EP1780460A1 - Vorrichtung zur Gasdruckerhöhung - Google Patents

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EP1780460A1
EP1780460A1 EP05028677A EP05028677A EP1780460A1 EP 1780460 A1 EP1780460 A1 EP 1780460A1 EP 05028677 A EP05028677 A EP 05028677A EP 05028677 A EP05028677 A EP 05028677A EP 1780460 A1 EP1780460 A1 EP 1780460A1
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    • F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
    • F17C2223/0161—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL cryogenic, e.g. LNG, GNL, PLNG

Definitions

  • the invention relates to a device for increasing the gas pressure of cryogenic, liquefied gases from tank systems.
  • a new field of application for the gas pressure increase of industrial gases is the treatment of sewage sludge from sewage treatment plants.
  • various methods for sludge disintegration are used.
  • the cell walls of the microorganisms contained in the sewage sludge are destroyed, whereby a thickening of the sewage sludge is substantially facilitated.
  • a gas under high pressure eg 10 to 200 bar above atmospheric pressure.
  • the gases used are technical gases such as oxygen, nitrogen or carbon dioxide. These are available in standard fueling systems whose operating pressure is not always sufficient for this process. Therefore, additional pressure booster systems must be provided.
  • conventional pressure booster systems are problematic because the required discontinuous operation, a cold running of the pump is difficult.
  • pressure booster systems are associated with high acquisition costs.
  • the booster systems equipped with pumps or compressors also have sensitive units that require high maintenance and operating costs.
  • the present invention has for its object to provide a gas pressure booster system for supplying gases from tanks for cryogenic liquefied gases available, which largely manages without mechanical compressors or pumps.
  • the tank system is connected via a valve having a feed line with a dosing, which in turn is connected via a valve having a connecting line with an evaporator in connection, wherein the evaporator on the one hand via a valve having a return line from the a bleed line having a valve (5) branches off, is connected to the supply line to the metering container and on the other hand leads away a removal line having a valve from the evaporator.
  • the proposed gas pressure booster thus has neither pumps nor compressors and comes with conventional containers and evaporators.
  • the gas taken from a standard liquefied gas tank can be increased to the desired pressure.
  • the removal line of the evaporator is preferably in communication with at least one gas storage.
  • the gas storage can be designed as a gas container or as a cylinder bundle.
  • the volume ratio of dosing and gas storage can be adjusted.
  • the volume of the dosing and the volume of the gas storage in the ratio 1:10 to 1: 200.
  • the dosing can have a volume of 4 to 10 liters
  • the gas storage consists of several gas storage containers, in particular a gas cylinder bundle with 5 to 12 gas cylinders.
  • the metering container is preferably vacuum-insulated.
  • an air-heated evaporator is used as the evaporator, in which the evaporation takes place by ambient air.
  • the performance of the pressure booster can be increased even more.
  • the invention is suitable for all processes in which gases from standard liquefied gas tank facilities are required at higher pressures than the operating pressures of the tank installations.
  • a particularly interesting application is the disintegration of sewage sludge by the application of gases under high pressures.
  • the figure shows a pressure booster for increasing the gas pressure of oxygen from a liquid oxygen tank system.
  • This pressure booster system is intended for the gas supply of a reactor for the disintegration of sewage sludge.
  • the reactor for the disintegration of sewage sludge is not shown in the figure.
  • a previously relaxed metering 7 is filled via line 6 by pressure with liquid oxygen.
  • the metering container 7 is connected via a line 8 with a consisting of a cold part 9 and a warm part 10 evaporator.
  • a return line 11 leads back to the dosing 7.
  • a vent line 12 is connected to a muffler.
  • the warm part 10 of the evaporator is connected via a line 13 with an existing gas cylinder bundle 14 gas storage in combination.
  • a provided with a pressure reducer 16 gas discharge line 15 finally leads to the reactor, not shown, for the disintegration of sewage sludge.
  • the operation of the gas pressure booster plant is carried out as follows:
  • valves 1 and 5 are closed.
  • the gas is removed via valve 3.
  • the valve 3 When the valve 3 is open, the gas pressure in the oxygen cylinder bundle 14 drops.
  • the valves 2 and 4 are closed.
  • the valve 5 is opened and closed again after about 10 seconds.
  • the valve 1 is opened and the dosing 7 filled with liquid oxygen from the connected tank system, which is operated for example at a tank pressure of about 18 bar.
  • the valve 1 After filling the dosing tank 7, which is achieved, for example, after 30 seconds, the valve 1 is closed again.
