WO2010069472A1 - Method and device for producing clathrate hydrate - Google Patents

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WO2010069472A1
WO2010069472A1 PCT/EP2009/008646 EP2009008646W WO2010069472A1 WO 2010069472 A1 WO2010069472 A1 WO 2010069472A1 EP 2009008646 W EP2009008646 W EP 2009008646W WO 2010069472 A1 WO2010069472 A1 WO 2010069472A1
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hydrate
water
temperature
temperature control
tempering
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PCT/EP2009/008646
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Robert Eckl
Henning Marius Exner
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Linde Aktiengesellschaft
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C10PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10LFUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
    • C10L3/10Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C10L3/10Working-up natural gas or synthetic natural gas
    • C10L3/108Production of gas hydrates
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17CVESSELS FOR CONTAINING OR STORING COMPRESSED, LIQUEFIED OR SOLIDIFIED GASES; FIXED-CAPACITY GAS-HOLDERS; FILLING VESSELS WITH, OR DISCHARGING FROM VESSELS, COMPRESSED, LIQUEFIED, OR SOLIDIFIED GASES
    • F17C11/00Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels
    • F17C11/007Use of gas-solvents or gas-sorbents in vessels for hydrocarbon gases, such as methane or natural gas, propane, butane or mixtures thereof [LPG]

Definitions

  • the invention relates to a device for producing clathrate hydrate, comprising an adjustable temperature surface (tempering surface) which can be brought into contact with water or an aqueous solution and a hydrate-forming gas.
  • the invention relates to the use of the device according to the invention for the production of clathrate hydrate.
  • Clathrate hydrate which is also referred to below as hydrate for short, is understood as meaning compounds of water and at least one further substance which is present as a gas under standard conditions.
  • the water forms a lattice structure in whose cavities the gas molecules are enclosed as so-called guest gas. Hydrates occur in nature in large quantities. So is a significant part of
  • hydrates often occur unintentionally. For example, they arise at correspondingly low temperatures and high pressures in natural gas or oil-bearing pipelines, where they form plugs and can lead to blockages.
  • Hydrates are generally thermodynamically stable at relatively high pressures and temperatures, with precise stability conditions depending on the nature of the entrapped gas and hydrate structure.
  • the distances between the guest gas molecules are much smaller than in a free gas under the same conditions. For this reason, the idea is pursued in recent considerations to synthetically produce hydrates in order to store or transport gases in a space-saving, safe and, under certain conditions, comparatively inexpensive way or to transport them.
  • the hydrate at the highest possible Temperature and lowest possible pressure thermodynamically stable thermodynamically stable. It is therefore attempted to exploit the effect of the anomalous stability or self-preservation of hydrates, as can be seen from FIG. 1 for methane hydrate.
  • methane hydrate is stable below a temperature of 193K.
  • the rate of dissociation continuously increases until about 242 K.
  • temperatures between 242 K and 271 K an anomaly is visible. This is because the rates of dissociation are falling sharply again, although the exact reasons for this behavior have not yet been adequately researched and are still largely unknown.
  • the dissociation rate rises sharply again. From a technical point of view, ie in terms of pressure and temperature level and the associated dissociation rate, the range of anomalous stability between 242 K and 271 K is thus particularly advantageous.
  • the cylindrical block or pellet form has a positive effect on the hydrate stability.
  • Object of the present invention is to provide a device of the generic type and a use of this device, which allow clathrate hydrate with increased self-preservation on an industrial scale, but with less effort than required in the prior art to produce.
  • the stated object is achieved in that the tempering surface forms a channel through which a substance mixture containing water and hydrate-forming gas can be passed.
  • the device according to the invention makes it possible to guide water and hydrate-forming gas very specifically along the tempering surface.
  • a dense and largely homogeneous hydrate forms on the tempering surface.
  • the channel is designed with a circular cross section in which hydrate deposits as a cylindrical block.
  • a hydrate has an inherently higher stability and is therefore also particularly suitable for transport and storage purposes under the conditions of abnormal self-preservation , Conceivable, however, are other cross sections, such as rectangular or oval.
  • the invention provides that the channel can be flowed around by a heat transfer medium, through which heat can be diverted from the temperature control surface or led to the temperature control surface. Furthermore, an electric heater is proposed, which is arranged along the channel in order to conduct heat to the temperature.
  • the temperature control surface is therefore arranged in a reactor (hydrate reactor) which is designed to be pressure-resistant to absorb the prevailing hydrate during the pressures can.
  • a preferred embodiment of the device according to the invention provides that the hydrate reactor is designed as a tube bundle heat exchanger, wherein the
  • Temperature control surface is formed by the inner surfaces of a plurality of straight tubes.
  • the tempering is designed as a wall of a bore in a suitably made of metal reactor body.
  • a bore temperature control channel
  • a heat transfer medium through which a heat transfer medium can be guided or in which an electrical heating device is installed, can be arranged parallel to the bore having the temperature control surface.
  • a further development of the device according to the invention provides an insert which consists of a metal with high thermal conductivity (eg copper or aluminum) and expediently with the tempering channel and the tempering surface direct connection stands. This insert can be flush with the tempering or protrude into the bore having the tempering.
  • a further preferred embodiment of the device according to the invention provides that the hydrate reactor is designed as a plate heat exchanger, wherein a channel formed by a temperature control surface is surrounded by cooling channels.
  • the device has a mixing device in which water and a hydrate-forming gas generates a mixture of substances and from which the generated mixture of substances can be conducted into a channel formed by the temperature control surface.
  • the literature cites a variety of reactors that can be used as a mixer.
  • the hydrate-forming gas can be dissolved in water (eg carbon dioxide) or dispersed (eg methane).
  • water can be atomized and sprayed into a gas atmosphere (DE 69131299 T2), wherein an aerosol is formed.
