Moll, Anton (Quellenweg 4, Raisting, 82399, DE)
Segatz, Jan (Benediktstrasse 24, Hohenschäftlarn, 82069, DE)
Eichelmann, Robert (Fürstenfeldbrucker Strasse 16, Olching, 82140, DE)
Moll, Anton (Quellenweg 4, Raisting, 82399, DE)
Segatz, Jan (Benediktstrasse 24, Hohenschäftlarn, 82069, DE)
| 1. | Verfahren zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene Flüssigkeit und Wasser auf eine Packung (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f ) aufgebracht werden und die kryogene Flüssigkeit in direktem Wärmeaustausch mit dem Wasser verdampft wird. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene Flüssigkeit und das Wasser im Gleichstrom durch die Packung (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f ) geführt werden. |
| 3. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kryogene Flüssigkeit auf eine geordnete Packung (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f ) aufgebracht wird. |
| 4. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser vor dem Wärmeaustausch mit der kryogenen Flüssigkeit eine Temperatur zwischen 20 und 60 0C, vorzugsweise zwischen 30 und 45 0C, aufweist. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Ströme von Wasser zu kryogener Flüssigkeit zwischen 3 und 6 Liter/h Wasser pro Nm3/h kryogener Flüssigkeit beträgt. |
| 6. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff, flüssiges Argon oder ein Gemisch derselben verdampft wird. |
| 7. | Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strom von 1000 bis 50000 Nm3/h kryogener Flüssigkeit verdampft wird. |
| 8. | Vorrichtung zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behälter (1) mit einer Packung (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f), mit einer Zuführung (9) für die kryogene Flüssigkeit, mit einem Verteiler (8) zum Verteilen der kryogenen Flüssigkeit auf die Packung (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f ) sowie mit einer Zuführung (5) für Wasser und einem Verteiler (4) zum Verteilen des Wassers auf die Packung (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f ) vorgesehen ist. |
| 9. | Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verteiler (8) für die kryogene Flüssigkeit oberhalb des Verteilers (4) für das Wassers angeordnet ist. |
| 10. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (1) unterschiedliche Packungstypen vorgesehen sind. |
| 11. | Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Behälter (1 ) mindestens eine geordnete Packung (2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f ) vorgesehen ist. |
Verfahren und Vorrichtung zum Verdampfen einer krvogenen Flüssigkeit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verdampfen einer kryogenen Flüssigkeit
In Tieftemperaturluftzerlegungsanlagen ist es manchmal notwendig, größere Mengen von kryogener Flüssigkeit zu verdampfen. Die zu verdampfende kryogene Flüssigkeit kann beispielsweise im Zusammenhang mit dem Entleeren einer Rektifikationskolonne auftreten. Auch bei kleineren Betriebsstörungen, bei denen kurzzeitig kryogenes Produkt mit unzureichender Reinheit erzeugt wird, welches nicht mit dem „reinen" Produkt zusammengeführt werden soll, können solche zu entsorgenden Flüssigkeitsmengen anfallen.
Bisher wird die zu verdampfende kryogene Flüssigkeit in der Regel mittels eines Dampf- oder Luftejektors entsorgt. Hierbei wird die tiefkalte Flüssigkeit in einen
Wasserdampf- oder Luftstrom eingedüst und in direktem Wärmeaustausch mit dem Dampf oder der Luft verdampft. Luftejektoren sind jedoch hinsichtlich ihrer ■ Verdampfungsleistung begrenzt. Bei größeren Durchsatzleistungen werden daher Dampfejektoren verwendet, die aber den Nachteil haben, dass starke Schall- und Nebel- bzw. Eisemissionen verursacht werden. Zudem ist nicht an allen
Anlagenstandorten ausreichend Dampf zum Betreiben der Dampfejektoren vorhanden.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, eine alternative Möglichkeit zum Verdampfen kryogener Flüssigkeiten aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, bei dem die kryogene Flüssigkeit und Wasser auf eine Packung aufgebracht werden und die kryogene Flüssigkeit in direktem Wärmeaustausch mit dem Wasser verdampft wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Behälter mit einer Packung, mit einer Zuführung für die kryogene Flüssigkeit, mit einem Verteiler zum Verteilen der kryogenen Flüssigkeit auf die Packung sowie mit einer Zuführung für
Wasser und einem Verteiler zum Verteilen des Wassers auf die Packung vorgesehen ist.
