DE69736625T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Sauerstoff/Stickstoff-Flüssigmischungen - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung zum Mischen von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff.
• Es besteht eine wachsende industrielle Nachfrage nach synthetischer Flüssigluft. Synthetische Flüssigluft kann durch Mischen von gesättigtem flüssigem Sauerstoff mit gesättigtem flüssigem Stickstoff gebildet werden. Bei einem solchen Mischverfahren tritt ein Problem auf. Dieses Problem liegt darin, dass ein Teil des flüssigen Stickstoffs aussiedet. Die Menge der Aussiedung, obwohl sie eine Funktion der Einlassbedingungen des flüssigen Sauerstoffs und flüssigen Stickstoffs ist, erzeugt ein Verhältnis von flüssigem Sauerstoff zu flüssigem Stickstoff in dem resultierenden Gemisch, das typischerweise vom Massenverhältnis von Sauerstoff zu Stickstoff in den Vorläuferströmen verschieden ist. Praktisch ist es schwierig, die Zusammensetzung des resultierenden Gemischs vorauszusagen, da es schwierig ist, die Einlassbedingungen zu bestimmen, insbesondere die Temperatur oder den Grad der Unterkühlung, selbst wenn der Druck in den Speichertanks kontrolliert werden kann. Des weiteren erzeugt ein direktes Vermischen von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff bei verschiedenen Temperaturen im allgemeinen ein schäumendes Gemisch, das weitere Komplikationen beim Füllen und Speichern des Flüssiggemischs mit sich bringt.
• Die US 4 718 772 beschreibt ein Verfahren und eine Einrichtung zum Mischen von Strömungsmitteln mit niedrigen Siedepunkten.
• Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren und eine Einrichtung, in welcher flüssige atembare Gemische durch direktes Vermischen von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff in einer Weise gebildet werden können, die sicherstellt, dass das Gemisch mit einem gewählten Druck und einer gewählten Temperatur und mit einer gewählten Zusammensetzung gebildet werden kann.
• Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Mischen von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff zur Bildung eines Gemischs. Gemäß dem Verfahren wird Wärme indirekt zwischen den Strömen des flüssigen Sauerstoffs und flüssigen Stickstoffs ausgetauscht, um einen unterkühlten Flüssigsauerstoffstrom und einen teilweise verdampften Flüssigstickstoffstrom zu bilden, die beide auf im wesentlichen der gleichen Temperatur sind. Der Druck des flüssigen Stickstoffs wird so gewählt oder gesteuert, dass die gleiche Temperatur ebenfalls gesteuert wird. Der teilweise verdampfte Flüssigstickstoffstrom wird zur Bildung von Flüssig-/Dampf-Stickstoffphasen phasengetrennt. Ein Flüssigphasenstrom, der aus der flüssigen Stickstoffphase zusammengesetzt ist, wird dann mit einem unterkühlten Flüssigsauerstoffstrom kombiniert, um das Gemisch zu bilden.
• Nach einem weiteren Aspekt beinhaltet die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Mischen von Flüssigsauerstoff- und Flüssigstickstoffströmen zur Bildung eines Gemischs. Die Einrichtung umfasst einen Parallel- oder Gegenstromwärmetauscher mit ersten und zweiten Kanälen für den Flüssigsauerstoff bzw. Flüssigstickstoff um diese einem indirekten Wärmeaustausch zu unterziehen, wodurch ein unterkühlter Flüssigsauerstoffstrom und ein teilweise verdampfter Flüssigstickstoffstrom gebildet werden, die beide auf im wesentlichen der gleichen Temperatur sind. Die gleiche Temperatur ist vom Druck des Flüssigstickstoffs abhängig. Ein Phasentrenner ist an den zweiten Kanal des Parallelwärmetauschers angeschlossen, um den teilweise verdampften Flüssigstickstoffstrom aufzunehmen und Flüssig- und Dampf-Stickstoffphasen zu bilden. Mit dem Phasentrenner ist ein Mittel verbunden und steht in Kommunikation mit dem ersten Kanal des Parallelströmungswärmetauschers zum Kombinieren eines Flüssigphasenstroms, der aus der Flüssigstickstoffphase gebildet ist, mit dem unterkühlten Flüssigsauerstoffstrom.