  • the gas can also be injected into the water or by means of a bubble column (Luo, Y.-T. et al.: “Study on kinetics of hydrate formation in a bubble column", Chem. Eng. Sci. 62 (2007) 1000-). 1009) are introduced.
  • a further embodiment of the device according to the invention provides that the mixing device can be operated at a pressure and temperature level at which hydrate formation already occurs.
  • the resulting hydrate crystals or crystallization nuclei ensure an acceleration of the reaction rate in the subsequent hydrareactor.
  • the upstream mixing device is in this embodiment, a primary reactor, while the hydrate reactor acts as a secondary reactor.
  • the mixing device can be arranged as a separate reactor upstream of the hydrate reactor or integrated into the hydrate reactor. If the hydrate reactor is designed as a shell-and-tube heat exchanger, its inlet or inflow zone can be equipped, for example, with a static mixing element or with one or more gas nozzles.
  • the device according to the invention has a device for separating the hydrate of water and hydrate-forming gas-containing mixture (hydrogenation sludge) formed on the temperature control surface, as well as lines and a pump for recycling the mixture of hydrate separated before the tempering. If a gas phase arises during the separation or if the substance mixture is in the form of an aerosol, the device according to the invention comprises a compressor via which the gas phase or the aerosol can be returned.
  • hydrate-forming gas-containing mixture hydrogenation sludge
  • the invention relates to the use of the device according to the invention for generating clathrate hydrate, wherein the stated object is achieved in that a: a water and a hydrate-forming gas-containing mixture is passed through the channel formed by the tempering, wherein the temperature of the temperature control surface on a lower value is set at which is due of subcooling forms under the thermodynamic equilibrium clathrate hydrate on the tempering surface and accumulates; b: the temperature of the tempering surface is set to an upper value at which part of the deposited clathrate hydrate dissociates in the vicinity of the tempering surface; c: The clathrate hydrate is forced out of the channel by an inflowing substance mixture.
  • the hydrate produced in this way has a high self-preservation because it is dense and largely homogeneous and has symmetrical block shape.
  • an additive By adding an additive, the hydrate formation pressure can be lowered at a given temperature or the solubility of the hydrate-forming gas in the water can be increased.
  • some additives also have a positive effect on the self-preservation of the hydrate.
  • tetrahydrofuran and sodium dodecylsulfate are mentioned in the literature as suitable additives.
  • the cross section of the channel formed by the tempering surface is increasingly reduced, whereby at the same time the pressure loss across the channel increases.
  • the invention provides to use the magnitude of this pressure loss to determine the time at which the temperature of the temperature control surface is raised to the upper value.
  • clathrate hydrates can be produced.
  • it is suitable for the production of carbon dioxide and methane hydrate as well as hydrates of other hydrocarbons, such as ethane, propane and butane and mixtures of these constituents (for example natural gas).
  • FIG. 2 shows a device according to the invention for producing methane hydrate, the hydrate reactor being designed as a shell-and-tube heat exchanger.
  • FIG. 3 shows a possible cross-sectional shape of a channel formed by a tempering surface.
  • FIG. 4 shows another possible cross-sectional shape of a channel formed by a tempering surface.
  • methane is introduced into the mixing device M via line 1 and the compressor V1, which is also supplied with water via line 2 and the pump P1.
  • a dispersion is produced from methane 1 and water 2, which is transferred at a pressure of about 60 bar via line 3 into the hydrate reactor H designed as a tube bundle heat exchanger where it is passed through the tubes of the tube bundle R.
  • the inner surfaces of the tubes which constitute a tempering surface, maintained at a temperature of about 3 ° C. Under these conditions, methane hydrate forms, which accumulates on the tempering surface and forms a block in the form of a hollow cylinder in the tubes of the tube bundle R.
  • the flow cross-section available for the dispersion decreases more and more, due to continuous hydrate crystallization, until finally the pressure drop across the tube bundle R reaches a threshold value.
  • This threshold serves as a signal for closing the obturator a and opening the obturator b.
  • cooling water 4 5 now flows heating water in the hydrate reactor H and ensures an increase in the Temperier vomtemperatur to about 10 0 C. At this temperature, a thin layer of the hydrate formed in the vicinity of the tempering dissociated.
  • the hydrate is pressed out of the tube bundle with a cylindrical block mold which is favorable for high self-preservation and passes via the line 6 into the separator S.
  • the stability conditions are always present in all apparatuses since otherwise dissociation begins .
  • the hydrate is separated from the dispersion and forwarded via line 7, for example in a memory (not shown) on.
  • a liquid phase obtained in the separator is fed back into the mixing device M, while a likewise resulting gas phase is recirculated via line 9 and the compressor V2.
  • FIG. 3 shows a solid metal block A 1 with a central bore B, the wall of which represents a temperature control surface T and through which a substance mixture comprising a water and a hydrate-forming gas can be conducted.
  • the metal block A Parallel to the bore B, the metal block A four more holes C1-C4, through which a
  • Heat transfer medium can be performed.
  • the bores C1-C4 are connected to the tempering surface T via inserts E1-E4 having good thermal conductivity.
  • the inserts E1-E4 are preferably made of aluminum or copper and protrude into the bore B in order to increase in this way the temperature T.

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Abstract

The invention relates to a device and to the use thereof for generating clathrate hydrate, comprising a surface having an adjustable temperature (temperature control surface) that can be brought into contact with water or an aqueous solution and a gas forming hydrate. The temperature control surface forms a channel through which a material mixture comprising water and a gas forming hydrate can be fed.

