WO2022189619A1 - Verfahren und vorrichtung zur rückverflüssigung von bog - Google Patents

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Hans-Christian HAARMANN-KÜHN
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Tge Marine Gas Engineering Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a process for the reliquefaction of BOG (Boil Off Gas), the (particularly) volatile components such. B. ethane, and to a device for carrying out the method.
  • BOG is vaporized liquefied gas. Liquid gases and thus BOG are usually mixtures of substances with components whose evaporation temperatures usually differ from one another.
  • BOG is caused by the unavoidable heat input into the liquid gas tanks (hereinafter also referred to as tanks for short), in which liquid gas is either stored on the mainland or e.g. B. is transported on ships or carried as fuel for own consumption, and / or in the pipelines in which LPG flows. Lately, an increased proportion of volatile components has been found more and more often in liquid gas.
  • LPG tank loads e.g. commercial propane
  • ethane content ranging from 5% moles in the tank liquid up to 8% moles in the tank liquid
  • the long-established reliquefaction processes in transport are no longer able to condense the increased proportion of volatile components. So-called non-condensable fractions are formed.
  • Venting to atmosphere for the first period of operation is an effective remedial measure when the amount of non-condensables is low (e.g. residual nitrogen from tank purge). It cannot be used when the non-condensable component is a regular part of the cargo and thus the amount of gas to be vented would become too large.
  • Residual gas condensers are heat exchangers that are charged with the non-condensable gas fraction from the condenser via an automatically or manually operated vent valve on the condenser.
  • This heat exchanger cools the gas mixture, which is almost below the final pressure of the compressor, to a temperature level close to the saturation temperature of the tank.
  • the BOG concentration of ethane for a 5% ethane load at fully cooled tank condition (1 bar a) is about 26%. At 36 °C, this mixture can easily be handled by a 2-stage compressor with a maximum delivery pressure of 21 bar a.
  • the object of the present invention is to propose a method and a device with which BOG, which has a higher proportion of volatile components, can also be reliquefied and which are economical. According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 11.
  • BOG which has a high content of volatile components
  • the invention is based on the knowledge that the liquid phase fraction in a partially condensed fluid can be increased in a simple manner if a liquid receiving container for receiving the partially condensed fluid is a target liquid level and for the final pressure a maximum final pressure, i.e. a limit final pressure, is specified and the exit of the fluid from a cooling device which is connected downstream of the fluid receptacle and in which the fluid is cooled at a temperature specified as a function of the final pressure, exclusively depending on whether the target liquid level is reached or exceeded or is released by reaching the limit final pressure.
  • a maximum final pressure i.e. a limit final pressure
  • the actuator is opened again, even if the target liquid level in the Fluid receiving container has not yet been reached again, and due to the complete or at least extensive condensation, a completely or largely liquid flow of fluid emerges from the cooling device.
  • the volatile fraction in the BOG drops again, the gas phase fraction in the partially condensed fluid also decreases and the liquid level in the fluid receiver continues to rise and the final compression pressure falls again.
  • the actuator is closed and remains closed until the liquid level again reaches the desired liquid level. In this way it is prevented that fluid with an appreciable proportion of the gas phase is passed on from the cooling device.
  • the actuator is only opened again when the liquid level reaches or exceeds the target liquid level. The opening can take place in a continuous control loop.
  • the actuator is preferably a valve.
  • the forwarding of the fluid flow cooled in the cooling device can be controlled in a cost-effective manner with a valve.
  • the valve can be part of the cooling device and can be arranged directly at its fluid flow outlet.
  • the valve can also be arranged in a fluid flow outlet line which is in flow communication with the fluid flow outlet of the heat exchanger. It is also conceivable that the valve is part of a liquid gas tank or a consumer into which the cooled fluid flow is to be introduced.
  • the actuator is a volumetric conveyor, such as a turbine, which then z. B. is speed controlled and at "zero" speed stops the flow of chilled fluid, d. H. stops.
  • the cooling takes place by means of a coolant circuit in which a
  • Coolant flows through a heat exchanger, the fluid stream from step i) being introduced into the heat exchanger and the cooled fluid stream being discharged from the heat exchanger. In this way, the fluid flow can be cooled in a cost-effective manner.
  • a liquid coolant advantageously flows through the heat exchanger and the coolant is stored in a coolant reservoir, the coolant being in its liquid phase in the lower region of the coolant reservoir and in its liquid phase in the upper region gas phase.
  • a liquid coolant ensures good heat transfer, and a coolant reservoir ensures that the heat exchanger always has an adequate supply of coolant.
  • the coolant reservoir can be structurally separate from the heat exchanger, which means that a high degree of flexibility is achieved in the spatial arrangement and maintenance and repair work is facilitated.
  • the method has the features of claim 6 and the device has the features of claim 17.
  • the BOG is compressed in a two-stage process, and reliquefied BOG is used as the coolant.
  • the gaseous fluid entering the heat exchanger from the fluid receiving container is under a particularly high pressure and the pressure drop and thus the temperature drop for the re-liquefied BOG entering the coolant circuit is also high particularly large, so that the gaseous BOG will condense completely or at least almost completely in the heat exchanger.
  • the cooling device for cooling the fluid flow emerging from the fluid receiving container is preferably a thermosiphon cooling system.
  • the technical effort for cooling is kept relatively low.
  • the finally compressed BOG stream is preferably condensed in the condenser using sea water, since this is particularly cost-effective.
  • FIG. 1 shows a flow diagram of a first embodiment of one according to the invention
  • the exemplary embodiments of the devices 1 according to the invention shown in the figures have a compressor 2, a condenser 3, a fluid receptacle 4, a cooling device 5 and an actuator 6, which is designed as a valve and is arranged in a fluid flow outlet line 7.
  • the compressor 2 has an inlet 8 for a BOG flow 9 .
  • This inlet 8 can, for example, be in flow connection with the gas phase area of a liquid gas tank.
  • the BOG stream 9 is compressed to a final pressure in the compressor 2 in its final compression stage 10 .
  • the final pressure depends on the composition of the mixture of substances that makes up BOG flow 9 and increases with the proportion of volatile components in the mixture of substances or in BOG flow 9.
  • a two-stage or multi-stage compressor 2 is shown in the exemplary embodiment illustrated in FIG. In this case, the only compression stage is the final compression stage 10.
  • the final compression stage 10 has an outlet 11 for the finally compressed BOG flow 9 , which is flow-connected to a BOG flow inlet 12 of the condenser 3
  • the final compressed BOG flow 9 is cooled at a temperature that is predetermined independently of the final pressure.
  • the condenser 3 can be seawater-cooled.
  • the specified limit final pressure is not sufficient to condense all volatile components of the BOG stream with the existing condenser temperature, so that the BOG stream 9 is only partially condensed.
  • the BOG flow emerging from the condenser 3 is generally referred to as the fluid flow 9a since it can contain liquid and/or gaseous components.
  • the associated outlet is therefore referred to as the fluid flow outlet 14 .
  • the fluid flow outlet 14 of the condenser 3 is in flow connection 16 with a fluid flow inlet 15 of the fluid receiving container 4.
  • the fluid receptacle 4 has a fluid flow outlet 17 which is above a predetermined fluid receptacle volume 18 of the fluid receptacle 4 and is in flow connection 20 with a fluid flow inlet 19 of the cooling device 5 .
  • a target liquid level 23 is at the level of the upper edge of the fluid flow outlet 17 or at a predetermined level distance above it.
  • a level sensor 24 for measuring the liquid level is also arranged in the fluid holding tank 4 .
  • the measurement signals are sent to a valve control device 6a, with which the valve 6 in the fluid flow outlet line can be brought into an open position or into a closed position downstream of the cooling device.
  • the cooling device 5 has the already mentioned fluid flow inlet 19 and a fluid flow outlet 25 which is in flow connection 26 with the fluid flow outlet line 7 .
  • the fluid flow 9a is cooled down to a temperature which corresponds to the saturation temperature of the fluid flow 9a at a pressure which is lower than the final pressure.
  • the BOG stream 9 referred to as fluid stream 9a from the point of exit from the condenser 3—is under the final pressure.
  • This discharge pressure is measured by a pressure sensor 27 placed anywhere in the region extending from the exit of the BOG stream 9 from the final compression stage 10 of the compressor 2 to the valve 6 in the fluid stream discharge line 7 downstream of the cooling device 5 and is under the final pressure.
  • this pressure sensor 27 can be arranged in the fluid receptacle 4 .
  • the measurement signals are forwarded to a valve control device 6a, with which the valve 6 in the fluid flow outlet line 7 can be brought into an open position or into a closed position, with BOG being reliquefied in an open position being fed to a further use, for example being introduced into a liquid gas tank .
