EP2159474A1 - Bereitstellen von Kohlendioxid - Google Patents

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EP2159474A1 EP09010055A EP09010055A EP2159474A1 EP 2159474 A1 EP2159474 A1 EP 2159474A1 EP 09010055 A EP09010055 A EP 09010055A EP 09010055 A EP09010055 A EP 09010055A EP 2159474 A1 EP2159474 A1 EP 2159474A1
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    • F17C2227/00—Transfer of fluids, i.e. method or means for transferring the fluid; Heat exchange with the fluid
    • F17C2227/01—Propulsion of the fluid
    • F17C2227/0128—Propulsion of the fluid with pumps or compressors
    • F17C2227/0135—Pumps

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for providing carbon dioxide, in particular of liquid carbon dioxide, under variable pressures and / or temperatures.
  • Carbon dioxide especially liquid carbon dioxide
  • foaming of plastics with carbon dioxide extrusion cooling, cleaning of surfaces with carbon dioxide snow, conditioning of carbon dioxide for the production of pellets, high-pressure extraction, drinking water treatment, wastewater treatment, mixing water conditioning and the cleaning of textiles with supercritical carbon dioxide.
  • the object of the present invention is to specify an apparatus and a method for providing carbon dioxide, in particular liquid carbon dioxide, which makes it possible to provide carbon dioxide, in particular liquid carbon dioxide, under variable pressures and / or temperatures for a wide variety of applications.
  • the object is achieved in that the stored in gaseous and / or liquid form carbon dioxide is pumped by at least one pump to the desired pressure and then warmed and / or cooled.
  • the figure shows a carbon dioxide storage S shown only in schematic form. This can be designed as a low-pressure tank, high-pressure tank, compressed gas cylinder and / or compressed gas cylinder bundle.
  • the deducted from the carbon dioxide storage S via line 1 carbon dioxide is for the purpose of increasing the pressure of a pump or, as in the FIG. 2 shown, a pump unit consisting of two parallel pumps P1 and P1 ', supplied. If the desired pressure is not achievable by means of a single-stage compression, a multi-stage compression is realized.
  • These pressure increase of the liquid carbon dioxide serving pumps P1 and P1 ' are preferably designed as electrically and / or pneumatically driven piston pumps. In them, an increase in pressure of the carbon dioxide to values between 20 and 400 bar.
  • the carbon dioxide is supplied via the line sections 2 and 2 'and / or 2 and 2 "to a heater E and / or a cooler K.
  • the carbon dioxide can be heated or cooled to the desired temperature
  • Heater E and the radiator K can be exposed to a wide variety of heating and cooling mediums, by way of example air and organic or inorganic heat transfer media.
  • the heated or cooled carbon dioxide is fed to an optional pressure reducer V1. In this possibly a pressure reduction can be realized.
  • the illustrated in the figure, also optional to be provided pump P2 serves as a circulation pump.
  • the pump P2 is preferably designed as a centrifugal pump, as used as a continuous delivery unit centrifugal pumps to pressure fluctuations react more uncritical than closed delivery units, such as piston pumps.
  • Via line 4, the carbon dioxide is then fed to its further use, as exemplified at the outset. Alternatively or additionally, the carbon dioxide can be withdrawn via the line 4 'already before the circulation pump P2.
  • the liquid carbon dioxide can be tempered in the desired manner. If there is too much carbon dioxide within the circuit described above, this can be done in the FIG. 2 Safety valves, not shown, are removed or are returned to the carbon dioxide supply via the line sections 5 and 6 'or 6 ", wherein a pressure reducer V2 is provided in the line section 5. In this case, the carbon dioxide is fed via line 6' to the pump inlet and / or via line 6 "the carbon dioxide storage S are supplied. However, the latter alternative assumes that the carbon dioxide storage S is designed to absorb the heated carbon dioxide.
  • the device according to the invention and the method according to the invention for providing carbon dioxide for the first time create a compact, universally applicable concept which comprises all the components required to provide carbon dioxide, in particular liquid carbon dioxide, under variable pressures and / or temperatures.