  • the valve 4 is opened and the pressure in the dosing tank 7 increases until pressure equalization.
  • Valve 2 is opened so that the liquid oxygen flows into the cold part 9 of the evaporator. In this case, a pressure equalization takes place via valve 4.
  • evaporation of the liquid oxygen increases Pressure in the evaporator 9, 10 or in the oxygen cylinder bundle 14 according to the volume ratio.
  • the predetermined minimum pressure of eg 48 bar the steps described above are repeated.
  • the gas may e.g. used to drive pneumatic valves instead of compressed air.
  • the gas can also be used for other processes with lower gas pressure.
  • oxygen can be used for the additional fumigation of activated sludge plants in sewage treatment plants. A partial relaxation in the tank to build up pressure is possible.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Gasdruckerhöhung bei der Versorgung von Verbrauchern mit tiefkaltem verflüssigtem Gas aus einer Tankanlage beschrieben. Die Gasdruckerhöhungsanlage kommt ohne Pumpen und Verdichter aus und weist lediglich einen an die Tankanlage für verflüssigtes Gas angeschlossenen Dosierbehälter 7 sowie nachgeschaltete Verdampfer 9, 10 auf, die über eine Rückleitung mit dem Dosierbehälter 7 verbunden sind und andererseits eine Gasableitung 13 zum Verbraucher besitzen. Der Druckaufbau erfolgt ausschließlich über die Verdampfung des flüssigen Gases. Durch Wahl des Volumenverhältnisses von Dosierbehälter 7 und Verdampfer 9,10 können beliebige Drücke und damit auch beliebige Gasdurchsätze bzw. Entnahmemengen eingestellt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasdruckerhöhung von tiefkalten, verflüssigten Gasen aus Tankanlagen.
  • Üblicherweise werden technische Gase, z.B. Sauerstoff, Stickstoff, Kohlendioxid usw. in tiefkaltem, flüssigem Zustand in vakuumisolierten Tankanlagen bevorratet. Bei Bedarf werden die flüssigen Gase über Verdampfer auf nahezu Umgebungstemperatur gebracht und in gasförmigem Zustand für nachfolgende Prozesse eingesetzt. Für die meisten Verfahren sind dabei die Betriebsdrücke der vorhandenen Tankanlagen ausreichend. Werden aber Gas bei Drücken oberhalb des maximalen Betriebsdrucks der Tankanlagen, der bei Standard-Tankanlagen ca. 18 bar und bei Hochdruck-Tankanlagen ca. 36 bar beträgt, benötigt, müssten spezielle Tankanlagen oder Druckerhöhungsanlagen eingesetzt werden. Herkömmliche Druckerhöhungsanlagen arbeiten mit Pumpen für flüssige Gase oder Verdichter für bereits gasförmige Gase.
  • Bei manchen Gasen kann die Verwendung von Pumpen oder Verdichtern zur Druckerhöhung problematisch sein. Beispielsweise kann es bei der Druckerhöhung von Sauerstoff mittels mechanischer Verdichter durch Reibung zur Explosionsgefahr kommen.
  • Ein neues Anwendungsgebiet für die Gasdruckerhöhung von technischen Gasen ist die Behandlung von Klärschlämmen von Kläranlagen. Um die Entwässerbarkeit von Klärschlämmen zu verbessern, werden verschiedene Verfahren zur Klärschlammdesintegration eingesetzt. Dabei werden die Zellwände der im Klärschlamm enthaltenen Mikroorganismen zerstört, wodurch eine Eindickung des Klärschlamms wesentlich erleichtert wird. In der nicht vorveröffentlichten DE 102 00 4042 773.9 ist ein Verfahren zur Klärschlammdesintegration beschrieben, bei dem der Klärschlamm in einem Druckreaktor einem unter hohen Druck (z.B. 10 bis 200 bar über Atmosphärendruck) stehenden Gas ausgesetzt wird. Durch plötzliches Entspannen der mit Gas gesättigten Mikroorganismen brechen die Zellwände auf, so dass das Zellinnere freigesetzt wird. Als Gase werden technische Gase wie Sauerstoff, Stickstoff oder Kohlendioxid verwendet. Diese werden in Standardtankanlagen zur Verfügung gestellt, deren Betriebsdruck für diesen Prozess nicht immer ausreichend ist. Daher müssen zusätzliche Druckerhöhungsanlagen vorgesehen werden. Herkömmliche Druckerhöhungsanlagen sind jedoch problematisch, da beim erforderlichen diskontinuierlichen Betrieb ein Kaltfahren der Pumpen schwierig ist. Außerdem sind solche Druckerhöhungsanlagen mit hohen Anschaffungskosten verbunden. Die mit Pumpen oder Verdichtern ausgestatteten Druckerhöhungsanlagen weisen darüber hinaus empfindliche Aggregate auf, die hohe Wartungs- und Betriebskosten erfordern.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gasdruckerhöhungsanlage zur Versorgung mit Gasen aus Tankanlagen für tiefkalt verflüssigte Gase zur Verfügung zu stellen, die weitgehend ohne mechanisch arbeitende Verdichter oder Pumpen auskommt.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Tankanlage über eine ein Ventil aufweisende Zuleitung mit einem Dosierbehälter verbindbar ist, der seinerseits über eine ein Ventil aufweisende Verbindungsleitung mit einem Verdampfer in Verbindung steht, wobei der Verdampfer einerseits über eine ein Ventil aufweisende Rückleitung, von der eine ein Ventil (5) aufweisende Entlüftungsleitung abzweigt, mit der Zuleitung zum Dosierbehälter verbunden ist und andererseits eine ein Ventil aufweisende Entnahmeleitung vom Verdampfer wegführt.