  • the actuator or valve position is therefore controlled by means of the measurement signals from both the level sensor 24 and the pressure sensor 27, as follows:
  • the actuator or the valve 6 in the fluid flow outlet line 7 is brought into an open position when a) the liquid level corresponds at least to the target liquid level 23 and/or b) the final pressure reaches the limit final pressure.
  • the actuator or the valve 6 in the fluid flow outlet line 7 is brought into its closed position when the liquid level drops below the setpoint liquid level 23 and the final pressure is below the final pressure limit. If the proportion of non-condensed BOG increases (e.g. because the proportion of volatile components in the BOG has increased or because the seawater 28 has become warmer in a seawater-cooled condenser 3), the gas phase proportion 22 in the fluid increases (and thus the liquid phase portion 21 from) and the final pressure increases. If the liquid level drops below the target liquid level 23 and then further below the upper edge of the fluid flow outlet opening 17 of the fluid receptacle 4, the boundary between the gas phase 22 and the liquid phase 21 of the fluid is initially in the area of the fluid flow outlet opening 17 of the fluid holding tank 4. In this case, a mixture of gas and liquid exits the fluid holding tank 4 and enters the cooling device 5.
  • the proportion of non-condensed BOG increases (e.g. because the proportion of volatile components in the BOG has increased or because the seawater 28 has become warmer in a seawater
  • the final pressure increases with an increasing proportion of non-condensed components in the BOG and on the other hand the liquid level in the fluid receptacle 4 rises, so that over time at least one of the two above under A)a) and A)b) reached the states described and the actuator or the valve 6 is opened again.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a device 1 according to the invention with an external cooling device 5 .
  • the cooling device 5 has a heat exchanger 29 which has an inlet 30 and an outlet 31 for coolant 32 and an inlet 33 and an outlet 34 for the fluid flow 9a and 9b.
  • the heat exchanger 29 is part of an external coolant circuit.
  • the fluid flow inlet 33 of the heat exchanger 29 is in flow communication 20 with the fluid flow outlet 17 of the fluid receiving vessel 4, and the fluid flow outlet 34 of the heat exchanger 29 is connected to the fluid flow outlet line 7 of the cooling device.
  • reliquefied BOG is used as coolant 32 .
  • the cooling device 5 has a heat exchanger 29 which has an inlet 30 and an outlet 31 for coolant 32 and an inlet 33 and an outlet 34 for the fluid flow 9a and 9b.
  • the heat exchanger 29 is part of a coolant circuit 35.
  • the fluid flow inlet 33 of the heat exchanger 29 is in flow connection 20 with the fluid flow outlet 17 of the fluid receiving container 4, and the fluid flow outlet 34 of the heat exchanger 29 is connected to the fluid flow outlet line 7 of the cooling device .
  • the fluid receptacle 4 also has a bottom outlet 36, which thus forms a second outlet of the fluid receptacle 4, specifically exclusively for reliquefied BOG, ie exclusively for a liquid flow.
  • the bottom outlet 36 is connected to the coolant inlet 38 of a coolant reservoir 39 via a feed line 37 .
  • this coolant inlet 38 is arranged in the bottom of the coolant reservoir 39 .
  • the coolant 32 i. H. the reliquefied BOG used for this partly evaporates again in the coolant circuit 35 (in particular in the heat exchanger 29), so that the coolant 32 is present in the liquid phase in the lower region 40 of the coolant reservoir 39 and in the gas phase in its upper region 41.
  • the coolant reservoir 39 has a coolant outlet 42, which lies above the coolant inlet 30 of the heat exchanger 29 and is in flow connection 43 with it.
  • a coolant level sensor 44 is arranged in the coolant reservoir 39 for measuring the fill level 45, d. H. the level, the liquid phase of the coolant 32.
  • a feed valve 46 is arranged in the feed line 37 .
  • the measurement signals from the coolant level sensor 44 are forwarded to a valve control device 46a, with which the feed valve 46 can be brought into an open position or a closed position, with BOG reliquefied in the open position being fed into the coolant reservoir 39 as coolant 32.
  • the fill level 45 of the liquid phase of the coolant 32 in the coolant reservoir 39 is regulated by opening and closing the feed valve 46 such that the coolant outlet 42 of the coolant reservoir 39 is always in the liquid phase area 40 . This ensures that sufficient liquid coolant 32 is always supplied to the heat exchanger 29 .
  • the coolant outlet 31 of the heat exchanger 29 is in flow connection 47 with the feed line 37 downstream of the feed valve 46.
  • the coolant circuit 35 works like a thermosiphon cooling system.
  • the compressor 2 is designed in two stages.
  • Compression stage 48 has the inlet 8 for the BOG flow 9 to be compressed and compresses the BOG flow 9 to an intermediate pressure which is lower than the final pressure.
  • the second compression stage is the final compression stage 10 and compresses the intermediately compressed BOG flow to the final pressure and has the outlet 11 for the finally compressed BOG flow.
  • the gas phase region 41 of the coolant reservoir 39 has an outlet 49 connected to the BOG flow between FIGS. Compression stage 48 and the final compression stage 10 is in flow communication 50. Therefore, on the one hand, evaporated coolant, i. H. gaseous BOG, from the coolant reservoir 39 into the BOG flow between the 1st compression stage 48 and the final compression stage 10 are introduced. On the other hand, at the point of introduction 51 between 1 . Compression stage 10 and the final compression stage 10 also prevail in the coolant reservoir 39 and thus in the entire coolant circuit Iauf 35. The boundary between the final pressure and intermediate pressure in the feed line 37 is the feed valve 46.
  • the fluid flow 9a or the finally compressed BOG flow 9 is under the final pressure, i. H. maximum below the specified limit final pressure.
  • the fluid stream 9a flowing from the fluid receiving container 4 to the heat exchanger 29 is at the limit final pressure, and the comparatively low temperature level in the coolant circuit 35, the fluid stream 9a is cooled to a temperature close to the saturation temperature of the fluid stream 9a at intermediate pressure. so that the gas phase portion of the fluid flow 9a will condense in this state and through the open valve 6 (at the final limit pressure) in the fluid flow outlet line 7, only or almost exclusively reliquefied BOG is passed on, for example discharged into a tank.
  • this valve 6 is closed again until the target liquid level 23 in the fluid receptacle 4 is reached again and the valve 6 is opened again.
  • the measures according to the invention for the reliquefaction of BOG are further illustrated below with reference to the exemplary embodiment shown in FIG. 2 with a numerical example.
  • the BOG to be reliquefied is discharged from an LPG tank for propane and the condenser 3 is sea water cooled.
  • the following liquid and gas compositions as well as pressure and temperature conditions in the individual process steps/device elements are based on flash calculations using NIST (National Institute of Standards and Technology) data: a) in the liquid gas tank from which BOG is taken for reliquefaction Liquid: Propane
  • Liquid content (condensate): ethane content approx. 25% mol
  • Gas content ethane content approx. 45% mol
  • the saturation pressure for the gas fraction on the fluid side is around 10 bar a. Since the final pressure on the fluid side is 21 bar a, the gas content in the fluid is completely liquefied.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Rückverflüssigung von BOG, das leichtflüchtige Anteile enthält, mit den folgenden Schritten: a) Verdichten eines BOG-Stroms, wobei der BOG-Strom aus einer End-Verdichtungsstufe als endverdichteter BOG-Strom mit einem End-druck austritt; b) Kondensieren des endverdichteten BOG-Stroms, um einen zumindest teilkondensierten endverdichteten Fluidstrom zu erhalten; c) Bereitstellen eines Fluid-Aufnahmebehälters, der einen Fluidstrom-Eintritt und einen Fluidstrom-Austritt aufweist, wobei die Lage des Fluidstrom-Austritts so gewählt ist, dass er oberhalb eines vorgegebenen Fluid-Aufnahmevolumens liegt; d) Einleiten des Fluidstroms aus Schritt b) durch den Fluidstrom-Eintritt in den Fluid-Aufnahmebehälter; e) Festlegen eines Soll-Flüssigkeitspegels für den Fluid-Aufnahmebehälter in der Weise, dass der Soll-Flüssigkeitspegel in Höhe des oberen Randes des Fluidstrom-Austritts oder um ein vorgegebenes Maß darüber liegt; f) Festlegen eines oberen Grenz-Enddrucks für die End-Verdichtungsstufe; g) Messen des Flüssigkeitspegels in dem Fluid-Aufnahmebehälter; h) Messen des Enddrucks; i) Ausleiten eines Fluidstroms aus dem Fluid-Aufnahmebehälter durch den Fluidstrom-Austritt; j) Kühlen des Fluidstroms aus Schritt i) auf eine Temperatur, die der Sättigungstemperatur des Fluidstroms bei einem Druck entspricht, der geringer ist als der Enddruck, um gasförmige Anteile des Fluidstroms zu kondensieren; k) Weiterleiten des gekühlten Fluidstroms, wenn der gemessene Flüssigkeitspegel mindestens gleich dem Soll-Flüssigkeitspegel ist und/oder wenn der gemessene Enddruck gleich dem Grenz-Enddruck ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Rückverflüssigung von BOG
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Rückverflüssigung von BOG (Boil Off Gas), das (besonders) leichtflüchtige Anteile, wie z. B. Ethan, enthält, sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. BOG ist verdampftes Flüssiggas. Flüssiggase und somit BOG sind in der Regel Stoffgemische mit Komponenten, deren Verdampfungstemperaturen üblicherweise voneinander abweichen. BOG entsteht durch unvermeidbaren Wärmeeintrag in die Flüssiggastanks (im Folgenden auch kurz als Tanks bezeichnet), in denen Flüssiggas entweder auf dem Festland lagert oder z. B. auf Schiffen transportiert oder als Brennstoff zum Eigenverbrauch mitgeführt wird, und/oder in die Rohrleitungen, in denen Flüssiggas strömt. In letzter Zeit ist bei Flüssiggas immer häufiger ein erhöhter Anteil leichtflüchtiger Bestandteile festgestellt worden. So sind LPG-Tankladungen (z. B. kommerzielles Propan) mit einem erhöhten Ethangehalt im Bereich von 5 % Mol in der Tankflüssigkeit bis zu 8 % Mol in der Tankflüssigkeit üblich geworden. Dies führt dazu, dass die seit langem bekannten Rückverflüssigungsverfahren im Transport den erhöhten Anteil an leichtflüchtigen Bestandteilen nicht mehr kondensieren können. Es entstehen sogenannte nicht kondensierbare Fraktionen.