!m Rahmen der Erfindung hat es sich gezeigt, dass es grundsätzlich möglich ist, auch größere Mengen einer kryόgenen Flüssigkeit in direktem Wärmeaustausch mit Wasser zu verdampfen. Die für einen ausreichenden Wärmeübertrag auf die kryogene Flüssigkeit notwendige Kontaktfläche wird durch das Vorsehen einer Packung, wie sie beispielsweise auch in Rektifikationskolonnen eingesetzt wird, bereit gestellt.
Bei Packungen unterscheidet man zwischen ungeordneten und geordneten
Packungen. Unter ungeordneten Packungen, auch als Füllkörper bezeichnet, versteht man Elemente, die verschiedenartigst geformt sein können und die in einen Behälter eingefüllt werden, durch den dann die miteinander in Kontakt zu bringenden Ströme geführt werden.
Geordnete Packungen weisen, wie der Name schon sagt, eine geordnete, regelmäßige Struktur auf. In der Regel besteht eine geordnete Packung aus mehreren parallel zueinander angeordneten Blechen oder Lamellen, die häufig mit einer Wellung oder Prägung versehen sind.
Zur erfindungsgemäßen Verdampfung kryogener Flüssigkeiten sind beide Packungstypen geeignet, insbesondere haben sich aber geordnete Packungen bewährt. Bevorzugt werden Packungen eingesetzt, die mehrere parallel zueinander angeordnete, gewellte Bleche aufweisen, die so angeordnet sind, dass sich die durch die Wellung hervorgerufenen Kanäle benachbarter Bleche kreuzen, so dass sich eine Kreuzkanalstruktur ausbildet.
Die kryogene Flüssigkeit und das Wasser werden auf die Packung aufgebracht und treten in direkten Wärmeaustausch. Dabei wird die kryogene Flüssigkeit verdampft und es entsteht ein mit Wasser in Form von Aerosolen beladener Dampfstrom, der aus der Packung abgezogen und entsorgt oder anderweitig verwendet wird. Ein großer Vorteil der Erfindung ist es, dass diese Verdampfung ohne nennenswerte Schallemissionen erfolgt.
Bevorzugt werden das Wasser und die zu verdampfende kryogehe Flüssigkeit im Gleichstrom durch die Packung geführt. Von Vorteil werden die kryogene Flüssigkeit und das Wasser oberhalb der Packung über geeignete Leitungen zugeführt und mittels Verteilern gleichmäßig auf der Packung verteilt, um die große Oberfläche der Packung möglichst vollständig ausnutzen zu können.
Die Verteilung des Wassers und der kryogenen Flüssigkeit erfolgt vorzugsweise mittels Rohrverteilem. Es hat sich herausgestellt, dass es besonders günstig ist, wenn die Einspeisung der kryogenen Flüssigkeit oberhalb der Wassereinspeisung erfolgt, das heißt, wenn der Verteiler für die kryogene Flüssigkeit oberhalb des Verteilers für das Wasser angeordnet ist. Der Verteiler für die kryogene Flüssigkeit wird dann nämlich zum einen von dem über den Wasserverteiler eingesprühten Wasser nicht benetzt und zum anderen besitzt er eine genügend große Entfernung von der Packung, so dass die Gefahr, dass Wasserspritzer von der Packung zu den Verteileröffnungen gelangen könnten und diese vereisen, minimiert wird.
Es ist aber auch möglich, die beiden Verteiler auf der gleichen Höhe anzubringen. Diese Variante ist hinsichtlich des Platzbedarfs am vorteilhaftesten. Allerdings sollten bei dieser Anordnung die Halterungen für den Wasserverteiler und die für den Verteiler für die kryogene Flüssigkeit gegeneinander thermisch isoliert werden, um Kältebrücken zu vermeiden, die ebenfalls zu Vereisungen führen könnten. '
Die mit der Erfindung durchgeführten Versuche haben gezeigt, dass Befürchtungen, die Austrittsöffnungen des Verteilers für die kryogene Flüssigkeit könnten vereisen und den Strom an kryogener Flüssigkeit beeinflussen, unbegründet sind. Es wird vermutet, dass sich oberhalb des Wasserverteilers ein Gaspolster verdampfter kryogener Flüssigkeit ausbildet, welches gemeinsam mit der nach unten gerichteten Wasserströmung dafür sorgt, dass während der weiteren Verdampfung in der Packung kein Wasser in diesen Bereich nachströmt. Eine Vereisung der Packung oder des Wasserverteilers ist ebenfalls nicht zu beobachten.
