DE2351475A1

DE2351475A1 - Verfahren zum vereinigen eines stromes eines fluessigen cryogenen mediums mit einem gasstrom

Info

Publication number: DE2351475A1
Application number: DE19732351475
Authority: DE
Inventors: Edwin M Arenson
Original assignee: Black Sivalls and Bryson Inc
Current assignee: Black Sivalls and Bryson Inc
Priority date: 1973-10-13
Filing date: 1973-10-13
Publication date: 1975-04-24
Also published as: DE2351475C2

Description

Pr. ret. iwt DIETER LOUt! Pp-PhysCLAUSPOÜ

Ung. FRANZ LOHRENT2

8500 NÜRNBERG 14.377 20/ei

KBSLaVLA₁₂1

Firma BLACK, SIVALLS & BRYSON, INC.,
Houston, Texas 77027 / USA

Verfahren zum Vereinigen eines Stromes eines flüssigen cryogenen Mediums mit einem Gasstrom

Cryogene Medien existieren in flüssigem Zustand nur bei sehr tiefen Temperaturen. In vielen Anwendungsfällen werden derartige Medien in flüssigem Zustand gespeichert und erst dann, wenn sie benötigt werden, verdampft und mit anderen Gasströmen vereinigt. So werden beispielsweise cryogene Flüssigkeiten sowie verflüssigtes Petrolgas (LPG) und flüssiges Erd- · gas (LMG) gewöhnlich in der Versorgung und der Verteilung mit bzw. von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfes eingesetzt. Solche als "Spitzenausgleich¹¹ bekannte Vorgänge treten in industriellen Gebieten auf, in denen Erdgas nicht

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lokal erzeugt wird, sondern mittels Pipelines von entfernt liegenden Produktionsfeldern herangeführt werden muss. Derartige Pipelines sind im allgemeinen für eine Erdgas-kapazltät ausgelegt, die unter der durch den Spitzenverbrauch bestimmten Kapazität am Verbraucherort liegt. Folglich übersteigt während derartiger Spitzenverbräuchsperioden, z.B. in längeren Kälteperioden, der Bedarf an Erdgas die Kapazität der Pipeline. Wenn dieser Zustand eintritt, wird der Speicher des LPG oder LMG verdampft, überhitzt und mit dem Erdgasstrom vereinigt, um das für den Verbrauch zur Verfügung stehende Gesamtgasvolumen zu erhöhen.

Ein derzeit von den Erdgaserzeuger- und -verteilergesell^- schäften angewendeter "Spitzenausgleich¹¹ sieht die Verwendung von LMG vor. Das Erdgas-Pipeline-System für die kontinuierliche Versorgung von Erdgas aus entfernt liegenden Produktionsfeldern zum Verbraucherort ist für eine Gaskapazität zwischen dem Minimalverbrauch in den Sommermonaten und dem Spitzenverbrauch in den Wintermonaten ausgelegt. Am Verbraucherort ist ein Kühlsystem installiert, in dem während der Sommermonate der Überschuss an durch die Pipeline herangeführtem Ergas gekühlt, verflüssigt und gespeichert wird. Während der Wintermonate wird das gespeicherte verflüssigte Erdgas wieder verdampft, überhitzt und mit dem durch die Pipeline zugeführten Erdgas vereinigt, so ν dass dem Spitzen-Erdgasbedarf Rechnung getragen werden kann·

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Bisher hat man verschiedene Arten von Heizeinrichtungen verwendet, um das LMG vor der Vereinigung mit dem durch die Pipeline herangeführten Gas vorzuerhitzen, zu verdampfen und zu überhitzen. Derartige Heizeinrichtungen erfordern gewöhnlich spezielle Konstruktionsmaterialien aufgrund der vorherrschenden niedrigen Temperaturen. So liegt beispielsweise LMG in flüssigem Zustand bei einer Temperatur von etwa - 173⁰C vor, so dass als Folge davon in den Teilen der Heizeinrichtung, die dem LMG ausgesetzt sind, rostfreie Stähle oder Aluminium verwendet werden müssen, um Schäden aufgrund auftretender Thermospannungen zu verhindern.