Aus Gründen des Umweltschutzes und der Wirtschaftlichkeit, insbesondere um die Emission von Kohlenwasserstoffgasen im Normalbetrieb sowie den Ladungsverlust zu vermindern, ist eine Rückverflüssigung des BOG wünschenswert. Das Problem der nicht kondensierbaren Fraktionen in den Ladungsdämpfen ist beim Betrieb von Rückverflüssigungsprozessen seit langem bekannt. Mehrere Lösungen sind auf dem Markt etabliert:
- Die Entlüftung zur Atmosphäre für die erste Betriebszeit ist eine wirksame Abhilfemaßnahme, wenn die Menge an nicht kondensierbaren Stoffen gering ist (z. B. Reststickstoff aus der Tankspülung). Sie kann nicht angewendet werden, wenn die nicht kondensierbare Komponente ein regulärer Bestandteil der Ladung ist und somit die Menge des zu entlüftenden Gases zu groß werden würde.
- Restgaskondensatoren sind Wärmetauscher, die über ein automatisch oder manuell betätigtes Entlüftungsventil am Kondensator mit der nicht kondensierbaren Gasfraktion aus dem Kondensator beschickt werden. Dieser Wärmetauscher kühlt das Gasgemisch, das sich fast unter dem Enddruck des Kompressors befindet, auf ein Temperaturniveau nahe der Sättigungstemperatur des Tanks ab. Dadurch werden die meisten schwersiedenden Kohlenwasserstoffe kondensiert und die resultierende, verbleibende geringe BOG-Menge mit nicht kondensierbarem Gas angereichert. Dies ist ein effizientes Mittel zur Reduzierung von Ladungsverlusten. Da als Kühlmedium in diesem Prozess meist Kondensat der Rückverflüssigung bei Lagerdruck eingesetzt wird, reduziert dieses Verfahren die verfügbare Kälteleistung zum Kühlen der Tanks signifikant. Es kann bei geringen Konzentrationen leichtflüchtiger Ladungskomponenten angewandt werden und kann auch zur Rückgewinnung von Ladung bei Produktwechselvorgängen eingesetzt werden. - Ferner wird eine Kaskadenkühlung eingesetzt. Viele Schiffe - vor allem halbgekühlte - sind so konstruiert, dass sie Ethan / Ethylen als reine Ladung transportieren können. Dies geschieht in einer Kühlkaskade mit einem Kältemittelsystem, das ein Temperaturniveau von bis zu -40 °C für die Kondensation bietet. Dies ist auch geeignet, um jede Art von kommerziellem LPG auf einem Druckniveau zu verarbeiten, das durch eine zweistufige Verdichtung erreichbar ist. Der Nachteil dieses Verfahrens ist der hohe apparative und maschinelle Aufwand für die zusätzliche Kaskadenanlage.
- In den letzten Jahren sind sogenannte "Vent Cooler" entwickelt worden, wie sie beispielsweise aus WO 2012/143699 A1 bekannt sind. Dort erfolgt die Rückverflüssigung mittels eines zweistufigen Rückverflüssigungsprozesses mit Seewasser als Kühlmittel in einem Cargo-Kondensator. Die in WO 2012/143699 A1 beschriebene Entwicklung ist im Prinzip ähnlich wie ein Restgas-kondensator. Der technologische Vorteil ist, dass das Temperaturniveau mit dem Zwischendruck zwischen den beiden Verdichtungsstufen zusammenhängt und nicht mit dem Tankdruck. Dieser ist in der Regel ausreichend für die Kondensation der Ladung. Gleichzeitig wird die Kälteleistung der Anlage im Vergleich zu einem Restgaskondensator wenigerstark reduziert.
- In DE 10 2013 101 414 A1 wird vorgeschlagen, Tankflüssigkeit in einen Economizer einzuspeisen. Bei diesem Ansatz wird die Tatsache ausgenutzt, dass Tankflüssigkeit eine wesentlich geringere Konzentration an leichtflüchtigen Bestandteilen aufweist als Dampf (BOG). Die Beschickung des Economizers mit Tankflüssigkeit anstelle von Kondensat aus dem Verflüssiger reduziert die Konzentration der leichtflüchtigen Komponenten im BOG- Strom vom Economizer zur 2. Verdichtungsstufe und ermöglicht so den Betrieb eines zweistufigen Kompressorsystems auch unter Warmwasserbedingungen. Der Nachteil ist, dass die Tankflüssigkeit für die Einspritzung unter Druck gesetzt werden muss, was den Prozess komplexer macht und zusätzliche Ausrüstung erfordert
Jedoch auch diese bekannten zweistufigen Rückverflüssigungsprozesse zeigen Schwierigkeiten bei der Handhabung von Ladungen mit einem erhöhten Anteil an leichtflüchtigen Bestandteilen, z. B. an Ethan. Ethan ist die flüchtigere Komponente und seine Konzentration im BOG ist viel höher als die Konzentration in der Flüssigphase des Flüssiggases, die im Folgenden auch als Bulkflüssigkeit bezeichnet wird.
- Bekannt ist auch der Einsatz von dreistufigen Kompressoren: Durch den Einsatz von dreistufigen Kompressoren kann die Kondensationstemperatur bei Auslassdruck auf ein Niveau angehoben werden, das unter Welthandelsbedingungen und sogar für warmes Seewasser leicht zugänglich ist. Der Nachteil dieses naheliegenden Ansatzes sind hohe Investitionskosten in die anspruchsvollere Ausrüstung.
Ethangehalte von 2,5 %, 5 % und 8 % in der Bulkflüssigkeit sind Standard- Ladungsspezifikationen, für die die LPG-Systeme ausgelegt sind. Für größere LPG- Systeme sind typischerweise IMO-Typ A-Tanks mit Tankbetriebsdrücken zwischen 0 und 0,4 bar g relevant. Die aus den angegebenen Ethangehalten resultierenden BOG- Zusammensetzungen erfordern einen steigenden Kondensationsdruck bei gegebenem Temperaturniveau. Wie bereits oben erwähnt, ist bei der LPG-Rückverflüssigung der Einsatz von 2-stufigen Kolbenkompressoren und Seewasser Stand der Technik. Für den weltweiten Einsatz wird 32°C Seewasser berücksichtigt. In vielen Häfen und wichtigen Handelsgebieten herrschen jedoch eher wärmere Bedingungen. Es ist offensichtlich, dass für die Standardkompressorkonfiguration Ethankonzentrationen über ca. 3,5 % in der Bulkflüssigkeit nicht unter allen Umgebungsbedingungen gehandhabt werden können. In diesen Fällen besteht der Standardansatz darin, Entlüftungsventile an den LPG-Kondensatoren zu installieren, die einen Teil des Gases abblasen, der unter der verfügbaren Druck-/Temperaturkombination nicht kondensierbar ist.