• Der Parallelströmungswärmetauscher einerseits dient zum Unterkühlen des Flüssigsauerstoffs und zum teilweisen Verdampfen des Stickstoffs. Die Temperatur des teilweise verdampften Stickstoffs ist die Temperatur von gesättigtem Stickstoff bei dem gegebenen oder gesteuerten Druck, ebenso die Temperatur des Flüssigsauerstoffs. Da der Druck des Flüssigstickstoffs, der dem Parallelströmungswärmetauscher zugeführt wird, genau gesteuert und eingestellt werden kann, definiert die Steuerung dieses Zuführdrucks allein genau den Zustand des Gemischs aus flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff. Der Flüssigsauerstoffdruck beeinflusst nur die Zufuhrrate des Flüssigsauerstoffs und kann daher zu diesem Zweck gesteuert werden. Als Ergebnis ist das Gemisch im wesentlichen schwankungsunabhängig, anders als der Druck in den Speichertanks. Da flüssiger Sauerstoff und flüssiger Stickstoff niemals direkt kombiniert werden, bevor sie ins Gleichgewicht gebracht worden sind, werden durch die vorliegende Erfindung keine schwer handhabbaren schäumenden Gemische erzeugt.
• Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung werden nun beispielshalber mit Bezug auf die anliegende Zeichnung beschrieben, die ein schematisches Strömungsdiagramm einer Einrichtung zum Mischen von flüssigem Sauerstoff und flüssigem Stickstoff zeigt.
• Gemäß den Figuren ist eine Einrichtung 1 dargestellt, bei welcher ein Strom 10 aus flüssigem Sauerstoff aus einem Tank 14 entnommen wird, und ein Strom 12 aus flüssigem Stickstoff aus einem Tank 16 entnommen wird. (Typischerweise sind beide Ströme gesättigt.) Der Druck im Tank 14 und der Druck im Tank 16 werden in auf dem Fachgebiet bekannterweise gesteuert. Die Drucksteuerung innerhalb des Tanks 16 ist besonders kritisch für die Definierung des Zustands eines Produktgemischstroms 18, der durch Mischen der Ströme 10 und 12 gebildet wird.
• Der Flüssigsauerstoffstrom 10 und der Flüssigstickstoffstrom 12 strömen durch einen Parallel- oder Gegenstromwärmetauscher 20 mit ersten und zweiten Kanälen 22 und 26. Der Strom des Flüssigsauerstoffs befindet sich auf höherer Temperatur als der Strom des Flüssigstickstoffs. Wärme wird im Wärmetauscher 20 vom flüssigen Sauerstoff auf den flüssigen Stickstoff übertragen. Daher beginnt der flüssige Stickstoff zu verdampfen, unter der Annahme, dass er nicht in unterkühltem Zustand zugeführt wird, sondern auf der gleichen Temperatur bleibt. Der flüssige Sauerstoff ist unterkühlt. Der Wärmetauscher 20 wird so angeordnet und betrieben, dass an seinem Auslassende der Strom des flüssigen Stickstoffs nicht vollständig verdampft worden ist, d.h. er ist teilweise verdampft worden, aber der Strom des flüssigen Sauerstoffs ist im wesentlichen auf die Verdampfungstemperatur des flüssigen Stickstoffs unterkühlt. Die Einrichtung ist daher besonders geeignet, synthetische Flüssigluftzusammensetzungen zu bilden, die derjenigen von Luft angenähert sind oder die einen niedrigeren Molanteil an Sauerstoff haben. Ein unterkühlter Flüssigsauerstoffstrom 24 und ein teilweise verdampfter Flüssigstickstoffstrom 25 verlassen das Auslassende des Wärmetauschers 20.
• Der teilweise verdampfte Flüssigstickstoffstrom 26 wird in einen Phasentrenner 28 eingeleitet, um den Dampf von der Flüssigkeit zu trennen und dadurch eine Stickstoffdampfphase 30 und eine Flüssigstickstoffphase 32 zu bilden. Der unterkühlte Flüssigsauerstoffstrom wird in einem Misch-T-Stück 36 mit dem Flüssigphasenstrom 34 kombiniert, der aus dem im Phasentrenner 28 erzeugten flüssigen Phase besteht. Vorzugsweise hat das Misch-T- Stück 36 eine Strahl- oder Düsenöffnung 38, um den Druck des unterkühlten Flüssigsauerstoffstroms 24 abzusenken, um die Mischung des flüssigen Sauerstoffs und Stickstoffs zu bewirken. Der Ausgang dieses Stroms ist der Produktgemischstrom 18. Der Produktgemischstrom 18 kann zu einem Gemischspeichertank 40 geleitet werden, oder kann durch einen Auslaß 42 abgegeben werden. Absperrventile 43 und 44 können zu diesem Zweck vorgesehen sein.
