WO2014183842A1 - Anlage zur tieftemperatur-kältetrocknung und tieftemperatur- kältetrocknungsverfahren - Google Patents

Anlage zur tieftemperatur-kältetrocknung und tieftemperatur- kältetrocknungsverfahren Download PDF

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WO2014183842A1
WO2014183842A1 PCT/EP2014/001206 EP2014001206W WO2014183842A1 WO 2014183842 A1 WO2014183842 A1 WO 2014183842A1 EP 2014001206 W EP2014001206 W EP 2014001206W WO 2014183842 A1 WO2014183842 A1 WO 2014183842A1
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refrigerant
unit
water
operating phase
condenser unit
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PCT/EP2014/001206
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Robert Adler
Sascha Dorner
Ekkehardt Klein
Christoph Nagl
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Linde Aktiengesellschaft
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/26—Drying gases or vapours
    • B01D53/265—Drying gases or vapours by refrigeration (condensation)
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
    • C10L3/00—Gaseous fuels; Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by subclass C10G, C10K; Liquefied petroleum gas
    • C10L3/06—Natural gas; Synthetic natural gas obtained by processes not covered by C10G, C10K3/02 or C10K3/04
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • F25B47/00—Arrangements for preventing or removing deposits or corrosion, not provided for in another subclass
    • F25B47/02—Defrosting cycles
    • F25B47/022—Defrosting cycles hot gas defrosting
    • F25B47/025—Defrosting cycles hot gas defrosting by reversing the cycle
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D2256/245—Methane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
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    • Y02E50/00—Technologies for the production of fuel of non-fossil origin
    • Y02E50/30—Fuel from waste, e.g. synthetic alcohol or diesel

Definitions

  • the invention relates to a plant for cryogenic refrigeration drying of a
  • hydrocarbon-rich, hydrous gas stream especially hydrocarbon-rich, hydrous gas stream and a
  • this gas is usually taken from the probe saturated with water (steam).
  • Other hydrocarbon-rich gas mixtures such as biogas, sewage gas and landfill gas have i.d.R. a high water content.
  • dehumidification Separation of water (so-called dehumidification) is to prevent unwanted condensation in downstream equipment and pipelines. Even with the combustion of corresponding gas mixtures, water leads to considerable corrosion damage, for example to gas engines and turbines. Disruptions caused by this damage lead to considerable downtime and high repair costs.
  • the dehumidification is carried out according to the prior art, for example using triethylene glycol.
  • triethylene glycol only a dew point of approx. 10 ° C is achieved in a single-stage process.
  • the process must therefore be carried out in several stages, which increases both the investment costs and the operating costs, since the triethylene glycol must be evaporated at temperatures of up to 200 ° C in each case. Also, this results in losses of triethylene glycol.
  • Refrigeration drying known. In conventional refrigeration drying, however, only dew points above 3 ° C can be achieved because icing of the heat exchanger should be avoided. The achievable residual moisture content of 5.953 g / m 3 is often sufficient for compressed air applications.
  • cryogenic refrigeration drying Field of dehumidification known as cryogenic refrigeration drying (see Barlmeyer, N .: Quadrature of the circle - cryogenic refrigerant dryer in
  • the low-temperature refrigeration drying comprises the condensation and the freezing of the water vapor at suitable condensing units. For regeneration, these are each heated. Pressure dew points of -20 to -70 ° C are reached, so that technically dry compressed air with a residual moisture of only 0.880 to 0.00330 g / m 3 can be produced.
  • This object is achieved by a plant for cryogenic refrigeration drying of a particular hydrocarbon-rich hydrous gas stream, and a
  • the present invention is based on a known low-temperature refrigeration drying plant, which is adapted to reduce a water content of a hydrous gas stream.
  • a known low-temperature refrigeration drying plant which is adapted to reduce a water content of a hydrous gas stream.
  • Plants in particular from the field of dehumidification known.
  • Such a system typically includes a unit powered by a refrigeration unit
  • Typical chiller units comprise a refrigerant inlet and a refrigerant outlet.