Die Erfindung schlägt deshalb ein Verfahren zum Vereinigen eines Stromes eines derartigen flüssigen cryogenen Mediums mit einem Gasstrom vor, das dadurch gekennzeichnet, ist dass der Gasstrom in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der Druck des ersten Teilstromes soweit erhöht wird, dass er durch einen Heizkreis geleitet und mit dem zweiten Teilstrom wieder zusammengeführt werden kann, und dass das flüssige cryogene Medium direkt in den erhitzten ersten Teilstrom innerhalb des Heizkreises eingespritzt und dadurch verdampft und mit dem Teilstrom vermischt wird, woraufhin das entste- ' hende Gemisch mit dem zweiten Teilstrom wieder zusammengeführt wird.

Würde der Verfahrens schritt der Druckerhöhung nicht vorge-

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nommen, so würde man den resultierenden vereinigten Gasstrom mit einem Druck erhalten, der unter dem Druckpegel des Gasstromes vor dessen Vereinigung mit dem cryogenen Medium lage. Dies bedeutet, dass ein Gesamtabfall des Druckes Im Gasstrom in Kauf zu nehmen wäre. Bei gewissen Anwendungsfällen ist aber ein Druckabfall im Gasstrom nachteilig, da zusätzliche Kompressorleistungen eingesetzt werden mussten, um den Druckabfall wieder auszugleichen, die sich in entsprechenden Kosten des Pipelinesystems niederschlagen.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus weiteren Unteransprüchen. Soweit auf Einzelheiten der Zeichnung in der Beschreibung nicht gesondert Bezug genommen wird, sei auf die Zeichnung selbst verwiesen. In den Zeichnungen zeigt:

Figur 1 ein Schaltbild einer Anlage zum Vereinigen eines cryogenen Mediums mit einem Gasstrom, in der das. erfindungsgemässe Verfahren verwirklicht wird;

Figur 2 ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform einer derartigen Anlage und

Figur 3 eine Seitenansicht, teilweise geschnitten, ·

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einer in den Anlagen gemäss Figuren 1 und verwendeten Kontakt- und Mischeinrichtung.

In Figur 1 ist schematisch eine Anlage 10 zum Verdampfen eines flüssigen cryogenen Mediums und dessen Vereinigung mit einem Gasstrom dargestellt. Die Anlage 10 umfasst im wesentlichen eine Leitung 12 zur Aufnahme und Zufuhr eines Gasstromes. Die Leitung 12 kann die Haupt-Pipeline sein, durch die ein Gasstrom einem Verteilersystem oder einem sonstigen Letztverbraucher zugeführt wird. Die Leitung 12 kann aber auch eine Hilfs-Pipeline sein, die an die Haupt-Pipeline angeschlossen ist und durch die der ganze Gasstrom oder ein Teilstrom davon in den Zeiten geführt wird, wenn ein Strom flüssigen cryogenen Mediums verdampft und.damit vereinigt werden soll.

An die Leitung 12 ist eine Leitung 14 angeschlossen, die zu einem gewöhnlichen Gaskompressor oder einem Gebläse 16 führt. Die Druckseite des Gaskompressors 16 steht über eine Leitung 13 mit einer Heizschlange 20 eines herkömmlichen Gaserhitzers 22 in Verbindung. Der Erhitzer 22 kann von jeder gewöhnlichen Bauart sein, ist jedoch vorzugsweise ein gasbefeuerter Erhitzer der Bauart, wie sie.in der kanadischen Patentschrift 633 902 beschrieben ist. An den Auslass , aus der Heizschlange 20 des Gaserhitzers 22 ist eine weitere Leitung 24 angeschlossen, die zu einer im Ganzen mit

