DE102011102169A1

DE102011102169A1 - Verdichten von Medien

Info

Publication number: DE102011102169A1
Application number: DE102011102169A
Authority: DE
Inventors: Robert Adler; Sascha Dorner; Georg Siebert; Martin Stehrlein
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2011-05-20
Filing date: 2011-05-20
Publication date: 2013-05-16
Also published as: JP2012241719A; FR2975306A1; US8920538B2; US20130125743A1; FR2975306B1

Abstract

Es werden ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum ein- oder mehrstufigen Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff oder Erdgas, mittels wenigstens eines Kolbenverdichters beschrieben, wobei das Medium einen Wassergehalt bis zur vollständigen Sättigung mit Wasser aufweisen kann. Erfindungsgemäß wird das zu verdichtende Medium (1, 2) vor der Verdichtung (V1, V2) zumindest soweit angewärmt (E1, E2), dass ein Auskondensieren von Wasser während des Verdichtungsvorganges verhindert wird, und das verdichtete Medium (5, 8) wird einer Wasserabtrennung (D2, D3) unterworfen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum ein- oder mehrstufigen Verdichten eines gasförmiges Mediums, insbesondere von Wasserstoff oder Erdgas, mittels wenigstens eines Kolbenverdichters, wobei das Medium einen Wassergehalt bis zur vollständigen Sättigung mit Wasser aufweisen kann.
Gattungsgemäße Verfahren sowie Vorrichtung zum Verdichten sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Derartige Verfahren und Vorrichtungen kommen beispielsweise bei der Verdichtung von gasförmigem Wasserstoff oder Erdgas zur Anwendung. Hierbei stellt sich bisher das Problem, dass der zu verdichtende Wasserstoff aufgrund der Art seiner Erzeugung – beispielsweise mittels Elektrolyse – zwangsläufig Wasser enthält. Dieses muss bisher vor der eigentlichen Verdichtung vollständig entfernt werden, da es bei den zum Stand der Technik zählenden Verdichtern, insbesondere Kolbenverdichtern, zu Beschädigungen der Verdichterventile durch Wassertropfen oder Korrosion kommen würde. Aus diesem Grund sind bisher vergleichsweise aufwändige Einrichtungen bzw. Systeme zur Abtrennung des Wassers vorzusehen.
Im Falle einer Produktion von Wasserstoff mittels Elektrolyse kommen beispielsweise Molsiebfilter zur Anwendung. Diese benötigen jedoch Energie, da sie zyklisch ausgeheizt werden müssen, und verbrauchen darüber hinaus einen Teil des wertvollen Wasserstoffs, der als Purgegas für die Regeneration des Molsiebs verwendet wird. Aufgrund der erforderlichen Abtrennung des Wassers verteuert sich damit die Erzeugung von Wasserstoff. Darüber hinaus unterliegen derartige Einrichtungen auch einer gewissen Wartung, was zu einer weiteren Verteuerung der Wasserstoff-Produktion führt.
Die gleichen Probleme stellen sich auch bei der Verdichtung anderer Medien, wie beispielsweise Erdgas, das für die Fahrzeugbetankung verdichtet werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren sowie eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Medium anzugeben, das bzw. die die vorgenannten Nachtteile vermeidet.
Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass das zu verdichtende Medium vor der Verdichtung zumindest soweit angewärmt wird, dass ein Auskondensieren von Wasser während des Verdichtungsvorganges verhindert wird, und das verdichtete Medium einer Wasserabtrennung unterworfen wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums weist wenigstens einen Kolbenverdichters, wenigstens einen dem bzw. den Kolbenverdichtern vorgeschalteten Wärmetauscher, der der Erhitzung des zu verdichtenden Mediums dient, und wenigstens eine, dem oder den Kolbenverdichtern nachgeschaltete Wasserabtrennungsvorrichtung auf.
Die Erfindung schafft erstmals die Möglichkeit, mit Wasser belastete Medien mit herkömmlichen Kolbenverdichtern verdichten zu können. Dazu ist eine ausreichende Anwärmung des zu verdichtenden Mediums vor Eintritt in den Kolbenverdichter bzw. das mehrstufige Verdichtersystem erforderlich. Die Anwärmung verhindert wirkungsvoll, dass das in dem zu verdichtenden Medium enthaltene Wasser während des Verdichtungsvorganges auskondensiert wird. Nach erfolgter Verdichtung auf den/einen Zwischendruck und/oder Endruck wird das verdichtete Medium abgekühlt, so dass das in ihm enthaltene Wasser auskondensiert. Dieses wird mittels einer geeigneten Wasserabtrennungsvorrichtung aus dem verdichteten Medium abgetrennt.
Im Gegensatz zu einer bisher realisierten Verdichtung mittels Kolbenverdichter, bei der danach gestrebt wird, ein möglichst kaltes Medium bzw. Gas an der Saugseite des bzw. der Kolbenverdichter zur Verfügung zu stellen, wird nunmehr das zu verdichtende Medium in Abkehr von der bisherigen Praxis unmittelbar vor der Verdichtung angewärmt.
Der Grad der erfindungsgemäß vorzusehenden Anwärmung des zu verdichtenden Mediums wird von einer Vielzahl von Faktoren, wie bspw. Druck, Temperatur, Mengenstrom und Wassergehalt des zu verdichtenden Mediums, bestimmt. Im Falle einer mehrstufigen Verdichtung kann eine Anwärmung lediglich vor der ersten Verdichterstufe, vor jeder Verdichterstufe oder vor der ersten und wenigstens einer weiteren Verdichterstufe realisiert werden. Von welcher der Verfahrensvarianten Gebrauch gemacht wird, wird sich in der Praxis am Grad der Wasserabscheidung in bzw. nach der ersten Verdichterstufe richten; anzustreben ist eine nahezu vollständige Wasserabscheidung in der ersten Verdichterstufe.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