  • the refrigerant inlet is also referred to as the "suction side" of the chiller unit, the refrigerant outlet also as its "pressure side”.
  • the refrigeration unit is adapted to suck at the refrigerant inlet (suction side) a vaporized refrigerant to compress this condensate and at the refrigerant outlet (pressure side) increased pressure and deliver liquefied. Such operation corresponds to that of known refrigeration unit units.
  • Capacitor unit to relax.
  • the majority of the cooling power provided by the refrigerant can therefore be used in the first operating phase in the second condenser unit. This cools down accordingly.
  • Chiller unit passed through the second condenser unit and over the
  • a "condenser unit” is understood to mean an apparatus which is designed to cool at least one surface which can be brought into contact with a gas flow and is referred to here as a "contact surface".
  • the temperature of the at least one contact surface can be adjusted so that a gaseous component separates from the gas stream at the surface.
  • gaseous Component is water vapor, which is preferably deposited as ice on the at least one contact surface.
  • the capacitor unit may have suitable surface structures, for example for enlarging the surface of the at least one contact surface and / or for forming suitable support structures for the deposited ice.
  • a “hydrous" gas stream is understood to mean a gas stream which has a relative humidity of 1 to 150%.
  • the relative humidity denotes the water content based on the saturated state.
  • a biogas at 40 ° C is able to absorb about 50 g / m 3 of water at a relative humidity of 100%.
  • this value is 64 g / m 3 , at 10 ° C only 9 g / m 3 .
  • a "water-containing" gas stream can therefore have, for example, 1 to 100 g / m 3 , in particular 10 to 90 g / m 3 , for example 20, 30, 40, 50, 60, 70 or 80 g / m 3 of water.
  • the invention is also suitable for use in water-supersaturated gas mixtures.
  • a "hydrocarbon-rich" gas stream has at least 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% or 95% hydrocarbons, especially methane, in molar,
  • volume or mass basis The remainder can be completely off
  • Water vapor or in turn have at least 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% or 95% water on a molar, volume or mass basis.
  • hydrous and hydrocarbon-rich gas streams are, as mentioned, for example, natural gas and biogas.
  • the condenser units are in an otherwise closed space
  • each component to be deposited here water, deposited on the at least one contact surface of the condenser unit.
  • the component to be separated would be completely removed from the gas stream, but in practice certain residual contents of water may also be acceptable, for example below 1%, in particular below 0.5%, 0.4%, 0, 3%, 0.2% or 0, 1%) relative humidity.
  • the invention allows it, for example by adjusting the flow rate of the hydrous gas stream to adjust this residual content of operational and / or economic demands.
  • the system according to the invention can also be coupled at any time with pre- and / or post-purification steps, for example with adsorptive methods and / or conventional cold-drying.
  • a cryogenic refrigeration drying plant can be subordinated to a conventional refrigeration drying plant, in which the main amount of water is reduced or removed by other refrigeration circuits.
  • a cryogenic refrigeration plant comprises means which are adapted to the water-containing gas stream to be dried in the first operating phase with at least one contact surface of the second capacitor unit and in the second operating phase with at least one contact surface of the first
  • the water-containing gas stream to be dried is thus in each case brought into contact with at least one contact surface of that condenser unit, which is cooled in each case by the expansion of the corresponding refrigerant.
  • the means used to control the refrigerant flow i.e., to feed the refrigerant first into the first condenser unit, then into the first condenser unit
  • Relaxation unit and then the second condenser unit or vice versa advantageously comprise a valve arrangement, which, as shown in the figure 1 or 2 explained below, for example, may comprise four valves.
  • a key aspect of the invention is therefore in the "exchange" of the suction and
  • the present invention enables by the explained means an alternating operation of two capacitor units.
  • the capacitor units are in the
  • Cryogenic refrigeration drying system for separating the water contained in the water-containing gas stream to be dried by freezing.