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26 bezeichneten Kontakt- und Mischeinrichtung führt. Wie nachfolgend'in diesem Zusammenhang noch näher ausgeführt wird, ist diese Mischeinrichtung 26 so gestaltet, dass ein Strom des flüssigen cryogenen Mediums durch eine Leitung in sie eintreten kann und darin in innigen Kontakt mit einem erhitzten Gasstrom gelangt und damit vermischt wird, der in die Einrichtung 26 durch die Leitung 24 eintritt. Das entstehende Gemisch wird aus der Mischeinrichtung 26 über eine Leitung 30 am Auslass der Mischeinrichtung wieder abgezogen. Die Leitung 30 ist an die Leitung 12 stromabwärts von der abzweigenden Leitung 14 angeschlossen. Der Einfachheit halber wird der durch die Leitungen 14, 18, 24 und 30, durch den Kompressor 16, den Gaserhitzer 22 und die Mischeinrichtung 26 gebildete Schaltkreis als "Heizkreis¹¹ bezeichnet.

An einen herkömmlichen Speichertank 34 für cryogenes Medium ist eine Leitung 36 angeschlossen, die den Speichertank 34 mit einer Pumpe 38 für flüssiges cryogenes Medium verbindet. Hierfür dient Jede gewöhnliche Pumpe, die zur Förderung von Flüssigkeiten mit sehr tiefer Temperatur geeignet ist. Die Druckseite der Pumpe 38 ist an die Leitung 32 angeschlossen, die bekanntlich in die Mischeinrichtung 26 des Heizkreises führt.

Im Betrieb der Anlage 10 gemäss Figur 1 wird ein Gasstrom,

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mit dem verdampftes cryogenes Medium vereinigt werden soll, durch die Leitung 12 zugeführt. Ein Teil des Gasstromes fliesst in den Heizkreis der Anlage 10 durch dessen Zuleitung 14. Der Gaskompressor 16 kann Jeder herkömmliche Gaskompressor oder auch ein Gebläse sein, das ein bestimmtes Gasvolumen durch den Heizkreis der Anlage 10 fördern kann und gleichzeitig dessen Druck um einen bestimmten Wert anhebt. Der Gaskompressor 16 ist speziell so ausgelegt, dass der Druck des Gasstromes ausreichend erhöht wird, um ihn durch den Heizkreis der Anlage 10 strömen zu lassen. Nimmt man beispielsweise an, dass der Druckpegel des Gasstromes in der Leitung 12 etwa 35 atü beträgt und der Druckabfall eines bestimmten Gasvolumens, das den Heizkreis durchströmt₀ 0,7 at ausmacht, dann ist der Kompressor 16 so ausgelegt; dass er den Druck des Gasvolumens auf eines, Wert von etwa 35,7 atü anheben kann. Wesentlich ist somit, dass durch dea Kompressor 16 ein Teilstrom des in der Leitung 12 strömen** den Gases abgeleitet und durch den Heizkreis der Anlage geschickt wird, ohne dass im Gasstrom ein Druckabfall zu verzeichnen ist.

Der Speichertank 34 enthält ein Reservoir an verflüssigtem cryogenen Medium. Mn Strom dieses Mediums wird aus dem Tank 34 über die Leitung 36 zur Pumpe 28 gefördert und von deren Druckseite aus durch die Leitung 32 dem Einlass der Mischeinrichtung 26 für cryogenes Medium zugeführt. Die Me-

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diumpumpe 38 ist so ausgelegt, dass der Druckpegel des Stromes an verflüssigtem cryogenem Medium^ der in die Leitung 32 gelangt, auf einen Viert angehoben wird, der ein Einspritzen des Mediums durch den Einlass in die Mischeinrichtung 26 erlaubt. In der Leitung 32 ist ein herkömmliches Durchsatz-Steuergerät 40 angeordnet, das den Durchsatz an flüssigem cryogenen Medium zu der Mischeinrichtung 26 steuert und überwacht.