Eine typische Situation ist in dem folgenden Zahlenbeispiel wiedergegeben:
Die BOG-Konzentration von Ethan für eine 5 % -Ethan-Ladung bei voll gekühltem Tankzustand (1 bar a) beträgt etwa 26 %. Bei 36 °C kann dieses Gemisch von einem 2- stufigen Kompressor mit einem maximalen Förderdruck von 21 bar a problemlos bewältigt werden.
Bei 40 °C Kondensationstemperatur (als Folge von warmem Seewasser oder verschmutzten Wärmetauschern) verbleibt ein Anteil von ca. 3 % (Mol) BOG in der Dampfphase. Diese Menge reagiert sehr empfindlich auf leichte Schwankungen in der Zusammensetzung der Tankflüssig-keit. So erhöht z. B. ein sehr geringer Anstieg des Ethangehalts auf nur 5,5 % diesen Anteil auf 14 %. Im Normalbetrieb wird dieses Gas entweder in die Atmosphäre entlüftet, was nicht nur eine unerwünschte Freisetzung von Treibhausgasen bedeutet, sondern auch einen Verlust an Ladung, oder es wird als Dampf in den Tank zurückgeführt und reduziert damit die verfügbare Kühlkapazität der Kälteanlage erheblich. Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzuschlagen, mit denen auch BOG, das einen höheren Anteil an leichtflüchtigen Bestandteilen aufweist, rückverflüssigt werden kann und die dabei wirtschaftlich sind. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß Anspruch 11 gelöst.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen kann BOG, das einen hohen Gehalt an leichtflüchtigen Bestandteilen aufweist, mit relativ geringem Aufwand rückverflüssigt werden Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der Flüssigphasenanteil in einem teilkondensierten Fluid auf einfache Weise erhöht werden kann, wenn für einen Fluid- Aufnahmebehälter zur Aufnahme des teilkondensierten Fluids ein Soll-Flüssigkeitspegel und für den Enddruck ein maximaler Enddruck, d, h. ein Grenz-Enddruck, vorgegeben ist und der Austritt des Fluids aus einer Kühleinrichtung, die dem Fluid-Aufnahmebehälter nachgeschaltet ist und in der das Fluid mit einer in Abhängigkeit des Enddrucks vorgegebenen Temperatur gekühlt wird, ausschließlich in Abhängigkeit vom Erreichen oder Überschreiten des Soll-Flüssigkeitspegels oder vom Erreichen des Grenz-Enddrucks freigegeben wird.
Dadurch, dass für die End-Verdichtungsstufe ein maximaler Grenz-Enddruck vorgegeben wird, wird in Kauf genommen, dass BOG - wenn es leichtflüchtige Anteile enthält (z. B. einen hohen Ethananteil) oder bei hoher Kondensationstemperatur (z. B. aufgrund von warmem Wasser oder verschmutztem Kondensator) und der Verdichtungs-Enddruck deswegen weiter steigen müsste - möglicherweise nicht bis zu dem Enddruck verdichtet wird, der für eine vollständige Kondensation aller leichtflüchtigen Bestandteile im anschließenden Kondensator nötig wäre. Dies führt dazu, dass der Gasphasenanteil in dem teilkondensierten Fluid steigt und somit der Flüssigkeitspegel in dem Fluid- Aufnahmebehälter fällt. Da ein Soll-Flüssigkeitspegel festgelegt ist und der obere Rand des Fluidstrom-Austritts des Fluid-Aufnahmebehälters in Höhe dieses Soll- Flüssigkeitspegels oder um ein vorgegebenes Maß darunter liegt, strömt ausschließlich flüssiges Fluid solange zur Kühleinrichtung, bis der Flüssigkeitspegel unter den oberen Rand des Fluidstrom-Austritts sinkt. Da ferner auf Grund der Messung des Flüssigkeitspegels auch nur bis zum Unterschreiten des Soll-Flüssigkeitspegels der Aktor den gekühlten Fluidstrom weiterleitet, ist sichergestellt, dass bis zum Erreichen des Grenz- Enddrucks ausschließlich Flüssigkeit vom Aktor weitergeleitet wird.
Bei geschlossenem Aktor staut sich der Fluidstrom zurück und wird das in der Kühleinrichtung befindliche Fluid weiter gekühlt. Durch den Rückstau steigt wieder der Flüssigkeitspegel im Fluid-Aufnahmebehälter. Bei weiterhin steigendem Gasphasenanteil im BOG-Strom steigt auch der Enddruck. Mit steigendem Enddruck steigt auch die Kondensationstemperatur, d. h. im negativen Temperaturbereich wird eine Kondensation mit Kühlmittel erreicht, das weniger kalt ist. Mit Erreichen eines geeignet vorgegebenen Grenz-Enddrucks ist es daher möglich, die Gasphase des Fluids mit relativ „warmem“ Kühlmittel in der Kühleinrichtung vollständig zu kondensieren, zumindest den weitaus überwiegenden Teil der leichtflüchtigen Bestandteile des Fluids. Daher wird bei Erreichen des Grenz-Enddrucks der Aktor wieder geöffnet, auch wenn der Soll-Flüssigkeitspegel im Fluid-Aufnahmebehälter noch nicht wieder erreicht ist, und auf Grund der vollständigen oder zumindest weitgehenden Kondensation tritt aus der Kühleinrichtung ein vollständig oder weitgehend flüssiger Fluidstrom aus. Wenn der leichtflüchtige Anteil im BOG wieder absinkt, reduziert sich auch der Gasphasenanteil im teilkondensierten Fluid und der Flüssigkeitspegel im Fluid- Aufnahmebehälter steigt weiter an und der Verdichtungs-Enddruck fällt wieder. Fällt der Verdichtungs-Enddruck unter den Grenz-Enddruck, wird der Aktor geschlossen und bleibt geschlossen, bis der Flüssigkeitspegel wieder den Soll-Flüssigkeitspegel erreicht. Auf diese Weise wird verhindert, dass aus der Kühleinrichtung Fluid mit einem nennenswerten Gasphasenanteil weitergeleitet wird. Der Aktor wird erst wieder geöffnet, wenn der Flüssigkeitspegel den Soll-Flüssigkeitspegel erreicht oder überschreitet. Dabei kann die Öffnung in einem kontinuierlichen Regelkreis erfolgen. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen ermöglichen so mit geringem Aufwand eine
Rückverflüssigung auch von BOG, das leichtflüchtige Bestandteile enthält.
Bevorzugt ist der Aktor ein Ventil. Mit einem Ventil kann die Weiterleitung des in der Kühleinrichtung gekühlten Fluidstroms kostengünstig gesteuert werden. Dabei kann das Ventil Teil der Kühleinrichtung sein und unmittelbar an deren Fluidstrom-Austritt angeordnet sein. Das Ventil kann aber auch in einer Fluidstrom-Austrittsleitung angeordnet sein, die mit dem Fluidstrom-Austritt des Wärmetauschers in Strömungsverbindung steht. Ferner ist denkbar, dass das Ventil Teil eines Flüssiggastanks oder eines Verbrauchers ist, in den der gekühlte Fluidstrom eingeleitet werden soll.
Es ist auch denkbar, dass der Aktor eine volumetrische Fördereinrichtung ist, beispielsweise eine Turbine, die dann z. B. geschwindigkeitsgeregelt ist und bei der Geschwindigkeit „null“ den Strom des gekühlten Fluids unterbricht, d. h. stoppt. Vorzugsweise erfolgt im Schritt j) das Kühlen mittels eines Kühlmittelkreislaufs, in dem ein
Kühlmittel einen Wärmetauscher durchströmt, wobei der Fluidstrom aus Schritt i) in den Wärmetau-scher eingeleitet und der gekühlte Fluidstrom aus dem Wärmetauscher ausgeleitet wird. Der Fluidstrom kann auf diese Weise kostengünstig gekühlt werden. Dabei durchströmt vorteilhafterweise ein flüssiges Kühlmittel den Wärmetauscher und wird das Kühlmittel in einem Kühlmittelspeicher gespeichert, wobei das Kühlmittel im unteren Bereich des Kühlmittelspeichers in seiner Flüssigphase und im oberen Bereich in seiner Gasphase ist. Ein flüssiges Kühlmittel stellt einen guten Wärmeübergang sicher, und ein Kühlmittelspeicher gewährleistet, dass der Wärmetauscher stets ausreichend mit Kühlmittel versorgt ist. Der Kühlmittelspeicher kann von dem Wärmetauscher baulich getrennt sein, wodurch ein hohes Maß an Flexibilität bei der räumlichen Anordnung erreicht wird und Wartungs- sowie Reparatur-arbeiten erleichtert werden.