  • the freezing water separates as ice on the surface (here referred to by the term "contact surface") of the condenser unit, which is each fed with the expanded refrigerant off. If the ice layer has exceeded a permissible value on a corresponding condenser unit, the drying capacity of the respective condenser unit drops due to the increasing surface temperature or the insulating effect of the ice layer. In this case, the corresponding capacitor unit must be regenerated, resulting in a
  • Cryogenic refrigeration plant is possible by heating to a temperature above 0 ° C (also referred to as “defrosting”).
  • this heating leads in conventional systems to a "loss" of the cooling power previously used for cooling.
  • a condenser unit according to the invention can be heated by the outlet of the refrigerating machine unit with partial use of the pressurized refrigerant.
  • the time required for regeneration may also be shorter than the time during which the other condenser unit is available to separate the water from the hydrous gas stream.
  • the regenerated condenser unit can already be pre-cooled and is then immediately available for a new Abscheidezyklus. It is therefore a further (third) mode of operation.
  • the water-containing gas stream to be dried is brought into contact with the at least one contact surface of the other condenser unit. This is in turn acted upon by the relaxed refrigerant flow and cools accordingly.
  • this is already pre-cooled before.
  • the refrigerator unit it is possible, during the heating of the respective capacitor unit to be regenerated, to recover the previously invested cooling capacity, which was provided essentially in the form of compressor power.
  • the refrigerant which raises the refrigerant unit via the refrigerant outlet pressure and liquefied, is thereby cooled in the condensing unit to be regenerated and heated in turn.
  • the performance of the refrigerator unit can be reduced by a corresponding amount.
  • This energy reduction proves to be particularly advantageous in the low-temperature refrigeration drying, because this cooling processes take place down to -40 ° C, in corresponding heating phases, however, temperatures of above 0 ° C are needed.
  • Correspondingly large temperature gradients require large amounts of energy, which can be considerably reduced by the measures according to the invention.
  • in the context of the present invention are not high
  • the present invention is suitable in particular for the cold-drying of hydrocarbon-rich, water-containing gas mixtures such as natural gas, sewage gas, biogas and landfill gas. As explained, such gases have i.d.R. a considerable water content and are saturated in extreme cases water.
  • the invention is also suitable for other hydrous gas mixtures such as compressed air.
  • ammonia can be separated from the water-containing gas stream.
  • Refrigerant is passed in liquid form and before the relaxation, a regeneration, i. a defrost. For this purpose, this must have a corresponding temperature.
  • the other condenser unit is used to separate at least part of the water from the hydrous gas stream.
  • the refrigerant circuit according to the invention is therefore operable so that in the first operating phase, a temperature at a surface of the second
  • the refrigerant circuit can also be operated such that in the first operating phase, a temperature at a surface of the first capacitor unit and in the second operating phase, a temperature at a surface of the second condenser unit is increased to at least 0 °.
  • This temperature increase can be achieved by passing the respective refrigerant, which simultaneously causes cooling of the refrigerant.
  • the previously invested energy can be recovered at least in part.
  • This relaxation unit for example, a bidirectional
  • the mentioned capacitor units are each arranged in corresponding condensation spaces.
  • the first capacitor unit is arranged in a first condensation space and the second capacitor unit in a second condensation space.
  • means are provided which are adapted to the water-containing gas stream in the first operating phase in the second
  • the first condensation chamber and the second condensation chamber are advantageousously, the first condensation chamber and the second condensation chamber.
  • Condensation each on a water outlet on the respective defrosting occurring water can be derived.
  • a system according to the invention if it has means which are adapted to determine the water content of the hydrous gas stream. This makes it possible to plan the duration of the respective first and second operating phases, because it is possible, based on the expected quantity of water or ice, to estimate, at least in terms of the order of magnitude, which time is available in each case up to a required switching between the operating phases.
  • means can also be advantageous which are set up to determine a quantity of water separated off from the water-containing gas stream by means of the first and / or the second condenser unit.
  • the separated water falls, as mentioned, in the context of the present invention predominantly as ice.