Description

Beschreibung description
Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von ClathrathydratProcess and apparatus for producing clathrate hydrate
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung von Clathrathydrat, aufweisend eine Oberfläche mit einstellbarer Temperatur (Temperierfläche), die mit Wasser oder einer wässrigen Lösung und einem hydratbildenden Gas in Kontakt gebracht werden kann.The invention relates to a device for producing clathrate hydrate, comprising an adjustable temperature surface (tempering surface) which can be brought into contact with water or an aqueous solution and a hydrate-forming gas.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Clathrathydrat.Moreover, the invention relates to the use of the device according to the invention for the production of clathrate hydrate.
Unter Clathrathydrat, das im Weiteren auch kurz als Hydrat bezeichnet wird, versteht man Verbindungen von Wasser und wenigstens einem weiteren Stoff, der unter Normbedingungen als Gas vorliegt. Das Wasser bildet hierbei eine Gitterstruktur aus, in deren Hohlräumen die Gasmoleküle als sog. Gastgas eingeschlossen sind. Hydrate kommen in der Natur in großen Mengen vor. So ist ein erheblicher Teil derClathrate hydrate, which is also referred to below as hydrate for short, is understood as meaning compounds of water and at least one further substance which is present as a gas under standard conditions. In this case, the water forms a lattice structure in whose cavities the gas molecules are enclosed as so-called guest gas. Hydrates occur in nature in large quantities. So is a significant part of
Welterdgasreserven in Form von Methanhydrat gebunden, das in Permafrostböden oder in den Tiefen der Meere, insbesondere an den Kontinentalhängen, Lagerstätten bildet. In technischen Prozessen treten Hydrate häufig ungewollt auf. Beispielsweise entstehen sie bei entsprechend tiefen Temperaturen und hohen Drücken in Erdgas oder Erdöl führenden Rohrleitungen, wo sie Pfropfen bilden und zu Blockierungen führen können.World natural gas reserves bound in the form of methane hydrate, which forms deposits in permafrost or in the depths of the seas, especially on the continental slopes. In technical processes, hydrates often occur unintentionally. For example, they arise at correspondingly low temperatures and high pressures in natural gas or oil-bearing pipelines, where they form plugs and can lead to blockages.
Hydrate sind generell bei relativ hohen Drücken und niedrigen Temperaturen thermodynamisch stabil, wobei die genauen Stabilitätsbedingungen von der Art des eingeschlossenen Gases und der Hydratstruktur abhängen. Die Abstände zwischen den Gastgasmolekülen sind wesentlich kleiner als in einem freien Gas unter denselben Bedingungen. Aus diesem Grund wird in neueren Überlegungen der Gedanke verfolgt, Hydrate synthetisch zu erzeugen, um Gase Platz sparend, sicher und unter bestimmten Rahmenbedingungen auch vergleichsweise kostengünstig zu lagern oder zu transportieren.Hydrates are generally thermodynamically stable at relatively high pressures and temperatures, with precise stability conditions depending on the nature of the entrapped gas and hydrate structure. The distances between the guest gas molecules are much smaller than in a free gas under the same conditions. For this reason, the idea is pursued in recent considerations to synthetically produce hydrates in order to store or transport gases in a space-saving, safe and, under certain conditions, comparatively inexpensive way or to transport them.
Zur Vereinfachung der Handhabung bei Lagerung und Transport und zur Minimierung des Kühlleistungsbedarfs ist es vorteilhaft, wenn das Hydrat bei möglichst hoher Temperatur und möglichst niedrigem Druck thermodynamisch stabil vorliegt. Es wird daher versucht, den Effekt der anomalen Stabilität bzw. Selbsterhaltung von Hydraten auszunutzen, wie er aus Figur 1 für Methanhydrat ersichtlich ist. Bei atmosphärischem Druck ist Methanhydrat unterhalb einer Temperatur von 193 K stabil. Steigt die Temperatur an und bleibt der Druck konstant, so nimmt die Dissoziationsrate bis etwa 242 K kontinuierlich zu. Bei Temperaturen zwischen 242 K und 271 K ist eine Anomalie erkennbar. Diese besteht darin, dass die Dissoziationsraten wieder stark zurückgehen, wobei die genauen Gründe für dieses Verhalten noch nicht hinreichend genau erforscht und noch größtenteils unbekannt sind. Bei Temperaturen größer als 271 K steigt die Dissoziationsrate wieder steil an. Aus technischer Sicht, d. h. hinsichtlich Druck- und Temperaturniveau und der damit verbundenen Dissoziationsrate, ist der Bereich der anomalen Stabilität zwischen 242 K und 271 K somit besonders vorteilhaft.To simplify the handling during storage and transport and to minimize the cooling power requirement, it is advantageous if the hydrate at the highest possible Temperature and lowest possible pressure thermodynamically stable. It is therefore attempted to exploit the effect of the anomalous stability or self-preservation of hydrates, as can be seen from FIG. 1 for methane hydrate. At atmospheric pressure, methane hydrate is stable below a temperature of 193K. When the temperature rises and the pressure remains constant, the rate of dissociation continuously increases until about 242 K. At temperatures between 242 K and 271 K an anomaly is visible. This is because the rates of dissociation are falling sharply again, although the exact reasons for this behavior have not yet been adequately researched and are still largely unknown. At temperatures greater than 271 K, the dissociation rate rises sharply again. From a technical point of view, ie in terms of pressure and temperature level and the associated dissociation rate, the range of anomalous stability between 242 K and 271 K is thus particularly advantageous.