Alternativ ist auch daran gedacht, den Kühlmittelspeicher in den Wärmetauscher zu integrieren. Auf diese Weise wird eine kompakte platzsparende Bauweise erzielt. Außerdem müssen keine Verbindungsrohrleitungen gelegt werden, was die Kosten reduziert und zudem einen Wärme-eintrag über diese Verbindungsrohrleitungen vermeidet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Verfahren die Merkmale des Anspruchs 6 und die Vorrichtung die Merkmale des Anspruchs 17 auf. Das BOG wird hierbei in einem zweistufigen Prozess komprimiert, und als Kühlmittel wird rückverflüssigtes BOG genutzt. Dadurch, dass die Kühleinrichtung einerseits an den BOG- Strom zwischen der 1. Verdichtungs-stufe und der End-Verdichtungsstufe angeschlossen ist und andererseits in der Speiseleitung ein Einspeiseventil angeordnet ist, das ausschließlich zum Einspeisen von rückverflüssigtem BOG in den Kühlmittelkreislauf geöffnet wird, entspricht das im Kühlmittelkreislauf vorhandene Druckniveau dem Zwischendruckniveau an der Anschlussstelle zwischen der 1. Verdichtungs-stufe und der End-Verdichtungsstufe. Das aus dem Fluid-Aufnahmebehälter, wo der Verdichtungs- Enddruck herrscht, in den Kühlmittelkreislauf eintretende rückverflüssigte BOG wird daher bei seinem Eintritt entspannt und kühlt sich ab. Erreicht der Verdichtungs-Enddruck den Grenz-Enddruck, steht zum einen das aus dem Fluid-Aufnahmebehälter in den Wärmetauscher eintretende gasförmige Fluid unter einem besonders hohen Druck und ist zum anderen der Druckabfall und somit der Temperaturabfall für das in den Kühlmittelkreislauf eintretende rück-verflüssigte BOG besonders groß, so dass das gasförmige BOG im Wärmetauscher vollständig oder zumindest nahezu vollständig kondensieren wird.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Flüssigkeitsstrom zur Einleitung als Kühlmittel in den Kühlmittelkreislauf am Boden des Fluid-Aufnahmebehälters aus diesem entnommen wird. Damit ist auf einfache Weise sichergestellt, dass kein gasförmiges Fluid in den Kühlmittelkreislauf eintritt. In einer günstigen Weiterbildung der Maßnahmen nach den Ansprüchen 8 oder 19 wird der Austritt des flüssigen Kühlmittels aus dem Kühlmittelspeicher oberhalb des Eintritts des Kühlmittels in den Wärmetauscher gelegt. Hierdurch wird allein durch Schwerkraft eine ausreichende Kühlmittelzufuhr zum Wärmetauscher gewährleistet.
Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung zur Kühlung des aus dem Fluid-Aufnahmebehälter austretenden Fluidstroms eine Thermosiphonkühlung. Der technische Aufwand für die Kühlung wird so relativ geringgehalten.
Bevorzugt wird der endverdichtete BOG-Strom im Kondensator mittels Seewasser kondensiert, da dies besonders kostengünstig ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielshalber noch näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 als Fließbild eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung und Figur 2 als Fließbild eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung.
Die in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Vorrichtungen 1 weisen einen Verdichter 2, einen Kondensator 3, einen Fluid-Aufnahmebehälter 4, eine Kühleinrichtung 5 sowie einen Aktor 6 auf, der als Ventil ausgebildet ist und in einer Fluidstrom-Austrittsleitung 7 angeordnet ist.
Der Verdichter 2 weist einen Eintritt 8 für einen BOG-Strom 9 auf. Dieser Eintritt 8 kann beispielsweise mit dem Gasphasenbereich eines Flüssiggastanks in Strömungsverbindung stehen.
Der BOG-Strom 9 wird in dem Verdichter 2 in dessen End-Verdichtungsstufe 10 auf einen End-druck verdichtet. Der Enddruck ist abhängig von der Zusammensetzung des Stoffgemisches, aus dem der BOG-Strom 9 besteht, und steigt mit dem Anteil an leichtflüchtigen Bestandteilen im Stoffgemisch bzw. im BOG-Strom 9. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zwar ein zwei- bzw. mehrstufiger Verdichter 2 dargestellt, jedoch kann in diesem Ausführungsbeispiel der Verdichter 2 auch einstufig ausgeführt sein. In diesem Fall ist die einzige Verdichtungsstufe dann auch die End-Verdichtungsstufe 10.
Es wird ein Grenz-Enddruck als maximaler, für eine Betätigung des Aktors 6, d. h. des Ventils, maßgebender Enddruck festgelegt.
Die End-Verdichtungsstufe 10 weist für den endverdichteten BOG-Strom 9 einen Austritt 11 auf, der mit einem BOG-Strom-Eintritt 12 des Kondensators 3 in Strömungsverbindung
13 steht. Im Kondensator 3 wird der endverdichtete BOG-Strom 9 mit einer Temperatur gekühlt, die unabhängig vom Enddruck vorgegeben ist. So kann der Kondensator 3 beispielsweise seewasser-gekühlt sein. Daher ist es bei einem BOG-Strom 9 mit leichtflüchtigen Bestandteilen möglich, dass der festgelegte Grenz-Enddruck nicht ausreicht, um mit der vorhandenen Kondensatortemperatur sämtliche leichtflüchtigen Bestandteile des BOG-Stroms zu kondensieren, so dass der BOG-Strom 9 nur teilkondensiert wird. Im Folgenden wird der aus dem Kondensator 3 austretende BOG-Strom allgemein als Fluidstrom 9a bezeichnet, da er flüssige und/oder gasförmige Bestandteile enthalten kann. Der zugehörige Austritt wird daher als Fluidstrom-Austritt 14 bezeichnet.
Der Fluidstrom-Austritt 14 des Kondensators 3 steht mit einem Fluidstrom-Eintritt 15 des Fluid-Aufnahmebehälters 4 in Strömungsverbindung 16.
Der Fluid-Aufnahmebehälter 4 weist einen Fluidstrom-Austritt 17 auf, der oberhalb eines vorgegebenen Fluid-Aufnahmevolumens 18 des Fluid-Aufnahmebehälters 4 liegt und mit einem Fluidstrom-Eintritt 19 der Kühleinrichtung 5 in Strömungsverbindung 20 steht.
In dem Fluid-Aufnahmebehälter 4 trennen sich Gasphase und Flüssigphase des Fluids in einen unteren Flüssigphasenbereich 21 und einen oberen Gasphasenbereich 22. Für den Fluid-Aufnahmebehälter 4 ist ein Soll-Flüssigkeitspegel 23 in Höhe des oberen Randes des Fluidstrom-Austritts 17 oder in einem vorgegebenen Abstand darüber festgelegt.
In dem Fluid-Aufnahmebehälter 4 ist auch ein Niveausensor 24 zum Messen des Flüssigkeits-pegels angeordnet. Die Messsignale werden an eine Ventilsteuereinrichtung 6a weitergeleitet, mit der das Ventil 6 in der Fluidstrom-Austrittsleitung stromabwärts der Kühleinrichtung in eine Offenstellung oder in eine Schließstellung bringbar ist.
Die Kühleinrichtung 5 weist den bereits erwähnten Fluidstrom-Eintritt 19 sowie einen Fluidstrom-Austritt 25 auf, der mit der Fluidstrom-Austrittsleitung 7 in Strömungsverbindung 26 steht. In der Kühleinrichtung 5 wird der Fluidstrom 9a auf eine Temperatur heruntergekühlt, die der Sättigungstemperatur des Fluidstroms 9a bei einem Druck entspricht, der geringer ist als der End-druck. Ab seinem Austritt aus der End-Verdichtungsstufe 10 des Verdichters 2 steht der BOG- Strom 9 - ab dem Austritt aus dem Kondensator 3 als Fluidstrom 9a bezeichnet - unter dem Enddruck. Dieser Enddruck wird mittels eines Drucksensors 27 gemessen, der an einer beliebigen Stelle in dem Bereich angeordnet ist, der sich von dem Austritt des BOG- Stroms 9 aus der End-Verdichtungsstufe 10 des Verdichters 2 bis zum Ventil 6 in der Fluidstrom-Austrittleitung 7 stromabwärts der Kühleinrichtung 5 erstreckt und unter dem Enddruck steht. Beispielsweise kann dieser Drucksensor 27 in dem Fluid- Aufnahmebehälter 4 angeordnet sein. Die Messsigna-Ie werden an eine Ventilsteuereinrichtung 6a weitergeleitet, mit der das Ventil 6 in der Fluidstrom- Austrittleitung 7 in eine Offenstellung oder in eine Schließstellung bringbar ist, wobei in einer Offenstellung rückverflüssigtes BOG einer weiteren Verwendung zugeführt wird, beispielsweise in einen Flüssiggastank eingeleitet wird.
