DE60129067T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines flüssigen Druckstromes von hochreinem Kohlendioxid - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung eines flüssigen Druckstromes von hochreinem Kohlendioxid Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und ein Gerät zum Erzeugen eines gereinigten und druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms, wobei ein aus Kohlendioxiddampf bestehender Speisestrom zu einer Flüssigkeit kondensiert wird, die anschließend durch Erwärmen innerhalb einer Kammer druckbeaufschlagt wird. Ein solches Verfahren und Gerät ist aus der EP-A-911 572 bekannt.
  • Hochdruckbeaufschlagtes gereinigtes Flüssigkohlendioxid wird für eine Vielfalt industrieller Prozesse benötigt. Eine solche hochdruckbeaufschlagte Flüssigkeit wird durch Reinigen von Flüssigkohlendioxid mit industrieller Qualität, das mit etwa 13 bis 23 bar erhältlich ist, und anschließendes Pumpen der Flüssigkeit auf einen Druck auf irgendwo zwischen etwa 20 und etwa 68 bar erzeugt.
  • Das Problem beim Pumpen jedoch liegt darin, dass Verunreinigungen wie beispielsweise Teilchen oder Kohlenwasserstoffe als Nebenprodukt des mechanischen Pumpvorgangs in den Produktstrom eingeführt werden können. Wie noch erörtert wird, wird dieses Problem bei der vorliegenden Erfindung überwunden.
  • Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren zum Erzeugen eines druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms, bei welchem ein aus Kohlendioxiddampf bestehender Speisestrom in ein Reinigungsfilter eingeleitet wird. Der gereinigte Speisestrom wird in einem Kondensator mit einem Sumpf kondensiert, und ein flüssiger Zwischenstrom wird vom Kondensatorsumpf in eine erste und eine zweite Drucksammelkammer eingeleitet. Die erste und die zweite Drucksammelkammer werden erwärmt, um die darin befindliche Flüssigkeit druckzubeaufschlagen, und der druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxidstrom wird aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer abgegeben.
  • Der flüssige Zwischenstrom wird abwechselnd in die erste und die zweite Drucksammelkammer eingeleitet, und der druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxidstrom wird abwechselnd aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer abgegeben, so dass, bevor eine von der ersten und der zweiten Drucksammelkammer leer wird, der flüssige Zwischenstrom in die andere von der ersten und der zweiten Drucksammelkammer eingeleitetet wird. Dies stellt eine kontinuierliche Abgabe des druckbeaufschlagten Flüssigkohlendi oxidstroms sicher. Vor dem Einleiten des flüssigen Zwischenstroms wird die erste und die zweite Drucksammelkammer jeweils in den Sumpf des Kondensators entlüftet.
  • Vorzugsweise wird die erste und die zweite Drucksammelkammer jeweils elektrisch beheizt. Des weiteren wird der Speisestrom vorzugsweise innerhalb des Kondensators durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlmittelstrom kondensiert. Der druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxidstrom kann des weiteren durch seine Einleitung in einen Teilchenfilter behandelt werden.
  • Nach einem weiteren Aspekt beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Gerät zum Erzeugen eines druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms. Nach diesem Aspekt ist ein Reinigungsfilter zum Reinigen eines aus Kohlendioxiddampf bestehenden Speisestroms vorgesehen, und ein Kondensator mit einem Sumpf wird zum Kondensieren dieses Speisestroms benutzt. Eine erste und eine zweite Drucksammelkammer sind mit Heizgeräten versehen, um die erste und die zweite Drucksammelkammer zu beheizen und dadurch die darin befindliche Flüssigkeit druckzubeaufschlagen.
  • Ein den Drucksammelkammern zugeordnetes Strömungsnetzwerk weist Leitungen auf, die den Sumpf des Kondensators mit der ersten und der zweiten Drucksammelkammer verbinden, um den druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstrom daraus auszutragen. Das Strömungsnetzwerk enthält Ventile, die den Leitungen zugeordnet sind, damit ein flüssiger Zwischenstrom abwechselnd aus dem Sumpf des Kondensators in die erste und die zweite Drucksammelkammer eingeleitet werden kann, und der druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxidstrom abwechselnd aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer abgegeben werden kann, derart, dass, bevor eine von der ersten und der zweiten Drucksammelkammer leer wird, der flüssige Zwischenstrom in die andere von der ersten und der zweiten Drucksammelkammer eingeleitet wird. Dies stellt eine kontinuierliche Abgabe des druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms sicher. Die Leitungen enthalten zusätzlich eine Entlüfteleitung aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer zum Kondensator, damit die erste und die zweite Drucksammelkammer jeweils vor dem Einleiten des flüssigen Zwischenstroms entlüftet werden kann.