  • all operating points of the carbon dioxide in the liquid and supercritical range can be controlled by means of the invention.

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Abstract

Es werden eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bereitstellen von Kohlendioxid, insbesondere von flüssigem Kohlendioxid, unter variablen Drücken und/oder Temperaturen beschrieben. Erfindungsgemäß ist die Vorrichtung gekennzeichnet durch a) wenigstens einen Kohlendioxid-Speicher (S), der der Speicherung von gasförmigem und/oder flüssigem Kohlendioxid dient, b) wenigstens eine Pumpe (P1, P1'), der Kohlendioxid aus dem Kohlendioxid-Speicher (S) zugeführt wird und die der Druckerhöhung von flüssigem Kohlendioxid dient, c) wenigstens einen der Pumpe (P1, P1') nachgeschalteten Kühler (K) und d) wenigstens einen der Pumpe (P1, P1') nachgeschalteten Erhitzer (E).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bereitstellen von Kohlendioxid, insbesondere von flüssigem Kohlendioxid, unter variablen Drücken und/oder Temperaturen.
  • Kohlendioxid, insbesondere flüssiges Kohlendioxid, wird bei einer Vielzahl von Prozessen benötigt. Beispielhaft gemeint seien das Schäumen von Kunststoffen mit Kohlendioxid, die Extrusionskühlung, das Reinigen von Oberflächen mit KohlendioxidSchnee, die Konditionierung von Kohlendioxid für die Herstellung von Pellets, die Hochdruckextraktion, die Trinkwasseraufbereitung, die Abwasserbehandlung, die Anmachwasserkonditionierung sowie die Reinigung von Textilien mit überkritischem Kohlendioxid.
  • Bei der Bereitstellung von Kohlendioxid, insbesondere von flüssigem Kohlendioxid, stellt sich bisher das Problem, dass die Nutzer des Kohlendioxids auf die Kohlendioxid-Lagerbedingungen angewiesen sind. Diese Lagerbedingungen sind stets Druck/Temperaturpaarungen auf der Siedelinie (zwischen Tripelpunkt und kritischem Punkt) oder der Sublimationslinie (zwischen Tripelpunkt und Sublimationspunkt); siehe hierzu die Figur 1.
  • Eine Vielzahl wichtiger physikalischer und/oder chemischer Eigenschaften des Kohlendioxids kommt jedoch erst bei anderen Temperaturen und/oder Drücken zur Geltung.
  • Die zum Stand der Technik zählenden Verfahren bzw. Vorrichtungen zum Bereitstellen von Kohlendioxid, insbesondere von flüssigem Kohlendioxid, vermögen das Kohlendioxid, das mittels geeigneter Pumpen auf Drücke oberhalb der eigentlichen Lagerdrücke komprimiert werden kann, nach erfolgter Druckerhöhung entweder ausschließlich abzukühlen oder ausschließlich aufzuheizen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bereitstellen von Kohlendioxid, insbesondere von flüssigem Kohlendioxid, anzugeben, die bzw. das es ermöglicht, Kohlendioxid, insbesondere flüssiges Kohlendioxid, unter variablen Drücken und/oder Temperaturen für unterschiedlichste Anwendungszwecke bereit zu stellen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen von Kohlendioxid, insbesondere von flüssigem Kohlendioxid, vorgeschlagen, die gekennzeichnet ist durch
    1. a) wenigstens einen Kohlendioxid-Speicher, der der Speicherung von gasförmigem und/oder flüssigem Kohlendioxid dient,
    2. b) wenigstens eine Pumpe, der Kohlendioxid aus dem Kohlendioxid-Speicher zugeführt wird und die der Druckerhöhung von flüssigem Kohlendioxid dient,
    3. c) wenigstens einen der Pumpe nachgeschalteten Kühler und
    4. d) wenigstens einen der Pumpe nachgeschalteten Erhitzer.
  • Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass das in gasförmiger und/oder flüssiger Form gespeicherte Kohlendioxid mittels wenigstens einer Pumpe auf den gewünschten Druck gepumpt und anschließend angewärmt und/oder abgekühlt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäße Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bereitstellen von Kohlendioxid, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • Kühler und Erhitzer in einem Bauteil bzw. einer Vorrichtung realisiert sind,
    • dem Kühler und dem Erhitzer ein Druckminderer nachgeschaltet ist,
    • dem Kühler und dem Erhitzer eine weitere Pumpe nachgeschaltet ist,
    • der Kühler und Erhitzer ausgangsseitig über eine Leitung mit dem Eingang der Pumpe(n) verbunden oder verbindbar sind,
    • in der Leitung ein Druckminderer angeordnet ist,
    • der Kohlendioxid-Speicher als Niederdrucktank, Hochdrucktank, Druckgasflasche und/oder Druckgasflaschenbündel ausgebildet ist, und
    • die der Druckerhöhung des flüssigen Kohlendioxids dienende Pumpe(n) als elektrisch und/oder pneumatisch angetriebene Kolbenpumpe(n) ausgebildet ist bzw. sind.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen von Kohlendioxid sowie weitere Ausgestaltungen derselben seien nachfolgend anhand des in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die Figur zeigt einen lediglich in schematisierter Form dargestellten Kohlendioxid-Speicher S. Dieser kann als Niederdrucktank, Hochdrucktank, Druckgasflasche und/oder Druckgasflaschenbündel ausgebildet sein.
  • Das aus dem Kohlendioxid-Speicher S über Leitung 1 abgezogene Kohlendioxid wird zum Zwecke der Druckerhöhung einer Pumpe oder, wie in der der Figur 2 dargestellt, einer Pumpeinheit, bestehend aus zwei parallel angeordneten Pumpen P1 und P1', zugeführt. Sofern der gewünschte Druck nicht mittels einer einstufigen Kompression erreichbar ist, wird eine mehrstufige Kompression realisiert. Diese der Druckerhöhung des flüssigen Kohlendioxids dienenden Pumpen P1 und P1' sind vorzugsweise als elektrisch und/oder pneumatisch angetriebene Kolbenpumpen ausgebildet. In ihnen erfolgt eine Druckerhöhung des Kohlendioxids auf Werte zwischen 20 und 400 bar.
  • Daran anschließend wird das Kohlendioxid über die Leitungsabschnitte 2 und 2' und/oder 2 und 2" einem Erhitzer E und/oder einem Kühler K zugeführt. In diesen kann ein Erhitzen bzw. ein Abkühlen des Kohlendioxids auf die gewünschte Temperatur erfolgen. Hierzu können der Erhitzer E sowie der Kühler K mit unterschiedlichsten Wärme- bzw. Kältemedien beaufschlagt werden. Beispielhaft genannt seien Luft sowie organische oder anorganische Wärmeträger. Des Weiteren kann eine Erhitzung mittels Verbrennungsprozesses erfolgen. Wo erwünscht und realisierbar wird das Kohlendioxid soweit unterkühlt, dass es blasenfrei zirkuliert.
  • Über Leitung 3 wird das erwärmte oder abgekühlte Kohlendioxid einem optional vorzusehenden Druckminderer V1 zugeführt. In diesem kann ggf. ein Druckabbau realisiert werden. Die in der Figur dargestellte, ebenfalls optional vorzusehende Pumpe P2 dient als Kreislaufpumpe. Die Pumpe P2 ist vorzugsweise als Kreiselpumpe ausgeführt, da als durchgängiges Förderaggregat verwendete Kreiselpumpen gegenüber Druckschwankungen unkritischer reagieren als geschlossene Förderaggregate, wie bspw. Kolbenpumpen. Über Leitung 4 wird das Kohlendioxid anschließend seiner weiteren Verwendung, wie sie eingangs beispielhaft erläutert wurde, zugeführt. Alternativ oder ergänzend kann das Kohlendioxid über die Leitung 4'bereits vor der Kreislaufpumpe P2 abgezogen werden.