Die Aktor- bzw. Ventilstellung wird also mittels der Messsignale sowohl des Niveausensors 24 als auch des Drucksensors 27 gesteuert, und zwar wie folgt:
A) Offenstellung
Der Aktor bzw. das Ventil 6 in der Fluidstrom-Austrittsleitung 7 wird in eine Offenstellung gebracht, wenn a) der Flüssigkeitspegel mindestens dem Soll-Flüssigkeitspegel 23 entspricht und/oder b) der Enddruck den Grenz-Enddruck erreicht.
Fall a) Da der obere Rand des Fluidstrom-Austritts 17 des Fluid-Aufnahmebehälters 4 in Höhe des Soll-Flüssigkeitspegels 23 oder um ein vorgegebenes Maß darunterliegt, strömt bei Erreichen des Soll-Flüssigkeitspegels 23 ausschließlich Fluid aus seiner Flüssigphase 21 , d. h. ausschließlich rückverflüssigtes BOG, in die Kühleinrichtung 5 und weiter in die Fluidstrom-Austrittsleitung 7.
Fall b) Mit Erreichen des Grenz-Enddrucks steht das Fluid unter relativ hohem Druck, sodass eine Abkühlung auf eine Temperatur unter der Sättigungstemperatur des Fluidstroms bei dem Grenz-Enddruck, auch wenn die Abkühlung nur gering - beispielsweise 1 °K - sein sollte, ein hohes Maß an weiterer Kondensierung der gasförmigen Bestandteile des Fluidstroms 9a bringt und der aus der Kühleinrichtung 5 austretende Fluidstrom 9a nahezu vollständig oder sogar ausschließlich flüssig ist.
B) Schließstellung
Der Aktor bzw. das Ventil 6 in der Fluidstrom-Austrittsleitung 7 wird in seine Schließstellung gebracht, wenn der Flüssigkeitspegel unter den Soll-Flüssigkeitspegel 23 absinkt und der Enddruck unter dem Grenz-Enddruck liegt. Wenn sich der Anteil an nicht kondensiertem BOG erhöht (z, B. weil sich der Anteil an leicht-flüchtigen Bestandteilen im BOG erhöht hat oder weil bei einem seewassergekühlten Kondensator 3 das Seewasser 28 wärmer geworden ist), so nimmt der Gasphasenanteil 22 im Fluid zu (und damit der Flüssigphasenanteil 21 ab) und der Enddruck erhöht sich. Wenn der Flüssigkeitspegel unter den Soll-Flüssigkeitspegel 23 und dann noch weiter unter den oberen Rand der Fluidstrom-Austrittsöffnung 17 des Fluid-Aufnahmebehälters 4 absinkt, liegt die Grenze zwischen der Gasphase 22 und der Flüssigphase 21 des Fluids zunächst im Bereich der Fluidstrom-Austrittsöffnung 17 des Fluid-Aufnahmebehälters 4. In diesem Fall tritt ein Gemisch aus Gas und Flüssigkeit aus dem Fluid-Aufnahmebehälter 4 aus und in die Kühleinrichtung 5 ein.
Fällt der Flüssigkeitspegel soweit, dass der Fluidstrom-Austritt 17 vollständig im Gasphasenbereich 22 des Fluid-Aufnahmebehälters 4 liegt, tritt ausschließlich gasförmiges BOG aus.
Da der Aktor bzw. das Ventil 6 in der Fluidstrom-Austrittsleitung 7 stromabwärts der Kühleinrichtung 5 geschlossen ist, staut sich das Fluid zurück, wodurch der Flüssigkeitspegel in dem Fluid-Aufnahmebehälter 4 wieder steigt. Denn der aus dem Kondensator 3 austretende und in den Fluid-Aufnahmebehälter 4 eintretende teilkondensierte BOG-Strom 9a enthält zwar einen erhöhten Gasphasenanteil, aber auch immer noch einen Flüssigphasenanteil.
Wie bereits oben erwähnt, steigt einerseits der Enddruck bei einem steigenden Anteil an nicht kondensierten Bestandteilen im BOG und steigt andererseits der Flüssigkeitspegel im Fluid-Aufnahmebehälter 4, sodass mit der Zeit wieder mindestens einer der beiden oben unter A)a) und A)b) beschriebenen Zustände erreicht und der Aktor bzw. das Ventil 6 wieder geöffnet wird.
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit externer Kühleinrichtung 5 dargestellt. Die Kühleinrichtung 5 weist einen Wärmetauscher 29 auf, der einen Eintritt 30 und einen Austritt 31 für Kühlmittel 32 sowie einen Eintritt 33 und einen Austritt 34 für den Fluidstrom 9a bzw. 9b aufweist.
Der Wärmetauscher 29 ist Teil eines externen Kühlmittelkreislaufes.
Der Fluidstrom-Eintritt 33 des Wärmetauschers 29 steht mit dem Fluidstrom-Austritt 17 des Fluid-Aufnahmebehälters 4 in Strömungsverbindung 20, und der Fluidstrom-Austritt 34 des Wärmetauschers 29 ist an die Fluidstrom-Austrittsleitung 7 der Kühleinrichtung angeschlossen.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 wird als Kühlmittel 32 rückverflüssigtes BOG eingesetzt.
Auch hier weist die Kühleinrichtung 5 einen Wärmetauscher 29 auf, der einen Eintritt 30 und einen Austritt 31 für Kühlmittel 32 sowie einen Eintritt 33 und einen Austritt 34 für den Fluidstrom 9a bzw. 9b aufweist. Der Wärmetauscher 29 ist Teil eines Kühlmittelkreislaufs 35.
We im in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel steht der Fluidstrom-Eintritt 33 des Wärmetauschers 29 mit dem Fluidstrom-Austritt 17 des Fluid-Aufnahmebehälters 4 in Strömungsverbindung 20, und ist der Fluidstrom-Austritt 34 des Wärmetauschers 29 an die Fluidstrom-Austrittsleitung 7 der Kühleinrichtung angeschlossen. Der Fluid-Aufnahmebehälter 4 weist in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel zusätzlich einen Bodenauslass 36 auf, der somit einen zweiten Austritt des Fluid- Aufnahmebehälters 4 bildet, und zwar ausschließlich für rückverflüssigtes BOG, also ausschließlich für einen Flüssigkeitsstrom.
Der Bodenauslass 36 ist über eine Speiseleitung 37 mit dem Kühlmitteleintritt 38 eines Kühlmittelspeichers 39 verbunden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist dieser Kühlmitteleintritt 38 im Boden des Kühlmittelspeichers 39 angeordnet.
Das Kühlmittel 32, d. h. das hierfür verwendete rückverflüssigte BOG, verdampft im Kühlmittelkreislauf 35 teilweise wieder (insbesondere im Wärmetauscher 29), sodass das Kühlmittel 32 im unteren Bereich 40 des Kühlmittelspeichers 39 in der Flüssigphase und in dessen oberen Bereich 41 in der Gasphase vorhanden ist.
Im Flüssigphasenbereich 40 weist der Kühlmittelspeicher 39 einen Kühlmittelaustritt 42 auf, der oberhalb des Kühlmitteleintritts 30 des Wärmetauschers 29 liegt und mit diesem in Strömungs-verbindung 43 steht. Im Kühlmittelspeicher 39 ist ein Kühlmittel-Niveausensor 44 angeordnet zur Messung des Füll-standes 45, d. h. des Pegels, der Flüssigphase des Kühlmittels 32.
In der Speiseleitung 37 ist ein Einspeiseventil 46 angeordnet. Die Messsignale des Kühlmittel-Niveausensors 44 werden an eine Ventilsteuereinrichtung 46a weitergeleitet, mit der das Einspeiseventil 46 in eine Offenstellung oder in eine Schließstellung bringbar ist, wobei in der Offenstellung rückverflüssigtes BOG als Kühlmittel 32 in den Kühlmittelspeicher 39 eingespeist wird. Der Füllstand 45 der Flüssigphase des Kühlmittels 32 im Kühlmittelspeicher 39 wird durch Öffnen und Schließen des Einspeiseventils 46 so geregelt, dass der Kühlmittelaustritt 42 des Kühlmittelspeichers 39 immer in dem Flüssigphasenbereich 40 liegt. So ist sichergestellt, dass dem Wärmetauscher 29 stets ausreichend flüssiges Kühlmittel 32 zugeführt wird.