In einer Fachveröffentlichung (Zhang, G., Rogers, R. E.: "Ultra-stability of gas hydrates at 1 atm and 268.2 K", Chem. Eng. Sei. 63 (2008) 2066-2074) wird beschrieben, dass die Selbsterhaltung von Methanhydrat verstärkt wird, wenn es an kalten Oberflächen mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit gebildet wurde und in zylindrischer Blockform vorliegt. Besonders ausgeprägt ist die Selbsterhaltung dann, wenn zur Herstellung des Methanhydrats der oberflächenaktive Stoff Natriumdodecylsulfat (SDS, C12H25NaO4S) verwendet wird. Das in der Veröffentlichung offenbarte Herstellungsverfahren mit einem Metalizylinder im Semibatch-Betrieb ist zwar für die Durchführung von Laborversuchen geeignet, kann jedoch nicht zur großtechnischen Hydratproduktion eingesetzt werden.In a technical publication (Zhang, G., Rogers, RE: "Ultra-stability of gas hydrates at 1 atm and 268.2 K", Chem. Eng., 63 (2008) 2066-2074) it is described that the self-preservation of methane hydrate is reinforced when it has been formed on cold surfaces with very good thermal conductivity and is in a cylindrical block shape. Self-preservation is particularly pronounced when the surfactant sodium dodecyl sulfate (SDS, C 12 H 25 NaO 4 S) is used to prepare the methane hydrate. Although the production process with a metal cylinder in the semibatch mode disclosed in the publication is suitable for carrying out laboratory experiments, it can not be used for large-scale hydrate production.
Zur Herstellung von Hydrat mit ausreichenden Bildungsraten, insbesondere im technischen Maßstab, ist generell eine Unterkühlung unter das thermodynamische Gleichgewicht notwendig. In der Patentschrift US 5,362,467 wird speziell für die Herstellung von Kohlendioxidhydrat ein Verfahren offenbart, das geeignet scheint, in großtechnischem Maßstab eingesetzt zu werden. Hierbei wird in eine aus Wasser und Kohlendioxid bestehende Lösung eine Metallkante eingebracht, die gekühlt wird und so für eine lokale Unterkühlung der Lösung sorgt. Hydrat lagert sich in Klumpenform an der Metallkante ab, während gleichzeitig die Bildungswärme über das Metall abgeführt wird. Nach einer Phase des Hydrataufbaus wird das Metallprofil solange erwärmt, bis der Hydratklumpen abfällt. Diese Sequenz kann zur Produktion von Hydrat periodisch wiederholt werden. Um es für eine Lagerung und den Transport in eine günstige und definierte Form zu bringen, ist es jedoch erforderlich, das so erzeugte Hydrat in einem nachfolgenden Prozessschritt beispielsweise zu einem zylindrischen Block zu pressen oder in zylindrische Pellets zu zerkleinern. Neben den günstigeren Schüttguteigenschaften wirkt sich die zylindrische Block- bzw. Pelletform, wie oben dargelegt, positiv auf die Hydratstabilität aus.To produce hydrate with sufficient formation rates, especially on an industrial scale, a subcooling under the thermodynamic equilibrium is generally necessary. In US Pat. No. 5,362,467, a process is disclosed specifically for the production of carbon dioxide hydrate which appears to be suitable for use on an industrial scale. In this case, a metal edge is introduced into a solution consisting of water and carbon dioxide, which is cooled and thus ensures local supercooling of the solution. Hydrate deposits in lump form on the metal edge, while at the same time the heat of formation is dissipated via the metal. After a period of hydrate formation, the metal profile is heated until the hydrate lump falls. This sequence can be periodically repeated to produce hydrate. To put it for storage and transportation in a cheap and However, it is necessary to bring the hydrate thus produced in a subsequent process step, for example, to a cylindrical block or to comminute into cylindrical pellets. In addition to the more favorable bulk material properties, the cylindrical block or pellet form, as stated above, has a positive effect on the hydrate stability.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art sowie eine Verwendung dieser Vorrichtung anzugeben, die es erlauben, Clathrathydrat mit einer erhöhten Selbsterhaltung in großtechnischem Maßstab, jedoch mit geringerem Aufwand, als nach dem Stand der Technik erforderlich, zu erzeugen.Object of the present invention is to provide a device of the generic type and a use of this device, which allow clathrate hydrate with increased self-preservation on an industrial scale, but with less effort than required in the prior art to produce.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Temperierfläche einen Kanal bildet, durch den ein Wasser und hydratbildendes Gas enthaltendes Stoffgemisch hindurchgeleitet werden kann.According to the invention, the stated object is achieved in that the tempering surface forms a channel through which a substance mixture containing water and hydrate-forming gas can be passed.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, Wasser und hydratbildendes Gas sehr gezielt an der Temperierfläche entlang zu führen. Bei entsprechend tiefer Temperatur bildet sich daher an der Temperierfläche ein dichtes und weitgehend homogenes Hydrat. Vorzugsweise ist der Kanal mit einem kreisförmigen Querschnitt ausgeführt, in dem sich Hydrat als zylindrischer Block ablagert. Allein aufgrund seines günstigen Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, seines dichten Aufbaus und der symmetrischen und homogenen Struktur ohne signifikante mechanische Spannungszustände, weist ein derartiges Hydrat eine inhärent höhere Stabilität auf und ist daher auch für Transport- und Lagerzwecke unter den Bedingungen der anomalen Selbsterhaltung besonders geeignet. Denkbar sind jedoch auch andere Querschnitte, wie beispielsweise rechteckige oder ovale.The device according to the invention makes it possible to guide water and hydrate-forming gas very specifically along the tempering surface. At a correspondingly low temperature, therefore, a dense and largely homogeneous hydrate forms on the tempering surface. Preferably, the channel is designed with a circular cross section in which hydrate deposits as a cylindrical block. On account of its favorable surface-to-volume ratio, its dense structure and the symmetrical and homogeneous structure without significant mechanical stress states, such a hydrate has an inherently higher stability and is therefore also particularly suitable for transport and storage purposes under the conditions of abnormal self-preservation , Conceivable, however, are other cross sections, such as rectangular or oval.