• Der Druck im Flüssigsauerstoffspeichertank 14 ist vorzugsweise größer als derjenige im Flüssigstickstofftank 16, weil Druck im unterkühlten Flüssigsauerstoffstrom 24 verloren geht, wenn er durch die Strahldüse 38 gelangt. Der Phasentrenner 28 bewirkt kein signifikantes Druckgefälle, das die Strömung des teilweise verdampften Flüssigstickstoffstroms 28 behindern würde. Ein Proportionalventil 46 ist vorgesehen, um die Strömung der Stickstoffdampfphase aus dem Phasentrenner 28 zu steuern. Um die Zusammensetzung des Produktgemischstroms 18 genau zu dosieren und zu steuern, sind Strömungsmesser 48 und 50 zum Dosieren der Strömung des unterkühlten Flüssigsauerstoffstroms 24 bzw. des Flüssigphasenstroms 34 vorgesehen, und entsprechend der Ablesungen der Strömungsmesser 48 und 50 ist ein Proportionalventil 52 vorgesehen, um die Zusammensetzung des Produktgemischstroms 18 zu regulieren. Alternativ kann die Zusammensetzung des Produktgemischstroms 18 analysiert werden, und die Strömungsraten eines oder beider von Flüssigsauerstoffstrom 24 und Flüssigphasenstrom 34 eingestellt werden, um die gewünschte Zusammensetzung zu erhalten.
• Wie der Fachmann erkennen wird, gibt es zahlreiche Mittel zur Steuerung der Mischrate des Flüssigsauerstoffstroms 24 und des Flüssigphasenstroms 34. Beispielsweise könnte das Steuerventil 52 in den Flüssigphasenstrom 34 versetzt werden, oder es könnte ein zusätzliches Steuerventil für eine größere Flexibilität hinzugefügt werden.
• Obwohl nicht dargestellt, könnte ein statischer Mischer stromab des Misch-T-Stücks 36 vorgesehen sein, um eine größere Durchmischung innerhalb des Produktgemischstroms 18 zu erzeugen. Darüber hinaus könnte eine Abzweigung vorgesehen sein, um die Zusammensetzung des Produktgemischstroms 18 zu messen. Die Messung des Sauerstoffgehalts kann dazu benutzt werden, das Verhältnis von Flüssigstickstoff und Flüssigsauerstoff innerhalb des Produktstroms 18 zu bestimmen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Bilden eines Gemischs aus flüssigem Stickstoff, welches umfasst: indirekten Wärmeaustausch (20) zwischen einem Strom flüssigen Sauerstoffs (22) und einem Strom flüssigen Stickstoffs (26) zur Bildung eines unterkühlten flüssigen Sauerstoffstroms und eines teilweise verdampften flüssigen Stickstoffstroms, die beide auf im wesentlichen der gleichen Temperatur sind, wobei der Druck des flüssigen Stickstoffs so gesteuert wird, dass die gleiche Temperatur ebenfalls gesteuert wird, Phasentrennen (28) des teilweise verdampften flüssigen Stickstoffstroms zur Bildung einer flüssigen und einer dampfförmigen Stickstoffphase, und Kombinieren (36) eines aus der flüssigen Stickstoffphase bestehenden Stroms mit dem unterkühlten flüssigen Sauerstoffstrom.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dass weiter das Steuern der Strömungsrate des unterkühlten flüssigen Sauerstoffstroms und Stickstoffstroms umfasst, wodurch die Zusammensetzung des Gemischs gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Flüssigphasenstrom mit dem unterkühlten flüssigen Sauerstoffstrom in einem Misch-T-Stück kombiniert wird, das einen Zweig zum Absenken des Drucks des unterkühlten flüssigen Sauerstoffstroms hat.
4. Einrichtung zum Bilden eines Gemischs aus Stickstoff, mit: einem Parallelströmungswärmetauscher (20) mit ersten und zweiten Kanälen für einen flüssigen Sauerstoffstrom (22) bzw. für einen flüssigen Stickstoffstrom (26) zum indirekten Wärmeaustausch zwischen diesen, um dadurch um Betrieb einen unterkühlten flüssigen Sauerstoffstrom und einen teilweise verdampfen flüssigen Stickstoffstrom auf im wesentlichen der gleichen Temperatur zu erzeugen, wobei die Temperatur von dem Druck des flüssigen Stickstoffs abhängig ist, einem Phasentrenner (28), der mit dem zweiten Kanal des Parallelwärmetauschers verbunden ist, um den Stickstoff in eine flüssige Phase und eine Dampfphase aufzutrennen, Mittel, die mit dem Phasentrenner verbunden sind und in Verbindung mit dem ersten Kanal des Parallelströmungswärmetauscher stehen um einen Strom zu kombinieren (36), der aus der flüssigen Stickstoffphase und dem unterkühlten flüssigen Sauerstoffstrom zusammengesetzt ist.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei ein Proportionalventil zwischen dem ersten Kanal des Parallelströmungswärmetauschers und die Kombinierungsmittel zur Steuerung der Zusammensetzung des Gemischs geschaltet ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Kombinierungsmittel ein Misch-T-Stück mit einem Zweig zum Absenken des Drucks des unterkühlten flüssigen Sauerstoffstroms umfassen.