Der Teilstrom des Gases, der den Heizkreis der Anlage 10 durchläuft, wird durch den Erhitzer 22 um einen bestimmten Wert erhitzt. Im vorliegenden Falle wird dem Gasstrom eine Wärmemenge zugeführt, die gleich der Wärmemenge ist, welche zur Verdampfung des Stromes an flüssigem cryogenen Medium in die Mischeinrichtung 26 und zu dessen Überhitzung auf eine bestimmte Temperatur des Gesamtstromes notwendig ist. Der erhitzte Teilgasstrom durchströmt- die Leitung 24 und gelangt in die Mischeinrichtung 26, in der er in innigen Kontakt mit dem in diese eingespritzten verflüssig cryogenen Medium tritt. Innerhalb der Mischeinrichtung 26' wird durch den erhitzten Teilgasstrom an das verflüssigte cryogene Medium Wärme übertragen, durch das Medium verdampft wird und sich mit dem Teilgasstrom vermischt. Das Gemisch gelangt dann aus der Mischeinrichtung 26 in die Leitung 30. Durch diese wird es zur Leitung 12 weitergeleitet, in der es sich mit dem verbleibenden Teilstrom des ursprüng-

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lieh zugeführten Gasstromes vereinigt. Zur Steuerung der Temperatur und.des Brennstoffdurchsatzes durch ein entsprechendes Ventil ist ein Steuergerät 42 vorgesehen, das die Temperatur des die Leitung 30 durchströmenden Gasgemisches abtastet und.die Menge des durch eine Leitung 41 zuströmenden Brennstoffes, der dem oder den (nicht gezeigten) Brenner des Erhitzers 22 zugeführt wird, entsprechend einregelt. Dies bedeutet, dass zusätzlicher Brennstoff in den Brenner des Erhitzers 22 eintritt und dementsprechend dem die Heizschlange 20 durchströmenden Gasstrom eine grössere Wärmemenge übertragen wird, sobald die Temperatur des die Leitung 30 durchströmenden Gasgemisches unterhalb einer bestimmten vorgewählten Temperatur liegt. Im umgekehrten Fall wird eine geringere.Brennstroff menge zugeführt. Somit kann die Durchsatzmenge an verflüssigtem cryogenen Medium, das verdampft und mit dem Teilgasstrom vereinigt wird, je nach Wunsch erhöht oder erniedrigt werden, wobei das Temperatursteuergerät 42 automatisch die dem Teilgasstrom übertragene Wärmemenge proportional erhöht oder erniedrigt.

Es ist eine Leitung 28 vorgesehen, durch die das die Mischeinrichtung 26 verlassende Gemisch in zwei Teile aufgeteilt werden kann. Ein Teilstrom davon durchströmt die Leitung 30, während der andere Teilstrom über die Leitung 28 zur Leitung 14 zurückgeführt wird und auf diese Weise die von der Leitung 12 durch die Leitung 14 abgezweigte Gasmenge reduziert.

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Der jeweilige Durchsatz an Gas durch den Heizkreis der Anlage 10 hängt von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise von der Durchsatzmenge des zu verdampfenden flüssigen cryogenen Mediums, der erwünschten Auslasstemperatur des vereinigten Stromes und von der von der Anlage verlangten Wirtschaftlichkeit. Die optimalen Durchsätze, Temperaturen und die erforderliche Grosse der zu installierenden Anlage lassen, sich durch gewöhnliche ingenieurmässige Berechnungen bestimmen.

In Figur 2 ist eine andere AusfUhrungsform einer Anlage 50 dargestellt, die der Anlage 10 gemäss Figur 1 ähnelt. Auch hier ist eine Leitung 52 zur Aufnahme und Zufuhr eines Gasstromes vorgesehen, mit dem ein Strom an verflüssigtem cryogenen Medium vereinigt werden soll. Die Anlage 50 enthält weiterhin einen Heizkreis, der eine Anschlussleitung 54 an die Leitung 52 und einen Kompressor oder ein Gebläse 56 aufweist. Der Kompressor 56 wird durch eine gewöhnliche Gasturbine 53 angetrieben. Eine Leitung 60 führt von der Druckseite des Kompressors 56 zu einer Heizschlange 62, die im Wärmeaustausch mit den Abgasen der Gasturbine 58 steht. Am Auslass der Wärmetauscherschlange 62 führt eine Leitung 64 zu einer Heizschlange 66 in einem gasbefeuerten Erhitzer 68. Deren Auslass ist wiederum über eine Leitung 70 mit einer Kontakt- und Mischeinrichtung 72 gleicher Art wie vorstehend schon erläutert, verbunden. An den Auslass der

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Kontakt- und Mischeinrichtung 72 ist eine Leitung 74 angeschlossen, die stromabwärts von der Abzweigleitung 54 wieder in die Leitung .52 zurückführt.