  • Die vorgeschlagene Gasdruckerhöhungsanlage weist also weder Pumpen noch Verdichter auf und kommt mit herkömmlichen Behältern und Verdampfern aus. Durch die beschriebene Verschaltung von Dosierbehälter und Verdampfer kann das einer Standardtankanlage für verflüssigtes Gas entnommene Gas auf den gewünschten Druck erhöht werden.
  • Um eine kontinuierliche bzw. diskontinuierliche Versorgung eines Verbrauchers mit dem unter erhöhten Druck stehenden Gas zu ermöglichen, steht die Entnahmeleitung des Verdampfers vorzugsweise mit mindestens einem Gasspeicher in Verbindung. Der Gasspeicher kann als Gasbehälter oder als Flaschenbündel ausgebildet sein.
  • Durch Veränderung des Volumenverhältnisses von Dosierbehälter und Gasspeicher können unterschiedliche Druckbereiche eingestellt werden. Bevorzugt stehen das Volumen des Dosierbehälters und das Volumen des Gasspeichers im Verhältnis 1:10 bis 1:200. Beispielsweise kann der Dosierbehälter ein Volumen von 4 bis 10 Liter aufweisen, während der Gasspeicher aus mehreren Gasspeicherbehältern, insbesondere einem Gasflaschenbündel mit 5 bis 12 Gasflaschen besteht.
  • Der Dosierbehälter ist vorzugsweise vakuumisoliert.
  • Zweckmäßigerweise wird als Verdampfer ein luftbeheizter Verdampfer eingesetzt, bei dem die Verdampfung durch Umgebungsluft erfolgt. Beim Einsatz von Wasserbadverdampfern bzw. durch Beheizung mit elektrischer Energie kann die Leistung der Druckerhöhungsanlage noch gesteigert werden.
    • Die Erfindung bietet eine ganze Reihe von Vorteilen:
  • Durch den Verzicht auf Pumpen und Verdichtern sind Wartungs- und Betriebskosten gegenüber herkömmlichen Gasdruckerhöhungsanlagen wesentlich reduziert. Außerdem ist kein zusätzlicher Bedarf an elektrischer Energie für Antriebe erforderlich. Die Verwendung herkömmlicher Behälter und Verdampfer ermöglicht geringe Investitionskosten. Da die Druckerhöhung alleine durch die Verdampfung von Gas erfolgt, können die Probleme, die bei mechanischen Gasdruckerhöhungsanlagen auftreten, grundsätzlich nicht vorkommen. Auch ein kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Betrieb ist problemlos möglich. Durch den Einsatz eines einfachen Dosierbehälters, von standardmäßigen elektrisch oder pneumatisch betriebenen Absperrarmaturen, standardmäßigen oder gering umgebauten Rippenrohrverdampfem oder Rippenrohbehältern wird insgesamt eine sehr kostengünstige Gasdruckerhöhungsanlage zur Verfügung gestellt. Dabei ist eine Anfertigung der Anlage in verschiedenen Größen ohne weiteres möglich. In Abhängigkeit des Volumenverhältnisses von Dosierbehälter und Gasspeicher kann jeder gewünschte Entnahmedruckbereich bestimmt werden. Schließlich ist zum Kaltfahren ein relativ geringes Volumen bzw. eine geringe Materialmenge des Dosierbehälters erforderlich.