  • the means set up for determining the amount of water can therefore, for example, comprise means for determining a thickness of an ice layer on the respective condenser units and / or a weight of one of them
  • Capacitor unit exceeds a predetermined value and switching from the second operating phase to the first operating phase, when an amount of ice on the first capacitor unit exceeds a predetermined value.
  • the process of the invention is particularly suitable for dehumidifying hydrocarbon-rich, water-containing gas mixtures,
  • Figure 1 shows a system according to an embodiment of the invention in a first phase of operation in a schematic representation.
  • FIG. 2 shows the system according to FIG. 1 in a second operating phase in FIG
  • FIG. 1 shows a system according to an embodiment of the invention in
  • the plant is designated 100 in total.
  • the plant 100 can be supplied with a hydrous gas stream illustrated here with FIG.
  • the water-containing gas stream 1 can via appropriate valves 1 a and 1 b either in a first condensation chamber 10 or a second
  • Condensation space 20 are introduced.
  • a dehumidified gas stream 2 can be removed from the condensation chamber 10 or 20 via corresponding lines.
  • the illustration in Figures 1 and 2 is greatly simplified, in particular additional valves, pressure measuring devices, control and / or
  • FIG. 1 illustrates a first operating phase in which the
  • valves for example, the valve 1 a in Figure 1
  • continuously switched valves for example, the valve 1 b in Figure 1
  • dehumidified gas stream 2 and a water stream 3 (see below).
  • first capacitor unit 1 1 is arranged in the first condensation chamber 10.
  • second capacitor unit 21 is arranged in the second condensation chamber 20, a second capacitor unit 21 is arranged. These each have suitably formed contact surfaces (not shown).
  • a refrigerant circuit is indicated at 30 in total.
  • Refrigerant circuit 30 is fed by means of a refrigerator unit 31, which may be formed in a known manner.
  • the refrigerator unit 31 has a
  • Refrigeration unit 31 is adapted to suck via the refrigerant inlet 31 a a vaporized refrigerant from the refrigerant circuit 30 and the
  • Refrigerant at the refrigerant outlet 31 b increased pressure and fed in liquefied form in the refrigerant circuit 30.
  • the refrigerant circuit 30 comprises a valve arrangement 23, which is set up as a means for alternatively charging the condenser units 1 and 21 with refrigerant.
  • the valve arrangement 23 comprises the valves 23a to 23d, whose
  • refrigerant provided at the refrigerant outlet 31 b of the refrigerating machine unit 31 is first conducted through the first condenser unit 1 1.
  • the passed through the condenser unit 1 1 (liquefied and pressurized) refrigerant is optionally further cooled in this and then relaxed at a relaxation unit 32, here illustrated as a relaxation valve, in the second condenser unit 21.
  • the second capacitor unit 21 can thus be released
  • the condenser unit 1 1 is defrosted
  • Refrigerant from the output 31 b of the refrigerator unit 31 can be used.
  • the separating water can be removed as a stream of water 3. If the (first) condenser unit 1 1 is sufficiently defrosted, preferably completely, and if, for example, an amount of ice has separated on the second condenser unit 21 that exceeds a predetermined value, it is switched over to the operating phase shown in FIG.
  • Refrigeration unit 31 provided (liquefied and pressurized)
  • Refrigerant is now first fed into the condensation unit 21, passed through this, relaxed at the expansion valve 23 into the first condensation unit 1 1 and returned via the input 31 a of the chiller unit 31 in this.
  • the second condenser unit 21 can now be regenerated, wherein water is deposited as stream 3.