Über eine Leitung 80 ist eine Pumpe 78 für verflüssigtes cryogenes Medium an einem, dieses Medium enthaltenden Speichertank 76 angeschlossen. Die Druckseite der Pumpe 78 steht mit der Mischeinrichtung 72 über eine Leitung 82 in Verbindung, in der ein Durchsatz-Steuergerät 84 vorgesehen ist, um die Durchsatzmenge an verflüssigtem cryogenen Medium zur Mischeinrichtung 72 zu steuern. Ausserdem ist ein Gerät 36 zur Steuerung der Temperatur und ©ines Brennstoff»Steuerventiles vorgesehen, das auf gleich© Weis® arbeitet, wie dies in Zusammenhang mit dem Gerät 42 ä©r Figur 1 bereits erläutert worden ist.

Die Anlage gemäss Figur 2 arbeitet gruadsätzlieh in gl@I° eher Weise wie diejenige 'gemäss Figur 1 und unterscheidet, sich davon nur dadurch, dass der Kompressor 56 durch die Gasturbine 58 angetrieben wird. Eine Gasturbine erzeugt ein grosses Volumen an heissen Abgas®n₉ die normalerweise zur Atmosphäre abgeführt werden. In der in Figur 2 dargestellten Anlage werden aber diese Abgase im Wärmeaustausch mit dem den Heizkreis der Anlage durchströmenden Gasstrom geführt, bevor dieser" in die Heizschlange 66 des --' ■ Erhitzers 68 eintritt« Auf diese Weise wird der Gasstrom

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in der Wärmetauscherschlange 62 bereits vorerhitzt und dann in der Heizschlange 66 weiter erhitzt. Wenn elektrische Energie nicht zur Verfügung steht oder sonstige Wirtschaftlichkeitserwägungen die Anwendung von Gas als Energiequelle zum Antrieb des Kompressors 56 notwendig machen, dann bringt der Einsatz der Anlage 50 in wirtschaftlicher Hinsicht Vorteile.

In beiden Anlagen gemäss Figuren 1 und 2 kann ein Teil des aus dem Gasstrom und der verdampften cryogenen Flüssigkeit bestehenden Gemisches aus dem Heizkreis entnommen und erneut durch den Heizkreis geleitet werden. Dies erfolgt in der Anlage gemäss Figur 1 über die Leitung 28, die an die Leitung 30 angeschlossen ist und zur Abweigleitung 14 stromaufwärts vom Kompressor 16 führt. Diese Anordnung ist insbesondere vorteilhaft in Anwendungsfällen, wo grosse Volumina an verflüssigtem cryogenen Medium verdampft und mit einem relativ kleinen Gasstrom vereinigt werden sollen.

In Figur 3 ist eine Kontakt- und Mischeinrichtung 100 im einzelnen dargestellt· Es versteht sich, dass die Mischeinrichtung 100 identisch mit den Mischeinrichtungen 26 und 72 gemäss den Figuren 1 bzw. 2 ist. Es lassen sich zwar verschiedene Arten derartiger Mischeinrichtungen anwenden, jedoch hat sich die in Figur 3 dargestellte Bauart als besonders wirksam erwiesen und lässt sich überdies wirtschaftlich herstellen.

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Die Mischeinrichtung 100 umfasst grundsätzlich einen ersten Rohrteil 102 mit einem gewöhnlischen Anschlussflansch 104 an dessen vorderem Ende 106. An das hintere Ende 108 des Rohrteiles 102 ist ein gewöhnlicher Blindflansch 112 angeschweisst, durch den eine Einlassdüse 110 für flüssiges cryogenes Medium verläuft. Die Einlassdüse 110 besteht aus einem kurzen Rohrstück mit offenem vorderen Ende 111 und einem gewöhnlichen Flanschanschluss 113 an dessen hinterem ■ Ende 115. Die Düse 110 ist mittels Dichtschweissung im Blindflansch 112 befestigt, durchsetzt diesen und erstreckt sich ein kurzes Stück in den Rohrteil 102 hinein. An den Rohrteil 102 ist ein zweiter Rohrteil 116 angeschlossen, dessen Mittelachse senkrecht zur Mittelachse des Rohrteiles 102 verläuft. Das untere Ende des Rohrteiles 116 trägt ei- ' neh gewöhnlischen Anschlussflansch 118.