  • Die Erfindung eignet sich für alle Prozesse, bei denen Gase aus standardmäßigen Tankanlagen für verflüssigte Gase bei höheren Drücken als den Betriebsdrücken der Tankanlagen erforderlich sind, eingesetzt werden. Ein besonders interessanter Anwendungsfall ist die Desintegration von Klärschlämmen durch Anwendung von Gasen unter hohen Drücken.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:
  • Die Figur zeigt eine Druckerhöhungsanlage zur Gasdruckerhöhung von Sauerstoff aus einer Flüssigsauerstofftankanlage. Diese Druckerhöhungsanlage ist für die Gasversorgung eines Reaktors zur Desintegration von Klärschlämmen vorgesehen. Der Reaktor für die Desintegration von Klärschlämmen ist in der Figur nicht dargestellt.
  • Aus einem in der Figur nicht gezeigten Flüssiggastank für Sauerstoff wird über Leitung 6 ein zuvor entspannter Dosierbehälter 7 durch Überdruck mit flüssigem Sauerstoff befüllt. Der Dosierbehälter 7 ist über eine Leitung 8 mit einem aus einem kalten Teil 9 und einem warmen Teil 10 bestehenden Verdampfer verbunden. Eine Rückleitung 11 führt zum Dosierbehälter 7 wieder zurück. An die Rückleitung 11 ist eine Entlüftungsleitung 12 mit einem Schalldämpfer angeschlossen. Der warme Teil 10 des Verdampfers steht über eine Leitung 13 mit einem aus Sauerstoffflaschenbündel 14 bestehenden Gasspeicher in Verbindung. Eine mit einem Druckminderer 16 versehene Gasableitung 15 führt schließlich zum nicht dargestellten Reaktor zur Desintegration von Klärschlämmen.
  • Der Betrieb der Gasdruckerhöhungsanlage erfolgt folgendermaßen:
  • In der Ausgangssituation sind die Ventile 1 und 5 geschlossen. Die Gasentnahme erfolgt über Ventil 3. Bei offenem Ventil 3 sinkt der Gasdruck in dem Sauerstoffflaschenbündel 14. Beim Unterschreiten eines vorgegebenen Mindestdrucks von z.B. 48 bar werden die Ventile 2 und 4 geschlossen. Zum Entspannen des Dosierbehälters 7 auf Umgebungsdruck wird das Ventil 5 geöffnet und nach ca. 10 Sekunden wieder geschlossen. Anschließend wird das Ventil 1 geöffnet und der Dosierbehälter 7 mit flüssigem Sauerstoff aus der angeschlossenen Tankanlage, die beispielsweise bei einem Tankdruck von ca. 18 bar betrieben wird, gefüllt. Nach der Befüllung des Dosierbehälters 7, was z.B. nach 30 Sekunden erreicht ist, wird das Ventil 1 wieder geschlossen. Dann wird das Ventil 4 geöffnet und der Druck im Dosierbehälter 7 steigt bis zum Druckausgleich an. Ventil 2 wird geöffnet, so dass der flüssige Sauerstoff in den kalten Teil 9 des Verdampfers fließt. Dabei erfolgt ein Druckausgleich über Ventil 4. Durch Verdampfen des flüssigen Sauerstoffs steigt der Druck im Verdampfer 9, 10 bzw. in dem Sauerstoffflaschenbündel 14 entsprechend dem Volumenverhältnis. Beim Unterschreiten des vorgegebenen Mindestdrucks von z.B. 48 bar werden die oben beschriebenen Schritte wiederholt.
  • Durch die Entlüftung des Dosierbehälters 7 mit einem Volumen von z.B. 6 Liter bei 48 bar entsteht ein Gasverlust (6 Liter x 48 bar) von 288 Liter. Prozentual gesehen betragen die theoretischen Verluste (288 Liter/5.118 Liter) 5,63%. In der Praxis dürften diese Verluste bei 6 bis 8% liegen. Durch folgende Nutzung des Abgases bei einem Druck von ca. 2 bis 3 bar können jedoch diese Verluste minimiert werden:
  • Das Gas kann z.B. zum Antrieb von pneumatischen Ventilen anstelle von Druckluft eingesetzt werden. Bei Verwendung der Gasdruckerhöhungsanlage zur Desintegration von Klärschlämmen kann das Gas auch für andere Prozesse bei geringerem Gasdruck zur Anwendung kommen. Beispielsweise kann Sauerstoff zur zusätzlichen Begasung von Belebungsanlagen in Klärwerken eingesetzt werden. Auch eine Teilentspannung in den Tank zum Druckaufbau ist möglich.