  • Vorzugsweise sind die Heizgeräte elektrische Heizgeräte, und der Kondensator enthält einen externen Kühlmittelkreislauf mit einem Wärmetauscher zum Kondensieren des Spei sestroms durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kühlmittelstrom. Das Gerät kann weiter einen Teilchenfilter enthalten, der mit dem Strömungsnetzwerk verbunden ist, um den druckbeaufschlagen Flüssigkohlendioxidstrom zu filtern.
  • Wie aus der obigen Erörterung verständlich ist, kommt die Flüssigkeit, weil Heizgeräte zum Druckbeaufschlagen der Flüssigkeit benutzt werden, niemals mit einer mechanischen Pumpenkomponente in Berührung, die Verunreinigungen in das druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxid einbringen könnte. Des weiteren, da keine Pumpe benutzt wird, werden die Wartungsanforderungen für ein Gerät nach der vorliegenden Erfindung gegenüber herkömmlichen Geräten verringert.
  • Die Erfindung wird nunmehr beispielshalber mit Bezug auf die einzige Zeichnungsfigur beschrieben, die eine schematische Darstellung eines Geräts zum Ausführen eines Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In der Zeichnungsfigur ist ein Gerät 1 nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Ein Speisestrom 10, der aus Kohlendioxiddampf besteht, wird in einen Reinigungsfilter 12 eingeleitet, der irgendeines einer Anzahl bekannter verfügbarer Koaleszenz- und/oder Selektiv-Adsorptionsmittel-Filter zum Abscheiden von teilchenförmigen Verunreinigungen aus dem Dampf sein kann. Ventile 14 und 16 sind zum Abtrennen des/der Reinigungsfilter(s) 12 vorgesehen.
  • Der Speisestrom wird, nachdem er gereinigt worden ist, in einen Kondensator 18 eingeleitet, der mit einem Sumpf versehen ist, um den Dampf zu einer Flüssigkeit 20 zu kondensieren. Diese Kondensation wird durch eine externe Kühleinheit 22 bewirkt, die einen Kühlmittelstrom durch einen Wärmetauscher 24, vorzugsweise der Mantel- und Röhrenkonstruktion, zirkuliert. In dieser Hinsicht kann der Kondensator 18 aus einem einen separaten Sumpf speisenden Wärmetauscher bestehen. Trennventile 26 und 28 können vorgesehen sein, um die Kühleinheit 22 abzutrennen. Der Flüssigkeitspegel wird durch einen Differenzdruckwandler 26 gesteuert, der die Druckdifferenz zwischen der Flüssigkeit und dem Dampf im Kondensator 18 erfaßt. Obwohl nicht dargestellt, empfängt ein Regler in Gestalt eines Rechners mit programmierbarer Logik Signale vom Differenzdruckwandler 26, um die Kühleinheit 22 zu aktivieren, wenn die Flüssigkeit 20 unter einen vorgegebenen Pegel abfällt.
  • Wie man sehen kann, kann, da im Kondensator 18 Dampf kondensiert wird, eine Trennung irgendwelcher in dem Dampf vorhandener Verunreinigungen bewirkt werden, wodurch die mehr flüchtigen Verunreinigungen (z.B. Methan) in unkondensiertem Dampf verbleiben und weniger flüchtige Verunreinigungen in der Flüssigkeit kondensiert werden könne. Ob wohl nicht dargestellt, können Probeleitungen mit dem Kondensator 18 zur Probenahme und zum Abziehen von Flüssigkeit und Dampf nach Bedarf zum Absenken der Verunreinigungskonzentration im Kondensator 18 verbunden sein.
  • Ein flüssiger Zwischenstrom, der aus hochreiner Flüssigkeit 20 besteht, wird in eine erste und eine zweite Drucksammelkammer 28 und 30 eingeleitet. Die erste und die zweite Drucksammelkammer 28 und 30 werden vorzugsweise mittels elektrischer Heizgeräte 33 bzw. 34 beheizt, um die Flüssigkeit auf einen Abgabedruck des druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms anzuheben, der durch das Gerät 1 erzeugt wird.