Um die Temperatur der Temperierfläche einstellen zu können, sieht die Erfindung vor, dass der Kanal von einem Wärmeträgermedium umströmbar ist, durch das Wärme von der Temperierfläche ableitbar oder zur Temperierfläche hinführbar ist. Weiterhin wird eine elektrische Heizeinrichtung vorgeschlagen, die entlang des Kanals angeordnet ist, um Wärme zur Temperierfläche hinzuleiten.In order to be able to set the temperature of the temperature control surface, the invention provides that the channel can be flowed around by a heat transfer medium, through which heat can be diverted from the temperature control surface or led to the temperature control surface. Furthermore, an electric heater is proposed, which is arranged along the channel in order to conduct heat to the temperature.
Die Hydratbildung erfolgt normalerweise unter erhöhtem Druck. Erfindungsgemäß ist die Temperierfläche daher in einem Reaktor (Hydratreaktor) angeordnet, der entsprechend druckfest ausgelegt ist, um die bei der Hydratbildung herrschenden Drücke aufnehmen zu können.Hydrate formation normally occurs under elevated pressure. According to the invention, the temperature control surface is therefore arranged in a reactor (hydrate reactor) which is designed to be pressure-resistant to absorb the prevailing hydrate during the pressures can.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Hydrat-Reaktor als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist, wobei dieA preferred embodiment of the device according to the invention provides that the hydrate reactor is designed as a tube bundle heat exchanger, wherein the
Temperierfläche durch die Innenflächen von mehreren geraden Rohren gebildet ist.Temperature control surface is formed by the inner surfaces of a plurality of straight tubes.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die Temperierfläche als Wand einer Bohrung in einem zweckmäßigerweise aus Metall bestehenden Reaktorkörper ausgeführt ist. Parallel zu der die Temperierfläche aufweisenden Bohrung kann eine weitere Bohrung (Temperierkanal) angeordnet sein, durch die ein Wärmeträgermedium führbar oder in der eine elektrische Heizeinrichtung installiert ist. Um den Wärmeübergang zwischen einem Temperierkanal und der Temperierfläche zu verbessern, sieht eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Einsatz vor, der aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. Kupfer oder Aluminium) besteht und der zweckmäßiger Weise mit dem Temperierkanal und der Temperierfläche in direkter Verbindung steht. Dieser Einsatz kann mit der Temperierfläche bündig abschließen oder in die die Temperierfläche aufweisende Bohrung hineinragen.Another preferred embodiment provides that the tempering is designed as a wall of a bore in a suitably made of metal reactor body. A bore (temperature control channel), through which a heat transfer medium can be guided or in which an electrical heating device is installed, can be arranged parallel to the bore having the temperature control surface. In order to improve the heat transfer between a tempering channel and the tempering surface, a further development of the device according to the invention provides an insert which consists of a metal with high thermal conductivity (eg copper or aluminum) and expediently with the tempering channel and the tempering surface direct connection stands. This insert can be flush with the tempering or protrude into the bore having the tempering.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Hydratreaktor als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, wobei ein von einer Temperierfläche gebildeter Kanal von Kühlkanälen umgeben ist.A further preferred embodiment of the device according to the invention provides that the hydrate reactor is designed as a plate heat exchanger, wherein a channel formed by a temperature control surface is surrounded by cooling channels.
Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung eine Mischeinrichtung auf, in der aus Wasser und einem hydratbildenden Gas ein Stoffgemisch erzeugt und aus der das erzeugte Stoffgemisch in einen von der Temperierfläche gebildeten Kanal geleitet werden kann. In der Literatur wird eine Vielzahl von Reaktoren genannt, die als Mischeinrichtung verwendbar sind. Das hydratbildende Gas kann dabei in Wasser gelöst (z.B. Kohlendioxid) oder dispergiert (z.B. Methan) werden. In Sprühreaktoren kann Wasser zerstäubt und in eine Gasatmosphäre eingesprüht werden (DE 69131299 T2), wobei ein Aerosol entsteht. Zur Dispergierung bzw. Lösung ist in der Fachliteratur die Verwendung von Rührreaktoren (Iwasaki, T., Katoh, Y., Nagamori, S., Takahashi, S., Oya, N.: "Continuous natural gas hydrate pellet production (NGHP) by process development unit (PDU)", Proceedings of the 5th International Conference on Gas Hydrates, Trondheim/Norwegen, 2005) oder statischen Mischern (Tajima, H., Yamasaki, A., Kiyono, F.: "Continuous Gas Hydrate Formation Process by Static Mixing of Fluids", Proceedings of the 5th International Conference on Gas Hydrates, Trondheim/Norwegen, 2005) dokumentiert. Alternativ kann das Gas auch in das Wasser eingedüst oder mittels einer Blasensäule (Luo, Y.-T. et al.: "Study on kinetics of hydrate formation in a bubble column", Chem. Eng. Sei. 62 (2007) 1000- 1009) eingebracht werden.According to the invention, the device has a mixing device in which water and a hydrate-forming gas generates a mixture of substances and from which the generated mixture of substances can be conducted into a channel formed by the temperature control surface. The literature cites a variety of reactors that can be used as a mixer. The hydrate-forming gas can be dissolved in water (eg carbon dioxide) or dispersed (eg methane). In spray reactors, water can be atomized and sprayed into a gas atmosphere (DE 69131299 T2), wherein an aerosol is formed. For dispersion or solution in the literature, the use of stirred reactors (Iwasaki, T., Katoh, Y., Nagamori, S., Takahashi, S., Oya, N .: "Continuous natural gas hydrate pellet production (NGHP) by process development unit (PDU) ", Proceedings of the 5th International Conference on Gas Hydrates, Trondheim / Norway, 2005) or static mixers (Tajima, H., Yamasaki, A., Kiyono, F .: "Continuous Gas Hydrate Formation Process by Static Mixing of Fluids", Proceedings of the 5th International Conference on Gas Hydrates, Trondheim / Norway, 2005). Alternatively, the gas can also be injected into the water or by means of a bubble column (Luo, Y.-T. et al.: "Study on kinetics of hydrate formation in a bubble column", Chem. Eng. Sci. 62 (2007) 1000-). 1009) are introduced.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass die Mischeinrichtung auf einem Druck- und Temperaturniveau betreibbar ist, bei dem bereits Hydratbildung auftritt. Die entstehenden Hydratkristalle bzw. Kristallisationskeime sorgen im nachfolgenden Hydrareaktor für eine Beschleunigung der Reaktionsrate. Die vorgeschaltete Mischeinrichtung stellt in dieser Ausgestaltung einen Primärreaktor dar, während der Hydratreaktor als Sekundärreaktor fungiert.A further embodiment of the device according to the invention provides that the mixing device can be operated at a pressure and temperature level at which hydrate formation already occurs. The resulting hydrate crystals or crystallization nuclei ensure an acceleration of the reaction rate in the subsequent hydrareactor. The upstream mixing device is in this embodiment, a primary reactor, while the hydrate reactor acts as a secondary reactor.