  • Durch einfache Anpassung der Volumenverhältnisse von Dosierbehälter 7, Verdampfer 9, 10 und Sauerstoffflaschenbündel 14 ist die Anlage für jeden Druck und jede Gasmenge anwendbar.
  • Das folgende Auslegungsbeispiel betrifft den Einsatz der Gasdruckerhöhungsanlage zur Desintegration von Klärschlämmen. Dabei werden die Klärschlämme in einen Reaktor gefüllt und unter hohem Druck mit Sauerstoff begast. Durch plötzliches Entspannen der mit Gas gesättigten Mikroorganismen kommt es zu einem Aufplatzen der Zellwände, wodurch die Entwässerbarkeit des Klärschlamms wesentlich verbessert wird. Der Reaktor zur Desintegration von Klärschlämmen muss also diskontinuierlich mit einem unter hohem Druck stehenden Sauerstoffgas versorgt werden. Hierzu wird eine Gasdruckerhöhungsanlage mit folgenden technischen Daten eingesetzt:
    • Gas für die Desintegration: Sauerstoff
    • Erforderlicher Gasdruck im Desintegrationsreaktor: maximal 45 bar
    • Erforderlicher Gasdurchsatz (Gasdosierung 60 Nm3/h): 5 Nm3/5 Minuten
    • Gasbedarf: 3 bis 4 mal pro Stunde
    • Betriebszeit: 8 bis 12 Stunden pro Tage
    • Gasspeicher: Sauerstoff-Flaschenbündel
    • Volumen des Dosierbehälters: 6 Liter
    • Volumen des Verdampfers (kalter Teil): 2 bis 10 Liter
    • Volumen des Flaschenbündels: 600 Liter
    • Maximaler Systemdruck: 48 bar
    • 1 Liter Sauerstoff (flüssig) entspricht 853 Liter Sauerstoff (gasförmig) bzw. 0,85 Kubikmeter bei 1 bar.
    • 6 Liter Sauerstoff (flüssig) entsprechen 5.118 Liter (gasförmig) bzw. 5,1 Kubikmeter bei 1 bar.
  • Gemäß der Beziehung p x V = konstant [200(bar)x0,6 (m3)=120(m3)] beträgt das Sauerstoffvolumen des Gasspeichers bei 48 bar (48 bar x 0,6 m3) 28,8 Kubikmeter.
  • Bei einer Einspeisung von 6 Liter (= 5,1 m3) flüssigem Sauerstoff steigt der Druck (ohne gleichzeitige Gasentnahme) auf: 28 , 8 m 3 + 5 , 1 ⁢ m 3 = 33 , 9 m 3
    Figure imgb0001
     33 , 9 m 3 × ( 200 bar / 120 m 3 ) = 56 , 5 bar
    Figure imgb0002

Claims (7)

  1. Vorrichtung zur Gasdruckerhöhung von tiefkalten verflüssigten Gasen aus Tankanlagen, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankanlage über eine ein Ventil (1) aufweisende Zuleitung (6) mit einem Dosierbehälter (7) verbindbar ist, der seinerseits über eine ein Ventil (2) aufweisende Verbindungsleitung (8) mit einem Verdampfer (9, 10) in Verbindung steht, wobei der Verdampfer (9, 10) einerseits über eine ein Ventil (4) aufweisende Rückleitung (11), von der eine ein Ventil (5) aufweisende Entlüftungsleitung (12) abzweigt, mit der Zuleitung (6) zum Dosierbehälter (7) verbunden ist und andererseits eine ein Ventil (3) aufweisende Entnahmeleitung (13) vom Verdampfer wegführt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmeleitung (13) mit mindestens einem Gasspeicher (14) in Verbindung steht.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des Dosierbehälters (7) und das Volumen des Gasspeichers (14) im Verhältnis 1:10 bis 1:200 stehen.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (9, 10) als luftbeheizter Verdampfer ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (9, 10) als Wasserbadverdampfer ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasspeicher (14) als Gasbehälter oder Flaschenbündel ausgebildet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosierbehälter (7) vakuumisoliert ist.
EP05028677A 2005-10-27 2005-12-29 Vorrichtung zur Gasdruckerhöhung Not-in-force EP1780460B1 (de)

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EP05028677A Not-in-force EP1780460B1 (de) 2005-10-27 2005-12-29 Vorrichtung zur Gasdruckerhöhung

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