Der Kühlmittelaustritt 31 des Wärmetauschers 29 steht mit der Speiseleitung 37 stromabwärts des Einspeiseventils 46 in Strömungsverbindung 47.Auf diese Weise wird ein Kühlmittelkreislauf 35 ausgebildet, in dem das flüssiges Kühlmittel 32 nacheinander den Kühlmittelspeicher 39 und den Wärmetauscher 29 durchströmt. Der Kühlmittelkreislauf 35 arbeitet wie eine Thermosiphon-kühlung. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 ist der Verdichter 2 zweistufig ausgebildet. Die 1 . Verdichtungsstufe 48 weist den Eintritt 8 für den zu verdichtenden BOG-Strom 9 auf und verdichtet den BOG-Strom 9 auf einen Zwischendruck, der niedriger ist als der Enddruck. Die zweite Verdichtungsstufe ist die End-Verdichtungsstufe 10 und verdichtet den zwischenverdichteten BOG-Strom auf den Enddruck und weist den Austritt 11 für den endverdichteten BOG-Strom auf.
Der Gasphasenbereich 41 des Kühlmittelspeichers 39 weist einen Austritt 49 auf, der mit dem BOG-Strom zwischen der 1 . Verdichtungsstufe 48 und der End-Verdichtungsstufe 10 in Strömungsverbindung 50 steht. Daher kann zum einen verdampftes Kühlmittel, d. h. gasförmiges BOG, aus dem Kühlmittelspeicher 39 in den BOG-Strom zwischen der 1. Verdichtungsstufe 48 und der End-Verdichtungsstufe 10 eingeleitet werden. Zum anderen herrscht der an der Einleitungsstelle 51 zwischen der 1 . Verdichtungsstufe 10 und der End- Verdichtungsstufe 10 herrschende Zwischendruck auch im Kühlmittelspeicher 39 und damit im gesamten Kühlmittelkreis-Iauf 35. Die Grenze zwischen Enddruck und Zwischendruck in der Speiseleitung 37 ist das Einspeiseventil 46.
Stromaufwärts des Einspeiseventils 46 steht der Fluidstrom 9a bzw. der endverdichtete BOG-Strom 9 unter dem Enddruck, d. h. maximal unter dem vorgegebenen Grenz- Enddruck.
Beim Eintritt des unter dem Enddruck bzw. Grenz-Enddruck stehenden Kühlmittels 32 durch das Einspeiseventil 46 in den Kühlmittelkreislauf 35 entspannt sich das Kühlmittel 32 somit auf den Zwischendruck und kühlt sich dabei entsprechend ab.
Aufgrund des hohen Drucks, unter dem bei Grenz-Enddruck der vom Fluid- Aufnahmebehälter 4 zum Wärmetauscher 29 strömende Fluidstrom 9a steht, und des vergleichsweise niedrigen Temperaturniveaus im Kühlmittelkreislauf 35 wird der Fluidstrom 9a auf eine Temperatur nahe der Sättigungstemperatur des Fluidstroms 9a bei Zwischendruck abgekühlt, sodass der Gasphasenanteil des Fluidstroms 9a in diesem Zustand kondensieren wird und durch das (bei Grenz-Enddruck) geöffnete Ventil 6 in der Fluidstrom-Austrittsleitung 7 weiterhin ausschließlich oder nahezu ausschließlich rückverflüssigtes BOG weitergeleitet wird, beispielsweise in einen Tank abgelassen wird. Sobald der Enddruck unter den Grenz-Enddruck sinkt, wird dieses Ventil 6 wieder geschlossen, bis der Soll-Flüssigkeitspegel 23 im Fluid-Aufnahmebehälter 4 wieder erreicht ist und das Ventil 6 wieder geöffnet wird. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Rückverflüssigung von BOG werden nachfolgend anhand des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels mit einem Zahlenbeispiel noch weiter veranschaulicht. In dem Zahlenbeispiel wird das BOG, das rückverflüssigt werden soll, aus einem Flüssiggastank für Propan ausgeleitet und ist der Kondensator 3 seewassergekühlt. Die nachfolgend angegebenen Flüssigkeits- und Gaszusammensetzungen sowie Druck- und Temperaturverhältnisse in den einzelnen Verfahrensschritten/Vorrichtungselementen basieren auf Flash-Berechnungen unter Verwendung von NIST(National Institute of Standards and Technology)-Daten: a) im Flüssiggastank, aus dem BOG zur Rückverflüssigung entnommen wird Flüssigkeit: Propan
Ethangehalt 5 % Mol BOG: Ethangehalt ca. 26 % Mol
Druck: 1 bar a b) im zweistufigen Verdichter 2
BOG-Strom: Ethangehalt ca. 26 % Mol Zwischendruck: 5 bar a
Enddruck: 21 bar a Für den aus dem Verdichter 2 austretenden endverdichteten BOG-Strom 9 liegt bei einem Ethangehalt von ca. 26 % Mol und bei einem Druck von 21 bar a die Temperatur für eine vollständige Kondensation bei ca. 25 °C. c) im Kondensator 3 auf der Kühlmittelseite:
Seewasser 28 mit Wassertemperatur von 32 °C, resultiert auf Grund von Wärmeeintrag im Kondensator 3 in einer Kondensationstemperatur von ca. 40 °C Der BOG-Strom 9 wird daher nur teilkondensiert. auf der Gas-/Kondensatseite:
Druck (Enddruck): 21 bar a eintretender BOG-Strom 9: Ethangehalt ca. 26 % Mol austretender teilkondensierter Fluidstrom 9a:
(großer, ca. 97 % Mol BOG) Flüssigkeitsanteil (Kondensat):
Ethangehalt ca. 25 % Mol (kleiner, ca. 3% Mol BOG) nicht kondensierter Gasanteil:
Ethangehalt ca. 45 % Mol d) im Fluid-Aufnahmebehälter 4
Flüssigkeitsanteil (Kondensat): Ethangehalt ca. 25 % Mol Gasanteil: Ethangehalt ca. 45 % Mol
Druck (Enddruck): 21 bar a e) in der Kühleinrichtung 5 auf der Kühlmittelseite: in der Speiseleitung 37 stromaufwärts des Einspeiseventils 46 Kondensat: Ethangehalt ca. 25 % Mol
Druck (Enddruck): 21 bar a in der Speiseleitung 37 stromabwärts des Einspeiseventils 46, d. h. im Kühlmittelkreislauf 35
Druck (Zwischendruck): 5 bar a (Entspannung von End- auf Zwischendruck)
Kondensat: Temperatur von ca. -6,5 °C
Ethangehalt von ca. 8% Mol
(Die Werte für die Temperatur und den Ethangehalt stellen sich ein, weil ein Teil des Ethans wegen der Druckentspannung verdampft und somit der Propananteil im Kondensat steigt.) auf der Fluidseite: im Gasanteil: Ethangehalt von ca. 45 % Mol Druck (Enddruck): 21 bar a (Gasanteil wird vollständig verflüssigt)
Bei einem Ethangehalt von ca. 45 % Mol im Gasanteil auf der Fluidseite und einer Temperatur von ca. -6,5 °C auf der Kühlmittelseite liegt der Sättigungsdruck für den Gasanteil auf der Fluid-seite bei ca. 10 bar a. Da auf der Fluidseite der Enddruck von 21 bar a herrscht, wird somit der Gasanteil im Fluid vollständig verflüssigt.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Rückverflüssigung von BOG, das leichtflüchtige Anteile enthält, mit den folgenden Schritten: a) Verdichten eines BOG-Stroms (9), wobei der BOG-Strom (9) aus einer End- Verdichtungsstufe (10) als endverdichteter BOG-Strom (9) mit einem Enddruck austritt; b) Kondensieren des endverdichteten BOG-Stroms (9), um einen zumindest teilkondensierten endverdichteten Fluidstrom (9a) zu erhalten; c) Bereitstellen eines Fluid-Aufnahmebehälters (4), der einen Fluidstrom-Eintritt (15) und einen Fluidstrom-Austritt (17) aufweist, wobei die Lage des Fluidstrom-Austritts (17) so gewählt ist, dass er oberhalb eines vorgegebenen Fluid-Aufnahmevolumens (18) liegt; d) Einleiten des Fluidstroms (9a) aus Schritt b) durch den Fluidstrom-Eintritt (15) in den Fluid-Aufnahmebehälter (4); e) Festlegen eines Soll-Flüssigkeitspegels (23) für den Fluid-Aufnahmebehälter (4) in der Weise, dass der Soll-Flüssigkeitspegel (23) in Höhe des oberen Randes des Fluidstrom-Austritts (17) oder um ein vorgegebenes Maß darüber liegt; f) Festlegen eines oberen Grenz-Enddrucks für die End-Verdichtungsstufe (10); g) Messen des Flüssigkeitspegels in dem Fluid-Aufnahmebehälter (4); h) Messen des Enddrucks; i) Ausleiten eines Fluidstroms (9a) aus dem Fluid-Aufnahmebehälter (4) durch den Fluidstrom-Austritt (17); j) Kühlen des Fluidstroms (9a) aus Schritt i) auf eine Temperatur, die der Sättigungstemperatur des Fluidstroms (9a) bei einem Druck entspricht, der geringer ist als der Enddruck, um gasförmige Anteile des Fluidstroms (9a) zu kondensieren; k) Weiterleiten des gekühlten Fluidstroms (9b), wenn der gemessene Flüssigkeitspegel mindestens gleich dem Soll-Flüssigkeitspegel (23) ist und/oder wenn der gemessene Enddruck gleich dem Grenz-Enddruck ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt j) folgende Schritte aufweist; j1) Bereitstellen eines Kühlmittelkreislaufs (35), in dem ein Kühlmittel (32) einen Wärmetauscher (29) durchströmt; j2) Einleiten des Fluidstroms (9a) aus Schritt i) in den Wärmetauscher (29); und dass Schritt k) das Ausleiten des gekühlten Fluidstroms (9b) aus dem Wärmetauscher (29) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt j1) das Bereitstellen eines Kühlmittelkreislaufs (35) umfasst, in dem ein flüssiges Kühlmittel (32) den Wärmetauscher (29) durchströmt; und dass der Schritt j1) ferner das Speichern des Kühlmittels (32) in einem Kühlmittelspeicher (39) umfasst, wobei das Kühlmittel (32) im unteren Bereich (40) des Kühlmittelspeichers (39) in seiner Flüssigphase und im oberen Bereich (41) in seiner Gasphase ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt j1) das Speichern des Kühlmittels (32) in einem Kühlmittelspeicher (39) umfasst, der von dem Wärmetauscher (29) baulich getrennt ist.