Die Mischeinrichtung kann als separater Reaktor stromaufwärts der des Hydrat- Reaktors angeordnet oder in den Hydratreaktor integriert sein. Falls der Hydratreaktor als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist, kann seine Eintritts- bzw. Einströmzone beispielsweise mit einem statischen Mischelement oder mit einer oder mehreren Gasdüsen ausgestattet sein.The mixing device can be arranged as a separate reactor upstream of the hydrate reactor or integrated into the hydrate reactor. If the hydrate reactor is designed as a shell-and-tube heat exchanger, its inlet or inflow zone can be equipped, for example, with a static mixing element or with one or more gas nozzles.
Weiterhin weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Einrichtung zur Abtrennung des an der Temperierfläche gebildeten Hydrats von Wasser und hydratbildendes Gas enthaltendem Stoffgemisch (Hydrierschlamm) sowie Leitungen und eine Pumpe zur Rückführung des von Hydrat abgetrennten Stoffgemisches vor die Temperierfläche auf. Entsteht bei der Abtrennung eine Gasphase oder liegt das Stoffgemisch als Aerosol vor, so umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Verdichter, über den die Gasphase bzw. das Aerosol zurückführbar ist.Furthermore, the device according to the invention has a device for separating the hydrate of water and hydrate-forming gas-containing mixture (hydrogenation sludge) formed on the temperature control surface, as well as lines and a pump for recycling the mixture of hydrate separated before the tempering. If a gas phase arises during the separation or if the substance mixture is in the form of an aerosol, the device according to the invention comprises a compressor via which the gas phase or the aerosol can be returned.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung von Clathrathydrat, wobei die gestellte Aufgabe dadurch gelöst wird, dass a: ein Wasser und ein hydratbildendes Gas enthaltendes Stoffgemisch durch den von der Temperierfläche gebildeten Kanal hindurchgeleitet wird, wobei die Temperatur der Temperierfläche auf einen unteren Wert eingestellt wird, bei dem sich aufgrund von Unterkühlung unter das thermodynamische Gleichgewicht Clathrathydrat an der Temperierfläche bildet und anlagert; b: die Temperatur der Temperierfläche auf einen oberen Wert eingestellt wird, bei dem ein Teil des angelagerten Clathrathydrats in der Nähe der Temperierfläche dissoziiert; c: das Clathrathydrat durch nachströmendes Stoffgemisch aus dem Kanal herausgedrückt wird.Furthermore, the invention relates to the use of the device according to the invention for generating clathrate hydrate, wherein the stated object is achieved in that a: a water and a hydrate-forming gas-containing mixture is passed through the channel formed by the tempering, wherein the temperature of the temperature control surface on a lower value is set at which is due of subcooling forms under the thermodynamic equilibrium clathrate hydrate on the tempering surface and accumulates; b: the temperature of the tempering surface is set to an upper value at which part of the deposited clathrate hydrate dissociates in the vicinity of the tempering surface; c: The clathrate hydrate is forced out of the channel by an inflowing substance mixture.
Das auf diese Weise erzeugte Hydrat weist eine hohe Selbsterhaltung auf, da es dicht und weitgehend homogen ist und symmetrische Blockform aufweist. Durch Zugabe eines Additivs kann der Hydratbildungsdruck bei einer gegebenen Temperatur gesenkt oder die Löslichkeit des hydratbildenden Gases im Wasser erhöht werden. Gemäß der Literatur wirken sich einige Additive zudem positiv auf die Selbsterhaltung des Hydrats aus. Als geeignete Additive werden in der Literatur unter anderem Tetrahydrofuran und Natriumdodecylsulfat genannt.The hydrate produced in this way has a high self-preservation because it is dense and largely homogeneous and has symmetrical block shape. By adding an additive, the hydrate formation pressure can be lowered at a given temperature or the solubility of the hydrate-forming gas in the water can be increased. According to the literature, some additives also have a positive effect on the self-preservation of the hydrate. Among others, tetrahydrofuran and sodium dodecylsulfate are mentioned in the literature as suitable additives.
Im Laufe des Hydratbildungsprozesses wird der Querschnitt des von der Temperierfläche gebildeten Kanals immer mehr verkleinert, wodurch gleichzeitig der Druckverlust über den Kanal ansteigt. Die Erfindung sieht vor, die Größe dieses Druckverlustes zu verwenden, um den Zeitpunkt festzulegen, an dem die Temperatur der Temperierfläche auf den oberen Wert angehoben wird.In the course of the hydrate formation process, the cross section of the channel formed by the tempering surface is increasingly reduced, whereby at the same time the pressure loss across the channel increases. The invention provides to use the magnitude of this pressure loss to determine the time at which the temperature of the temperature control surface is raised to the upper value.