Eine besonders effiziente Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit erreicht man, wenn das Wasser und die kryogene Flüssigkeit möglichst homogen über die gesamte Packungsoberfläche verteilt sind. Vorzugsweise werden daher übereinander mehrere Lagen einer geordneten Packung vorgesehen. Die einzelnen Lagen sind dabei
bevorzugt jeweils gegeneinander um 90° gedreht angeordnet, um Maldistributionen innerhalb der Packung zu verhindern bzw. niedrig zu halten. Bevorzugt werden 2 bis 8 Packungslagen, besonders bevorzugt 3 bis 5 Packungslagen vorgesehen.
Bei einer Gleichstromführung von Wasser und kryogener Flüssigkeit und einer
Zuführung der Ströme von oben kommen die obersten Bereiche der Packung zuerst mit der kryogenen Flüssigkeit und dem Wasser in Berührung. In diesen oberen Bereichen findet eine starke Volumenvergrößerung durch die Verdampfung der kryogenen Flüssigkeit statt. In den weiter unten liegenden Teilen der Packung ist die kryogene Flüssigkeit dagegen bereits verdampft und es erfolgt nur noch die Anwärmung des entstandenen Gases.
Es ist daher von Vorteil, wenn die Packung aus mehreren unterschiedlichen, übereinander angeordneten Packungslagen besteht.
Es ist weiter von Vorteil, eine Packung aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit zu verwenden, beispielsweise eine Kupferpackung einzusetzen, um einen höheren Wärmeübertrag auf die kryogene Flüssigkeit zu erzielen und eine schnellere Verdampfung zu erreichen.
Ferner ist es vorteilhaft, im oberen Bereich Packungen aus einem dickeren Material zu verwenden, um so eine höhere Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Es hat sich gezeigt, dass die mit der größeren Materialdicke einhergehende geringere freie Querschnittsfläche in der Praxis kein Problem darstellt, da das durch die Verdampfung entstehende Gasvolumen von oben nach unten zunimmt und der Gasvolumenstrom daher im oberen Bereich noch nicht so groß ist.
Aus diesem Grund ist es auch möglich, im oberen Bereich eine Packung mit einer größeren Packungsdichte, d.h. eine größeren Oberfläche pro Volumen, einzusetzen als weiter unten.
Bevorzugt wird Wasser mit einer Temperatur zwischen 20 und 60 0 C, besonders bevorzugt mit einer Temperatur zwischen 30 und 45 0 C, als Wärmeträger eingesetzt.
Das Verhältnis der Flüssigkeitsströme von Wasser zu kryogener Flüssigkeit beträgt vorzugsweise zwischen 3 und 6 I/Nm 3 , das heißt zur Verdampfung von 1 Nm 3 kryogener Flüssigkeit werden vorzugsweise 3 bis 6 Liter Wasser eingesetzt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beliebig große Ströme an kryogener Flüssigkeit verdampft werden. Bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Verdampfung von 1000 Nm 3 /h bis 50000 Nm 3 /h kryogener Flüssigkeit.
Es hat sich gezeigt, dass zur Verdampfung von 1 Nm 3 kryogener Flüssigkeit pro Stunde ein Packungsvolumen zwischen 0,05 m 3 und 0,5 m 3 ausreichend ist. Das benötigte Packungsvolumen hängt unter anderem auch von der spezifischen Oberfläche der Packung, das heißt, von deren Oberfläche bezogen auf deren Volumen, ab. Bevorzugt werden Packungen mit einer spezifischen Oberfläche bzw. Packungsdichte zwischen 300 m 2 /m 3 und 750 m 2 /m 3 , besonders bevorzugt zwischen 500 m 2 /m 3 und 700 m 2 /m 3 verwendet.
Die Erfindung eignet sich insbesondere zum Verdampfen von kryogenen Flüssigkeiten, die beim Betrieb von Tieftemperaturluftzerlegungsanlagen anfallen, bevorzugt zur Verdampfung von flüssigem Stickstoff, flüssigem Sauerstoff, flüssigem Argon oder einem Gemisch derselben.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von dem in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Verdampfung einer kryogenen Flüssigkeit,
Figur 2 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung senkrecht zu der Darstellung gemäß Figur 1 und
Figur 3 eine Draufsicht auf den Verteiler für die kryogene Flüssigkeit.