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt j1) das Integrieren des Kühlmittelspeichers (39) in den Wärmetauscher (29) umfasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt a) der BOG-Strom (9) in mindestens zwei Verdichtungsstufen (48, 10) verdichtet wird; und dass der Schritt j1) ferner folgende Schritte aufweist: j1.1) Einspeisen eines Flüssigkeitsstroms aus dem Fluid-Aufnahmebehälter (4) als
Kühlmittel (32) in den Kühlmittelkreislauf (35) mittels einer Speiseleitung (37); j1 .2) Anordnen eines Einspeiseventils (46) in der Speiseleitung (37) und Öffnen des Einspeiseventils (46) zum Einspeisen und ansonsten Geschlossenhalten des Einspeiseventils (46); j1 .3) Herstellen einer Strömungsverbindung (50) zwischen dem Gasphasenbereich (41) des Kühlmittelspeichers (39) und dem BOG-Strom (9) zwischen der 1 . Verdichtungsstufe (48) und der End-Verdichtungsstufe (10), um verdampftes Kühlmittel in diesen BOG-Strom (9) einzuleiten und um in dem Kühlmittelkreislauf (35) einen Druck einzustellen, der dem an der Einleitungsstelle (51) vorhandenen Zwischendruck entspricht und somit geringer ist als der Enddruck.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt j1.1) der Flüssigkeitsstrom am Boden des Fluid-Aufnahmebehälters (4) aus diesem entnommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 4 oder nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (42) des flüssigen Kühlmittels (32) aus dem Kühlmittelspeicher (39) oberhalb des Eintritts (30) des Kühlmittels (32) in den Wärmetauscher (29) gelegt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt j) als Kühlung eine Thermosiphonkühlung eingesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) mittels Seewasser (28) kondensiert wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit
- einem Verdichter (2),
- der einen Eintritt (8) für einen BOG-Strom (9) aufweist und
- dessen End-Verdichtungsstufe (10) den BOG-Strom (9) auf einen Enddruck endverdichtet und einen BOG-Strom-Austritt (11) für den endverdichteten BOG-Strom (9) aufweist,
- einem Kondensator (3),
- der einen BOG-Strom-Eintritt (12) aufweist, der mit dem BOG-Strom-Austritt (11) der End-Verdichtungsstufe (10) in Strömungsverbindung (13) steht, und - der dazu eingerichtet ist, den endverdichteten BOG-Strom (9) zumindest teilzukondensieren zu einem Fluidstrom (9a) und
- der einen Fluidstrom-Austritt (14) aufweist;
- einem Fluid-Aufnahmebehälter (4), der aufweist
- einen Fluidstrom-Eintritt (15), der mit dem Fluidstrom-Austritt (14) des Kondensators (3) in Strömungsverbindung (16) steht,
- einen Fluidstrom-Austritt (17), der oberhalb eines vorgegebenen Fluid- Aufnahmevolumens (18) liegt;
- einen Niveausensor (24) zum Messen des Flüssigkeitspegels in dem Fluid- Aufnahmebehälter (4), - einem Drucksensor (27) zum Messen des Enddrucks;
- einer Kühleinrichtung (5), die
- einen Fluidstrom-Eintritt (19) aufweist, der mit dem Fluidstrom-Austritt (17) des Fluid-Aufnahmebehälters (4) in Strömungsverbindung (20) steht, und
- einen Fluidstrom-Austritt (25) für den gekühlten Fluidstrom (9b) aufweist, und - dazu eingerichtet ist, den Fluidstrom (9a) auf eine Temperatur zu kühlen, die der
Sättigungstemperatur des Fluidstroms (9a) bei einem Druck entspricht, der geringer ist als der Enddruck, um gasförmige Anteile des Fluidstroms (9a) zu kondensieren; - einem Aktor (6), der
- mit dem Fluidstrom-Austritt (25) der Kühleinrichtung (5) in Strömungsverbindung (26) steht und
- in eine Offenstellung bringbar ist, wenn der gemessene Flüssigkeitspegel mindestens gleich dem Soll-Flüssigkeitspegel (23) ist und/oder wenn der gemessene
Enddruck gleich einem vorgegebenen Grenz-Enddruck ist, um den gekühlten Fluidstrom (9b) weiterzuleiten, und
- ansonsten in eine Schließstellung bringbar ist, in der er den gekühlten Fluidstrom (9b) unterbricht.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor ein Ventil (6) ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) einen Kühlmittelkreislauf (35) aufweist, in dem ein Kühlmittel (32) einen
Wärmetauscher (29) durchströmt, wobei der Wärmetauscher (29) einen Fluidstrom-Eintritt (33) aufweist, der mit dem Fluidstrom-Austritt (17) des Fluid-Aufnahmebehälters (4) in Strömungsverbindung (20) steht, und einen Fluidstrom-Austritt (34) aufweist, der den Fluidstrom-Austritt (25) der Kühleinrichtung (5) ausbildet.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das den Wärmetauscher (29) durchströmende Kühlmittel (32) flüssig ist und der Kühlmittelkreislauf (35) einen Kühlmittel-speicher (39) aufweist, wobei das Kühlmittel (32) im unteren Bereich (40) des Kühlmittelspeichers (39) in seiner Flüssigphase und im oberen Bereich (41) in seiner Gasphase ist;
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kühlmittelspeicher (39) und der Wärmetauscher (29) baulich voneinander getrennt sind.
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der
Kühlmittelspeicher (39) in den Wärmetauscher (29) integriert ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (2) ein mindestens zweistufiger Verdichter ist, wobei die 1. Verdichtungsstufe (48) den Eintritt (8) für einen BOG-Strom (9) aufweist, und dass die Kühleinrichtung (5) ferner aufweist - eine Speiseleitung (37), die einen Eintritt des Kühlmittelkreislaufs (35) für das flüssige Kühlmittel (32) mit einem Austritt (36) des Fluid-Aufnahmebehälters (4) für einen Flüssigkeitsstrom verbindet;
- ein Einspeiseventil (46), das in der Speiseleitung (37) angeordnet ist und zum Einspeisen des Flüssigkeitsstroms in eine Offenstellung bringbar ist und ansonsten in eine
Schließstellung bringbar ist;
- eine Leitung (50) zum Herstellen einer Strömungsverbindung zwischen dem Gasphasenbereich (41) des Kühlmittelspeichers (39) und dem BOG-Strom (9) zwischen der 1. Verdichtungsstufe (48) und der End-Verdichtungsstufe (10), um verdampftes Kühlmittel in diesen BOG-Strom (9) einzuleiten und um in dem Kühlmittelkreislauf (35) einen Druck einzustellen, der dem an der Einleitungsstelle (51) vorhandenen Zwischendruck entspricht und somit geringer ist als der Enddruck.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (36) des Fluid-Aufnahmebehälters (4) für einen Flüssigkeitsstrom (32) im Boden des Fluid-
Aufnahmebehälters (4) ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder nach Anspruch 15 und einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Austritt (42) des flüssigen Kühlmittels (32) aus dem Kühlmittelspeicher (39) oberhalb des Eintritts (30) des Kühlmittels (32) in den Wärmetauscher (29) liegt.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) eine Thermosiphonkühlung ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel des Kondensators (3) Seewasser (28) ist.
22. Schiff mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21 .
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