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Abstract

Es wird eine Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100), die zur Reduzierung eines Wassergehalts eines insbesondere kohlenwasserstoffreichen wasserhaltigen Gasstroms (1) eingerichtet ist und einen mittels einer Kältemaschineneinheit (31) mit einem Kältemittel gespeisten Kältemittelkreislauf (30) aufweist, in den eine Entspannungseinheit (32) für das Kältemittel eingebunden ist, wobei die Kältemaschineneinheit (31) einen Kältemitteleingang (31a) und einen Kältemittelausgang (31b) aufweist und dafür eingerichtet ist, das Kältemittel an dem Kältemitteleingang (31a) gasförmig anzusaugen und an dem Kältemittelausgang (31b) druckerhöht und verflüssigt abzugeben, vorgeschlagen. Der Kältemittelkreislauf (30) umfasst eine erste Kondensatoreinheit (11) und eine zweite Kondensatoreinheit (21). Es sind Mittel (23) vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, das Kältemittel in einer ersten Betriebsphase von dem Kältemittelausgang (31b) durch die erste Kondensatoreinheit (11) zu leiten, mittels der Entspannungseinheit (32) in die zweite Kondensatoreinheit (21) zu entspannen und zu dem Kältemitteleingang (31a) zurückzuleiten. Die Mittel (23) sind ferner dafür eingerichtet, das Kältemittel in einer zweiten Betriebsphase von dem Kältemittelausgang (31b) durch die zweite Kondensatoreinheit (21) zu leiten, mittels der Entspannungseinheit (32) in die erste Kondensatoreinheit (11) zu entspannen und zu dem Kältemitteleingang (31a) zurückzuleiten. Ferner sind Mittel (1a, 1b) vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, den wasserhaltigen Gasstrom (1) in der ersten Betriebsphase mit zumindest einer Kontaktfläche der zweiten Kondensatoreinheit (21) und in der zweiten Betriebsphase mit zumindest einer Kontaktfläche der ersten Kondensatoreinheit (22) in Kontakt zu bringen. Ein Verfahren zur Tieftemperatur-Kältetrocknung ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Anlage zur Tieftemperatur-Kältetrocknung und Tieftemperatur- Kältetrocknungsverfahren
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Tieftemperatur-Kältetrocknung eines
insbesondere kohlenwasserstoffreichen, wasserhaltigen Gasstroms und ein
entsprechendes Tieftemperatur-Kältetrocknungsverfahren.
Stand der Technik Bei der Förderung von Erdgas wird dieses meist mit Wasser (Wasserdampf) gesättigt aus der Sonde entnommen. Auch andere kohlenwasserstoffreiche Gasgemische wie Biogas, Klärgas und Deponiegas weisen i.d.R. einen hohen Wassergehalt auf.
Ein wesentlicher Schritt bei der Aufbereitung derartiger kohlenwasserstoffreicher, wasserhaltiger Gasgemische, beispielsweise in Verdichterstationen, stellt die
Abtrennung des Wassers (sogenannte Entfeuchtung) dar, um ein unerwünschtes Auskondensieren in nachgeschalteten Apparaten und Rohrleitungen zu verhindern. Wasser führt auch bei der Verbrennung entsprechender Gasgemische zu erheblichen Korrosionsschäden, beispielsweise an Gasmotoren und Turbinen. Störungen durch diese Schäden führen zu erheblichen Ausfallzeiten und hohen Reparaturkosten.
Die Entfeuchtung wird gemäß Stand der Technik beispielsweise unter Verwendung von Triethylenglycol durchgeführt. Allerdings wird hierbei in einem einstufigen Prozess nur ein Taupunkt von ca. 10 °C erreicht. Der Prozess muss daher mehrstufig ausgeführt werden, wodurch sich sowohl die Investitionskosten als auch die Betriebskosten erhöhen, da das Triethylenglycol jeweils bei Temperaturen von bis zu 200 °C verdampft werden muss. Auch ergeben sich hierbei Verluste an Triethylenglycol.