  • Über die Leitungsabschnitte 5 und 6 ist ggf. eine Rückführung von Kohlendioxid vor den Eingang des Erhitzers E und/oder Kühlers K möglich. Mittels dieser Verfahrensweise kann das flüssige Kohlendioxid in gewünschter Weise temperiert werden. Sofern sich innerhalb des vorbeschriebenen Kreislaufes zu viel Kohlendioxid befindet, kann dieses über in der Figur 2 nicht dargestellte Sicherheitsventile abgeführt oder über die Leitungsabschnitte 5 und 6' bzw. 6", wobei im Leitungsabschnitt 5 ein Druckminderer V2 vorgesehen ist, wieder dem Kohlendioxid-Vorrat zugeführt werden. Hierbei hann das Kohlendioxid über Leitung 6' dem Pumpenzulauf und/oder über Leitung 6" dem Kohlendioxid-Speicher S zugeführt werden. Die letztgenannte Alternative setzt jedoch voraus, dass der Kohlendioxid-Speicher S für die Aufnahme des erwärmten Kohlendioxids ausgelegt ist.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das erfindungsgemäße Verfahren zum Bereitstellen von Kohlendioxid schaffen erstmals ein kompaktes, universell einsetzbares Konzept, das alle Komponenten umfasst, die es bedarf, um Kohlendioxid, insbesondere flüssiges Kohlendioxid, unter variablen Drücken und/oder Temperaturen bereitzustellen. Durch eine geeignete Wahl der Prozessparameter können mittels der Erfindung alle Arbeitspunkte des Kohlendioxids im flüssigen und überkritischen Bereich angesteuert werden.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum Bereitstellen von Kohlendioxid, insbesondere von flüssigem Kohlendioxid, unter variablen Drücken und/oder Temperaturen, gekennzeichnet durch
    a) wenigstens einen Kohlendioxid-Speicher (S), der der Speicherung von gasförmigem und/oder flüssigem Kohlendioxid dient,
    b) wenigstens eine Pumpe (P1, P1'), der Kohlendioxid aus dem Kohlendioxid-Speicher (S) zugeführt wird und die der Druckerhöhung von flüssigem Kohlendioxid dient,
    c) wenigstens einen der Pumpe (P1, P1') nachgeschalteten Kühler (K) und
    d) wenigstens einen der Pumpe (P1, P1') nachgeschalteten Erhitzer (E).
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Kühler (K) und Erhitzer (E) in einem Bauteil bzw. einer Vorrichtung realisiert sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühler (K) und dem Erhitzer (E) ein Druckminderer (V1) nachgeschaltet ist.
  4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kühler (K) und dem Erhitzer (E) eine weitere Pumpe (P2) nachgeschaltet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (K) und Erhitzer (E) ausgangsseitig über eine Leitung (5, 6) mit dem Eingang der Kühlers (K) und/oder Erhitzers (E) verbunden oder verbindbar sind.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (5, 6) ein Druckminderer (V2) angeordnet ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlendioxid-Speicher (S) als Niederdrucktank, Hochdrucktank, Druckgasflasche und/oder Druckgasflaschenbündel ausgebildet ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der Druckerhöhung des flüssigen Kohlendioxids dienende Pumpe(n) (P1, P1') als elektrisch und/oder pneumatisch angetriebene Kolbenpumpe(n) ausgebildet ist bzw. sind.
  9. Verfahren zum Bereitstellen von Kohlendioxid, insbesondere von flüssigem Kohlendioxid, unter variablen Drücken und/oder Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, dass das in gasförmiger und/oder flüssiger Form gespeicherte Kohlendioxid mittels wenigstens einer Pumpe (P1, P1') auf den gewünschten Druck gepumpt und anschließend angewärmt (E) und/oder abgekühlt wird (K).
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid soweit unterkühlt wird (K), dass es blasenfrei vorliegt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlendioxid nach erfolgter Anwärmung und/oder Abkühlung entspannt (V1) und/oder gepumpt wird (P2).
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das angewärmte und/oder abgekühlte Kohlendioxid zumindest teilweise vor den für die Abkühlung bzw. die Anwärmung verwendeten Kühler (K) bzw. Erhitzer (E) zurückgeführt wird (5,6).
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