Mit Hilfe der Erfindung kann eine Vielzahl unterschiedlicher Clathrathydrate erzeugt werde. Insbesondere ist es jedoch zur Erzeugung von Kohlendioxid- und Methan- Hydrat sowie von Hydraten anderer Kohlenwasserstoffe, wie Ethan, Propan und Butan sowie Gemischen aus diesen Bestandteilen (z.B. Erdgas), geeignet.With the aid of the invention, a multiplicity of different clathrate hydrates can be produced. In particular, however, it is suitable for the production of carbon dioxide and methane hydrate as well as hydrates of other hydrocarbons, such as ethane, propane and butane and mixtures of these constituents (for example natural gas).
Im Folgenden soll die Erfindung anhand dreier, in den Figuren 2 bis 4 schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.In the following, the invention with reference to three, schematically illustrated in Figures 2 to 4 embodiments will be explained.
Die Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung von Methanhydrat, wobei der Hydratreaktor als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführt ist.FIG. 2 shows a device according to the invention for producing methane hydrate, the hydrate reactor being designed as a shell-and-tube heat exchanger.
Die Figur 3 zeigt eine mögliche Querschnittsform eines von einer Temperierfläche gebildeten Kanals. Die Figur 4 zeigt eine weitere mögliche Querschnittsform eines von einer Temperierfläche gebildeten Kanals.FIG. 3 shows a possible cross-sectional shape of a channel formed by a tempering surface. FIG. 4 shows another possible cross-sectional shape of a channel formed by a tempering surface.
In Figur 2 wird über Leitung 1 und den Verdichter V1 Methan in die Mischeinrichtung M eingeleitet, der über Leitung 2 und die Pumpe P1 auch Wassers zugeführt wird. In der Mischeinrichtung M wird aus Methan 1 und Wasser 2 eine Dispersion erzeugt, die mit einem Druck von ca. 60 bar über Leitung 3 in den als Rohrbündelwärmetauscher ausgeführten Hydratreaktor H überführt und dort durch die Rohre des Rohrbündels R geleitet wird. Mit Hilfe des Kühlwassers 4 werden die Innenflächen der Rohre, die eine Temperierfläche darstellen, auf einer Temperatur von ca. 3°C gehalten. Unter diesen Bedingungen bildet sich Methanhydrat, das sich an der Temperierfläche anlagert und in den Rohren des Rohrbündels R einen Block in Form eines Hohlzylinders bildet. Mit fortschreitender Zeit verringert sich durch kontinuierliche Hydratkristallisation der für die Dispersion zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt immer mehr, bis schließlich der Druckverlust über das Rohrbündel R einen Schwellwert erreicht. Dieser Schwellwert dient als Signal für ein Schließen des Absperrorgans a und ein Öffnen des Absperrorgans b. Anstelle von Kühlwasser 4 strömt nun Heizwasser 5 in den Hydrat- Reaktor H und sorgt für eine Erhöhung der Temperierflächentemperatur auf ca. 100C. Bei dieser Temperatur dissoziiert eine dünne Schicht des gebildeten Hydrats in der Nähe der Temperierfläche. Durch die nachströmende Dispersion wird das Hydrat mit einer für eine hohe Selbsterhaltung günstigen zylindrischen Blockform aus dem Rohrbündel herausgedrückt und gelangt über die Leitung 6 in den Separator S. Mit Ausnahme des Ablösungsvorgangs von der Temperierfläche sind stets in allen Apparaten die Stabilitätsbedingungen, da sonst Dissoziation einsetzt. Im Separator S wird das Hydrat von der Dispersion getrennt und über Leitung 7 beispielsweise in einen Speicher (nicht dargestellt) weiter geleitet. Über die Leitung 8 und die Pumpe P2 wird eine im Separator anfallende Flüssigphase in die Mischeinrichtung M zurückgeführt, während eine ebenfalls anfallende Gasphase über Leitung 9 und den Verdichter V2 rezirkuliert wird.In FIG. 2, methane is introduced into the mixing device M via line 1 and the compressor V1, which is also supplied with water via line 2 and the pump P1. In the mixing device M, a dispersion is produced from methane 1 and water 2, which is transferred at a pressure of about 60 bar via line 3 into the hydrate reactor H designed as a tube bundle heat exchanger where it is passed through the tubes of the tube bundle R. With the help of the cooling water 4, the inner surfaces of the tubes, which constitute a tempering surface, maintained at a temperature of about 3 ° C. Under these conditions, methane hydrate forms, which accumulates on the tempering surface and forms a block in the form of a hollow cylinder in the tubes of the tube bundle R. As the time progresses, the flow cross-section available for the dispersion decreases more and more, due to continuous hydrate crystallization, until finally the pressure drop across the tube bundle R reaches a threshold value. This threshold serves as a signal for closing the obturator a and opening the obturator b. Instead of cooling water 4 5 now flows heating water in the hydrate reactor H and ensures an increase in the Temperierflächentemperatur to about 10 0 C. At this temperature, a thin layer of the hydrate formed in the vicinity of the tempering dissociated. As a result of the inflowing dispersion, the hydrate is pressed out of the tube bundle with a cylindrical block mold which is favorable for high self-preservation and passes via the line 6 into the separator S. With the exception of the detachment process from the tempering surface, the stability conditions are always present in all apparatuses since otherwise dissociation begins , In the separator S, the hydrate is separated from the dispersion and forwarded via line 7, for example in a memory (not shown) on. Via the line 8 and the pump P2, a liquid phase obtained in the separator is fed back into the mixing device M, while a likewise resulting gas phase is recirculated via line 9 and the compressor V2.