Im Betrieb der Mischeinrichtung 100 wird ein heisser Gasstrom in die Mischeinrichtung 100 durch das vordere Ende 106 des Rohrteiles 102 eingeleitet. Ein Strom eines flüssigen cryogenen Mediums, das verdampft und mit dem Gasstrom vereinigt werden soll, durchströmt die Düse 110 und wird durch diese innerhalb des Rohrteiles 102 im Gegenstrom zu dem eintretenden Heissgasstrom versprüht. Dadurch gelangt das flüssige cryogene Medium in engen Kontakt mit dem Heissgasstrom und bewirkt einen Wärmeübergang, der zur Verdampfung des Mediums führt. Das verdampfte cryogene Me-

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dium durchströmt dann den Rohrteil 116 und verlässt die Mischeinrichtung 100. Zwar besteht die Mischeinrichtung 100 aus Werkstoffen, die widerstandsfähig gegen die in Verbindung mit cryogenen Medien auftretenden Temperaturen sind, z.B. aus rostfreiem Stahl oder Aluminium, jedoch ist sie aufgrund ihrer relativ geringen Grosse und ihrer einfachen Gestaltung wirtschaftlicher herzustellen als die bisher- im Einsatz befindlichen sonstigen Bauarten dieser Einrichtung. .

Durch die Erfindung wird somit ein verbessertes Verfahren zum Verdampfen und Vereinigen des Stromes eines verflüssigten cryogenen Mediums mit einem Gasstrom vorgeschlagen, das sich in einer relativ einfachen und billigen Anlage durchführen lässt, wobei ein Gesamtdruckabfall im Gasstrom vermieden werden kann. Es wird zwar auch hier ein Gebläse oder Kompressor eingesetzt, der die treibende Kraft zur Zirkulation eines Teiles des Gasstromes durch den Heizkreis erzeugt. Der Energieverbrauch dieses Kompressors oder Gebläses ist Jedoch vernachlässigbar im Vergleich zu dem Bedarf, der zum erneuten Anheben des Druckpegels des gesamten Gasstromes, dem das flüssige cryogene Medium zugefügt wird, notwendig wäre.

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Claims

Patentansprüche:

1.J Verfahren zum Vereinigen eines Stromes eines flüssigen cryogenen Mediums mit. einem Gasstrom, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der Druck des ersten Teilstromes soweit erhöht^ dass dieser durch einen Heizkreis geleitet und mit dem zweiten Teilstrom wieder zusammengeführt werden kann, und dass das flüssige cryogene Medium direkt in den erhitzten ersten Teilstrom innerhalb des
Heizkreises eingespritzt und dadurch verdampft und mit dem Teilstrom vermischt wird, woraufhin das entstehende Gemisch mit dem zweiten Teilstrom wieder zusammengeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhitzung des ersten Teilstromes in bestimmter Abhängigkeit von der Temperatur des entstehenden Gemisches zwischen dem ersten Teilstrom und dem verdampfen cryogenen Medium gesteuert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus dem ersten Teilstrom und dem verdampften cryogenen Medium erneut in einen ersten und

*wird

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einen zweiten Gemischanteil aufgeteilt wird, von denen der erste Gemischanteil mit dem ersten Teilstrom ver-.
einigt und der zweite Gemischanteil erneut in den Heizkreis eingeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom Erdgas führt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom verflüssigten cryogenen Mediums ein Strom verflüssigten Erdgases ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilstrom teilweise durch Abgase einer Gasturbine erhitzt wird, die zum Antrieb
eines Kompressors zur Steigerung des Druckes im ersten Teilstrom dient.

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L e e r s e i t