wenige Grad geringer ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Kühlmaschine (28) bereitgestellt wird, um verdampfte kryogene Flüssigkeit im Stationsbehälter (1) zu kühlen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem im Stationsbehälter (1) eine Stratifikation kryogener Flüssigkeit mit verschiedenen Temperaturen erzeugt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die expandierte kryogene Flüssigkeit vollständig verdampft wird, während der Teil der kryogenen Flüssigkeit im Stationsbehälter (1) gekühlt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die expandierte kryogene Flüssigkeit komprimiert und zum Stationsbehälter (1) zurückgeführt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die expandierte kryogene Flüssigkeit auf einen Druck komprimiert wird, der den ersten Druck im Stationsbehälter (1) wesentlich übertrifft, vorzugsweise auf einen Druck von mindestens 50 bar, besonders bevorzugt auf einen Druck von mindestens 60 bar, dann gekühlt und schließlich in den Stationsbehälter (1) expandiert wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem flüssiges CO2 zum Empfangsbehälter (51) gefördert wird.
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