Die in der Figur 3 dargestellte Querschnittsform für einen von einer Temperierfläche gebildeten Kanal besteht aus vier Kreissegmenten K1-K4. Im Vergleich zu einem Kanal mit kreisförmigem Querschnitt gleicher Fläche ist die Temperierfläche daher größer, was zu einer besseren Wärmeab- bzw. -zufuhr führt. Figur 4 zeigt einen massiven Metallblock A1 mit einer zentralen Bohrung B, deren Wand eine Temperierfläche T darstellt und durch die ein Wasser und ein hydratbildendes Gas umfassendes Stoffgemisch leitbar ist. Parallel zur Bohrung B weist der Metallbock A vier weitere Bohrungen C1-C4 auf, durch die einThe cross-sectional shape shown in FIG. 3 for a channel formed by a tempering surface consists of four circle segments K1-K4. Compared to a channel with a circular cross-section of the same area, the tempering surface is therefore larger, which leads to a better heat dissipation or supply. FIG. 4 shows a solid metal block A 1 with a central bore B, the wall of which represents a temperature control surface T and through which a substance mixture comprising a water and a hydrate-forming gas can be conducted. Parallel to the bore B, the metal block A four more holes C1-C4, through which a
Wärmeträgermedium geführt werden kann. Zur Beschleunigung der Hydratbildung sind die Bohrungen C1-C4 über gute Wärmeleitfähigkeiten aufweisende Einsätze E1-E4 mit der Temperierfläche T verbunden. Die Einsätze E1-E4 bestehen vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer und ragen in die Bohrung B hinein, um auf dies Weise die Temperierfläche T zu vergrößern. Heat transfer medium can be performed. To accelerate the formation of hydrate, the bores C1-C4 are connected to the tempering surface T via inserts E1-E4 having good thermal conductivity. The inserts E1-E4 are preferably made of aluminum or copper and protrude into the bore B in order to increase in this way the temperature T.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Erzeugung von Clathrathydrat, aufweisend eine Oberfläche mit einstellbarer Temperatur (Temperierfläche), die mit Wasser oder einer wässrigen Lösung und einem hydratbildenden Gas in Kontakt gebracht werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierfläche einen Kanal bildet, durch den ein Wasser und hydratbildendes Gas enthaltendes Stoffgemisch hindurchgeleitet werden kann.Anspruch [en] An apparatus for producing clathrate hydrate comprising an adjustable temperature surface (tempering surface) that can be brought into contact with water or an aqueous solution and a hydrate forming gas, characterized in that the tempering surface forms a channel through which a water and Hydrate-forming gas-containing mixture can be passed.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Temperierfläche durch indirekten Wärmetausch mit einem Wärmeträgermedium oder/und mittels elektrischer Einrichtungen einstellbar ist.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the temperature of the temperature control surface by indirect heat exchange with a heat transfer medium and / or by means of electrical devices is adjustable.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierfläche in einem druckfesten Reaktor (Hydratreaktor) angeordnet ist3. Device according to one of claims 1 or 2, characterized in that the temperature control surface is arranged in a pressure-resistant reactor (hydrate reactor)
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydratreaktor als Rohrbündelwärmetauscher oder als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist.4. Apparatus according to claim 3, characterized in that the hydrate reactor is designed as a tube bundle heat exchanger or as a plate heat exchanger.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Mischeinrichtung aufweist, in der aus Wasser und einem hydratbildenden Gas eine Lösung oder eine Dispersion oder ein Aerosol herstellbar ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that it comprises a mixing device in which a solution or a dispersion or an aerosol can be produced from water and a hydrate-forming gas.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Einrichtung zur Abtrennung des an der Temperierfläche gebildeten Hydrats von Wasser und hydratbildendes Gas enthaltendem Stoffgemisch aufweist.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that it comprises a device for separating the hydrate formed on the heating surface of water and hydrate-forming gas-containing mixture.
7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass a: ein Wasser und ein hydratbildendes Gas enthaltendes Stoffgemisch durch den von der Temperierfläche gebildeten Kanal hindurchgeleitet wird, wobei die Temperatur der Temperierfläche auf einen unteren Wert eingestellt wird, bei dem sich aufgrund von Unterkühlung unter das thermodynamische Gleichgewicht Clathrathydrat an der Temperierfläche bildet und anlagert; b: die Temperatur der Temperierfläche auf einen oberen Wert eingestellt wird, bei dem ein Teil des angelagerten Clathrathydrats in der Nähe der Temperierfläche dissoziiert; c: das Clathrathydrat durch nachströmendes Stoffgemisch aus dem Kanal herausgedrückt wird.7. Use of a device according to one of claims 1 to 6, characterized in that a: a water and a hydrate-forming gas-containing mixture is passed through the channel formed by the temperature control surface, wherein the temperature of the temperature control surface is set to a lower value at due to hypothermia under the thermodynamic equilibrium clathrate hydrate forms and attaches to the tempering surface; b: the temperature of the tempering surface is set to an upper value at which part of the deposited clathrate hydrate dissociates in the vicinity of the tempering surface; c: The clathrate hydrate is forced out of the channel by an inflowing substance mixture.
8. Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser und ein hydratbildendes Gas enthaltende Stoffgemisch unter Zugabe von Tetrahydrofuran oder/und Natriumdodecylsulfat erzeugt wird.8. Use of a device according to claim 7, characterized in that the water and a hydrate-forming gas-containing mixture is produced with the addition of tetrahydrofuran and / or sodium dodecyl sulfate.
9. Verwendung einer Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe des Druckverlustes über einen durch einen von der Temperierfläche gebildeten Kanal zur Festlegung des Zeitpunktes verwendet wird, an dem die Temperatur der Temperierfläche auf den oberen Wert angehoben wird. 9. Use of a device according to claim 7 or 8, characterized in that the size of the pressure loss over a channel formed by the temperature control surface is used for determining the time at which the temperature of the temperature control surface is raised to the upper value.
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