Die in den Figuren dargestellte Vorrichtung eignet sich zur Verdampfung kryogener Flüssigkeit, wobei im Folgenden der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
deren Funktionsweise beispielhaft anhand der Verdampfung flüssigen Stickstoffs aus einer Tieftemperaturluftzerlegungsanlage erläutert werden soll.
Die erfind ungsgernäße Vorrichtung weist, wie in den Figuren 1 und 2 zu sehen ist, einen Behälter 1 auf. In dem Behälter 1 sind übereinander sechs Lagen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f einer geordneten Packung angeordnet. Die Packungslagen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f werden von einem Gitterrost 3 getragen.
Die einzelnen Packungslagen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f bestehen jeweils aus einer Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Packungsblechen, die jeweils mit einer schräg zu den Blechkanten verlaufenden Wellung versehen sind, wobei sich die Wellungen benachbarter Bleche kreuzen. Benachbarte Packungslagen sind jeweils so positioniert, dass deren Bleche um 90° gedreht zueinander angeordnet sind.
Oberhalb der obersten Packungslage 2a befindet sich ein Rohrverteiler 4 zur gleichmäßigen Verteilung von Wasser über die Packungslage 2a. Der Rohrverteiler 4 besitzt eine Wasserzuführung 5, von der mehrere L-förmige Verteilarme 6 abzweigen, deren waagrechte Schenkel parallel zueinander angeordnet und mit Austrittsöffnungen 7 versehen sind. Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Ausführung besitzt vier Verteilarme 6 mit jeweils vier Austrittsöffnungen 7, so dass sich insgesamt 16 gleichmäßig über den Querschnitt des Behälters 1 verteilte Wasserasutrittspunkte ergeben.
Oberhalb der Verteilarme 6 des Wasserverteilers 4 befindet sich ein weiterer Verteiler 8 für den zu verdampfenden flüssigen Stickstoff. Figur 3 zeigt eine Draufsicht auf den Verteiler 8. Der Verteiler 8, der ebenfalls als Rohrverteiler ausgeführt ist, besitzt eine zentrale, senkrechte Zufuhrleitung 9, die in einen Hauptkanal 10 mündet. Von dem Hauptkanal 10 zweigen drei Verteilarme 11 ab, die jeweils Austrittsöffnungen 12 besitzen.
Unterhalb des Gitterrostes 3 befindet sich ein Gasabzugsrohr 13. Das Gasabzugsrohr 13 ragt waagrecht in den freien Raum unterhalb des Gitterrostes 3 und ist an seiner Unterseite mit einer Öffnung 14 versehen. Durch diese geometrische Formgebung wird verhindert, dass von oben herabrieselnde Flüssigkeit in das Gasabzugsrohr 13 gelangt.
Am Boden des Behälters 1 ist schließlich eine Austrittsöffnung 15 für Wasser vorgesehen.
Der zu verdampfende tiefkalte flüssige Stickstoff wird über die Leitung 9 dem Verteiler 8 zugeführt und gleichmäßig über den Querschnitt des Behälters 1 verteilt. Als Wärmeträger wird unterhalb des Stickstoffverteilers 8 warmes Wasser mit einer Temperatur von 35 bis 40 °C über den Wasserverteiler 4 zugeführt.
Der flüssige Stickstoff und das Wasser treffen auf die oberste Packungslage 2a und treten in direkten Wärmeaustausch. Hierbei verdampft der flüssige Stickstoff. Das Stickstoffgas wird mit dem Wasser über die einzelnen Packungslagen 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f nach unten mitgerissen und dabei erwärmt.
Das entstandene Stickstoffgas wird über das Gasabzugsrohr 13 aus dem Behälter 1, abgezogen und an die Umgebung abgeblasen oder einer anderweitigen Verwendung zugeführt.
Versuche mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung haben gezeigt, dass die Packung eine optimale Wärmeübertragung von dem Wasser auf den Stickstoff, beziehungsweise allgemein auf das kryogene Fluid, gewährleistet. Bereits bei nur vier übereinander angeordneten Packungslagen zeigt sich, dass das austretende Wasser und das durch die Verdampfung des kryogenen Fluids entstandene Gas nahezu dieselbe Temperatur aufweisen, das heißt, dass ein maximaler Wärmeaustausch erzielt wird.
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