– das verdichtete Medium nach jeder Verdichterstufe einer Wasserabtrennung unterworfen wird,
– das zu verdichtende Medium vor der Verdichtung bzw. der ersten Verdichterstufe abgekühlt und das dabei auskondensierte Wasser abgetrennt wird,
– der oder den Wasserabtrennungsvorrichtungen eine Kühlvorrichtung vorgeschaltet ist, und/oder
– dem Kolbenverdichter oder dem ersten Kolbenverdichter eine Kühlvorrichtung und eine ihr nachgeschaltete Wasserabtrennungsvorrichtung vorgeschaltet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die Figur zeigt in lediglich schematisierter Form einen Elektrolyseur E sowie eine Verdichtereinheit, bestehend aus drei Verdichterstufen V1, V2 und V3. Der im Elektrolyseur E erzeugte Wasserstoff weist einen Wasseranteil von ca. 8 Vol-% auf. Dieser Strom 1 wird im Wärmetauscher E gegen ein geeignetes Kühlmedium, bspw. Kühlwasser, abgekühlt und über die Leitung 2 einem ersten Abscheider D1 zugeführt.
Das im Abscheider D1 anfallende auskondensierte Wasser wird über Leitung 4, in der ein Regelventil a angeordnet ist, abgezogen.
Das am Kopf des Abscheiders D1 über Leitung 3 abgezogene Wasserstoff wird im Wärmetauscher E1 gegen ein geeignetes Heizmedium zumindest soweit angewärmt, dass ein Auskondensieren des noch in ihm enthaltenen Wassers während der nachfolgenden Verdichtung in der ersten Stufe V1 des Kolbenverdichtersystems sicher verhindert werden kann. Keinesfalls darf während des Einström- und Verdichtungsvorganges innerhalb des Kolbenverdichters Wasser auskondensieren, da dies den Kolbenverdichter beschädigen würde.
Nach erfolgter Verdichtung auf den gewünschten Zwischendruck wird der verdichtete Wasserstoff im Wärmetauscher E2 gegen ein geeignetes Kühlmedium abgekühlt und über Leitung 5 dem zweiten Abscheider D2 zugeführt. Das in dessen Sumpf anfallende Wasser wird über Leitung 7, in der ein Regelventil b angeordnet ist, abgeführt.
Über Leitung 6 wird die aus dem zweiten Abscheider D2 abgezogene Wasserstofffraktion einem weiteren Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen ein geeignetes Heizmedium erneut soweit angewärmt, dass ein Auskondensieren des noch in ihm enthaltenen Wassers während der nachfolgenden Verdichtung in der zweiten Stufe V2 des Kolbenverdichtersystems sicher verhindert werden kann. In der zweiten Verdichterstufe V2 wird der vorverdichtete zugeführt und in dieser auf den gewünschten Enddruck verdichtet. Wasserstoff auf den gewünschten Enddruck verdichtet. Es sei betont, dass das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von der gewählten Anzahl der Verdichterstufen realisierbar ist.
Anschließend wird der verdichtete Wasserstoff im Wärmetauscher E4 gegen ein geeignetes Kühlmedium abgekühlt und über Leitung 8 dem dritten Abscheider D3 zugeführt. Wiederum wird das im Sumpf dieses Abscheiders D3 anfallende Wasser über Leitung 10, in der ein Regelventil c angeordnet ist, abgezogen und über eine Sammelleitung 11, der auch die Wasserfraktionen 4 und 7 aus den ersten beiden Abscheidern D1 und D2 zugeführt werden, einem ggf. vorzusehenden Zwischenspeicherbehälter S zugeführt. Der Zwischenspeicherbehälter S dient der Vergleichmäßigung des Wasserstromes, der über Leitung 12 erneut dem Elektrolyseur E zugeführt wird. Da dieses Wasser entsalzt ist, kann es unmittelbar in die Elektrolyse E zurückgeleitet werden, woraus eine Ersparnis im Hinblick auf die Wasseraufbereitung der Elektrolyse E resultiert.
Am Kopf des dritten Abscheiders D3 wird über Leitung 9 der verdichtete Wasserstoffstrom abgezogen und seiner weiteren Verwendung zugeführt. Der Restwasseranteil des Wasserstoffstromes 9 liegt unterhalb der geforderten Grenzwerte. Hierbei kann die Wasserkonzentration des Wasserstoffstromes 9 über die Temperatur(en) des bzw. der Kühlmedien und/oder der Druckstufenverhältnisse der realisierten Verdichterstufen eingestellt werden.
Die für die Anwärmung des zu verdichtenden Mediums in den Wärmetauschern E1 und E3 erforderliche Energie wird vorzugsweise durch die in den den Verdichterstufen V1 und V2 nachgeschalteten Wärmetauschern E2 und E4 abgeführte Verdichtungsenergie bereitgestellt. Ergänzend oder alternativ sind jedoch auch andere Formen der Energie- bzw. Wärmebereitstellung realisierbar.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums ermöglichen die Verwendung herkömmlicher Verdichtertechnologien für mit Wasser ”kontaminierte” Medien. Die erfindungsgemäß vorzusehende Erwärmung bzw. Überhitzung des Mediums (unmittelbar) vor der Verdichtung und die damit verbundene Förderleistungs- und damit einhergehend Wirkungsgradverschlechterung werden durch die aus der Erfindung resultierenden Vorteile, wie Verwendbarkeit von Standard-Verdichterkomponenten, Vereinfachung des Versorgungssystems der Elektrolyse, etc., mehr als kompensiert.