  • Flüssigkeit strömt zur und von der ersten und der zweiten Drucksammelkammer 28 und 30 durch ein Strömungsnetzwerk mit einer Einlassleitung 32 zum Zuführen des flüssigen Zwischenstroms zu den Drucksammelkammern 28 und 30. Der druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxidstrom wird aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer 28 und 30 durch eine Auslassleitung 35 abgegeben. Des weiteren wird die erste und die zweite Drucksammelkammer 28 und 30 jeweils durch eine Entlüfteleitung 36 in den Kondensator 18 entlüftet.
  • Ein Ventilnetzwerk steuert die Strömung innerhalb des Strömungsnetzwerks. In dieser Hinsicht steuern Steuerventile 38 und 40 die Strömung des flüssigen Zwischenstroms vom Kondensator 18 zur ersten und zweiten Drucksammelkammer 28 und 30. Die Strömung durch die Auslassleitung 35 wird durch Steuerventile 42 und 44 gesteuert. Die Entlüftung de ersten und der zweiten Drucksammelkammer 28 und 30 wird durch Steuerventile 46 und 48 gesteuert.
  • Wenn die zweite Drucksammelkammer 30 nahezu leer ist, öffnet das Steuerventil 42 und das Steuerventil 44 schließt, um druckbeaufschlagtes Flüssigkohlendioxid aus der ersten Drucksammelkammer 28 abzugeben. Gleichzeitig, da die zweite Drucksammelkammer 30 durch das elektrische Heizgerät 34 druckbeaufschlagt worden ist, öffnet das Steuerventil 48, um diesen Druck in den Kondensator 20 zu entlüften. Dies ermöglicht, dass die zweite Drucksammelkammer 30 mehr Flüssigkeit durch Einleiten des flüssigen Zwischenstroms durch die Einlassleitung 32 in die zweite Drucksammelkammer 30 erhält. Zu diesem Zweck wird das Steuerventil 40 in eine Offenstellung gestellt. Wenn der Differenzdruckfühler 52 anzeigt, dass die zweite Drucksammelkammer 30 voll ist, schließen die Steuerventile 40 und 48, und die Flüssigkeit in der zweiten Drucksammelkammer 30 wird durch das elektrische Heizgerät 34 zum Druckbeaufschlagen der Flüssigkeit geheizt.
  • Wenn die erste Drucksammelkammer 28 nahezu leer ist, was durch den Differenzdruckfühler 50 erfaßt wird, schließt das Steuerventil 42 und das Steuerventil 44 öffnet, damit der druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxidstrom von der zweiten Drucksammelkammer 30 abgegeben werden kann. Gleichzeitig öffnet das Steuerventil 46 zum Entlüften der ersten Drucksammelkammer 26. Das Steuerventil 38 öffnet, damit flüssiger Zwischenstrom die erste Drucksammelkammer 28 füllen kann. Wenn der Differenzdruckfühler die vollständige Füllung anzeigt, schließen die Steuerventile 38 und 46, und die Flüssigkeit wird durch das elektrische Heizgerät 32 zum Druckbeaufschlagen der Flüssigkeit in der ersten Drucksammelkammer 28 geheizt.
  • Die vorerwähnten Ventile funktionieren entsprechend einem Zyklus so, dass das druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxid kontinuierlich abgegeben wird. Dieser Zyklus wird vorzugsweise durch einen Regler mit programmierbarer Logik, nicht dargestellt, gesteuert, der mit den Differenzdruckwandlern 50 und 52 verbunden ist. Die Differenzdruckwandler 50 und 52 erzeugen Signale, die auf den Flüssigkeitspegel innerhalb der ersten und der zweiten Drucksammelkammer 28 und 30 bezogen werden können, und in Abhängigkeit von diesen Signalen betätigt der Regler ferngesteuert und automatisch die vorerwähnten Steuerventile. Es ist auch ein Differenzdruckwandler vorhanden, der den Flüssigkeitspegel im Kondensator 18 erfaßt, und der Regler stoppt den Kondensationsprozeß durch Abschalten der Kühleinheit 22, bevor der Kondensatorbehälter voll ist, damit Raum für das Kohlendioxid verbleibt, das während des Füllzyklus aus den Drucksammelkammern 28 und 30 entlüftet wird.