Claims

Verfahren zum ein- oder mehrstufigen Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff oder Erdgas, mittels wenigstens eines Kolbenverdichters, wobei das Medium einen Wassergehalt bis zur vollständigen Sättigung mit Wasser aufweisen kann, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verdichtende Medium (1, 2) vor der Verdichtung (V1, V2) zumindest soweit angewärmt wird (E1, E2), dass ein Auskondensieren von Wasser während des Verdichtungsvorganges verhindert wird, und das verdichtete Medium (5, 8) einer Wasserabtrennung (D2, D3) unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das verdichtete Medium (5, 8) nach jeder Verdichterstufe (V1, V2) einer Wasserabtrennung (D2, D3) unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zu verdichtende Medium (1) vor der Verdichtung bzw. der ersten Verdichterstufe (V1) abgekühlt (E) und das dabei auskondensierte Wasser abgetrennt wird (D1).
Vorrichtung zum Verdichten eines gasförmigen Mediums, insbesondere von Wasserstoff oder Erdgas, wobei das Medium einen Wassergehalt bis zur vollständigen Sättigung mit Wasser aufweisen kann, und wobei das Medium mittels wenigstens eines Kolbenverdichters ein- oder mehrstufig verdichtet wird, aufweisend wenigstens einen Kolbenverdichters (V1, V2), wenigstens einen dem bzw. den Kolbenverdichtern (V1, V2) vorgeschalteten Wärmetauscher (E1, E3), der der Erhitzung des zu verdichtenden Mediums dient, und wenigstens eine, dem oder den Kolbenverdichtern (V1, V2) nachgeschaltete Wasserabtrennungsvorrichtung (D2, D3).
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der oder den Wasserabtrennungsvorrichtungen (D2, D3, ...) eine Kühlvorrichtung (E2, E4) vorgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kolbenverdichter oder dem ersten Kolbenverdichter (V1) eine Kühlvorrichtung (E) und eine ihr nachgeschaltete Wasserabtrennungsvorrichtung (D1) vorgeschaltet sind.