  • Vorzugsweise ist die Auslassleitung 35 mit einem Teilchenfilter 54 verbunden, um irgendwelche in der Flüssigkeit vorhandene teilchenförmige Verunreinigung abzuscheiden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Erzeugen eines druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms, das umfasst: Einleiten eines Speisestroms (10), der aus Kohlendioxiddampf zusammengesetzt ist, in einen Reinigungsfilter (12), Kondensieren des resultierenden gereinigten Speisestroms in einem Kondensator (18) mit einem Sumpf, Einleiten eines flüssigen Zwischenstroms (20) aus dem Sumpf in eine erste und eine zweite Drucksammelkammer (28, 30), Erwärmen (33, 34) der ersten und der zweiten Drucksammelkammer (28, 30) zum Druckbeaufschlagen der darin enthaltenen Flüssigkeit auf einen Abgabedruck, Abgeben des druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer (28, 30), wobei der flüssige Zwischenstrom abwechselnd in die erste und die zweite Drucksammelkammer (28, 30) eingeleitet wird und der druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxidstrom abwechselnd aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer (28, 30) abgegeben wird, derart, dass der flüssige Zwischenstrom, bevor eine der beiden Drucksammelkammern (28, 30) leer wird, in die jeweils andere der ersten und der zweiten Drucksammelkammer (28, 30) eingeleitet wird, um eine kontinuierliche Abgabe des druckbeaufschlagen Flüssigkohlendioxidstroms sicherzustellen, und Entlüften jeder der ersten und der zweiten Drucksammelkammer (28, 30) in den Kondensator (18) vor dem Einleiten des flüssigen Zwischenstroms.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste und die zweite Drucksammelkammer (28, 30) jeweils elektrisch beheizt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei der Speisestrom in dem Kondensator (18) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kältemittelstrom kondensiert wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das weiter das Einleiten des druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms in einen Teilchenfilter umfasst.
  5. Gerät zum Erzeugen eines druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms, mit: einem Reinigungsfilter (12) zum Reinigen eines aus Kohlendioxiddampf zusammengesetzten Spreisestroms, einem Kondensator (18), der einen Sumpf aufweist, zum Kondensieren des Speisestroms, einer ersten und einer zweiten Drucksammelkammer (28, 30), Heizgeräten (33, 34) zum Erwärmen der ersten und der zweiten Drucksammelkammer (28, 30) und dadurch zum Druckbeaufschlagen darin enthaltener Flüssigkeit auf einen Abgabedruck und einem Strömungsnetzwerk mit Leitungen, welche den Kondensator (18) mit dem ersten und dem zweiten Drucksammelbehälter (28, 30) verbinden, und zum Abgeben des druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstroms daraus, wobei das Strömungsnetzwerk den genannten Leitungen zugeordnete Ventile (38, 40, 46, 48) aufweist, damit ein flüssiger Zwischenstrom abwechselnd aus dem Kondensator (18) in die erste und die zweite Drucksammelkammer (28, 30) eingeleitet werden kann und der druckbeaufschlagte Flüssigkohlendioxidstrom abwechselnd aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer (28, 30) abgegeben werden kann, so dass, bevor die erste oder zweite Drucksammelkammer (28, 30) leer wird, der flüssige Zwischenstrom in die jeweils andere der ersten und zweiten Drucksammelkammer (28, 30) eingeleitet wird, wodurch die kontinuierliche Abgabe des druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxids sichergestellt wird, wobei die Leitungen des Strömungsnetzwerks eine Entlüfteleitung (36) aus der ersten und der zweiten Drucksammelkammer (28, 30) in den Kondensator (18) enthalten, damit die erste und die zweite Drucksammelkammer (28, 30) jeweils vor dem Einleiten des flüssigen Zwischenstroms in diese entlüftet werden kann.
  6. Gerät nach Anspruch 5, wobei die Heizgeräte (33, 34) elektrische Heizgeräte sind.
  7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei der Kondensator (18) einen externen Kühlkreislauf (22) mit einem Wärmetauscher (24) zum Kondensieren des Speisestroms durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kältemittelstrom aufweist.
  8. Gerät nach einem der Ansprüche 5 bis 7, das weiter einen Teilchenfilter aufweist, der mit dem Strömungsnetzwerk verbunden ist, um den druckbeaufschlagten Flüssigkohlendioxidstrom zu filtern.
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