Auch die ebenfalls bekannte Entfeuchtung mittels Adsorption an Kieselgel oder Zeolith hat Nachteile. Insbesondere muss die Regeneration des Adsorbens, sofern nicht aufwendig unter Vakuum durchgeführt, auch hier bei relativ hohen Temperaturen zwischen 120 und 250 °C erfolgen. Durch den Temperaturwechsel wird das Adsorbens stark beansprucht und dessen Lebensdauer reduziert. Auch die Absorption mittels Molekularsieben ist hinsichtlich ihres Energieverbrauchs und der zwangsläufig auftretenden Gasverluste häufig nicht wirtschaftlich. Insbesondere aus dem Bereich der Luftentfeuchtung sind Verfahren zur
Kältetrocknung bekannt. Bei der herkömmlichen Kältetrocknung sind jedoch nur Taupunkte über 3 °C zu erreichen, weil eine Vereisung des Wärmetauschers vermieden werden soll. Der erzielbare Restfeuchtegehalt von 5,953 g/m3 ist für Druckluftanwendungen häufig ausreichend.
Zur Erreichung niedrigerer Restfeuchtegehalte, wie sie für die eingangs erwähnten kohlenwasserstoffreichen Gasgemische benötigt werden, ist ebenfalls aus dem
Bereich der Luftentfeuchtung die sogenannte Tieftemperatur-Kältetrocknung bekannt (vgl. Barlmeyer, N.: Quadratur des Kreises - Tieftemperatur-Kältetrockner im
Praxiseinsatz, Brauindustrie 5/2007, Seite 32). Die Tieftemperatur-Kältetrocknung umfasst die Kondensation und das Ausfrieren des Wasserdampfs an geeigneten Kondensatoreinheiten. Zur Regeneration werden diese jeweils erwärmt. Es werden Drucktaupunkte von -20 bis zu -70 °C erreicht, so dass technisch trockene Druckluft mit einer Restfeuchte von nur 0,880 bis 0,00330 g/m3 erzeugt werden kann.
Auch bekannte Verfahren zur Kältetrocknung besitzen jedoch Mängel, insbesondere in ihrer Energieeffizienz. Es besteht daher der Bedarf nach Verbesserungen.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch eine Anlage zur Tieftemperatur-Kältetrocknung eines insbesondere kohlenwasserstoffreichen wasserhaltigen Gasstroms, und ein
entsprechendes Tieftemperatur-Kältetrocknungsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die vorliegende Erfindung geht von einer an sich bekannten Tieftemperatur- Kältetrocknungsanlage aus, die zur Reduzierung eines Wassergehalts eines wasserhaltigen Gasstroms eingerichtet ist. Wie eingangs erläutert, sind derartige Anlagen insbesondere aus dem Bereich der Luftentfeuchtung bekannt. Eine derartige Anlage weist typischerweise einen mit einer Kältemaschineneinheit gespeisten
Kältemittelkreislauf mit einer entsprechenden Entspannungseinheit zur kälteleistenden Entspannung des Kältemittels auf. Typische Kältemaschineneinheiten umfassen dabei einen Kältemitteleingang und einen Kältemittelausgang. Der Kältemitteleingang wird auch als "Saugseite" der Kältemaschineneinheit, der Kältemittelausgang entsprechend auch als ihre "Druckseite" bezeichnet. Die Kältemaschineneinheit ist dabei dafür eingerichtet, an dem Kältemitteleingang (Saugseite) ein verdampftes Kältemittel anzusaugen, dieses zu verdichten, zu kondensieren und an dem Kältemittelausgang (Druckseite) druckerhöht und verflüssigt abzugeben. Ein derartiger Betrieb entspricht jenem bekannter Kältemaschineneinheiten.
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, eine entsprechende Tieftemperatur- Kältetrocknungsanlage mit einem Kältemittelkreislauf auszubilden, in den eine erste Kondensatoreinheit und eine zweite Kondensatoreinheit eingebunden sind. Die erste Kondensatoreinheit und die zweite Kondensatoreinheit sind für einen alternierenden Betrieb, wie nachfolgend erläutert, eingerichtet. Hierbei sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, das Kältemittel von dem erwähnten Kältemittelausgang der Kältemaschineneinheit in einer ersten Betriebsphase zunächst durch die erste
Kondensatoreinheit zu leiten und dann über die Entspannungseinheit in die zweite
Kondensatoreinheit zu entspannen. Der überwiegende Anteil der durch das Kältemittel bereitgestellten Kälteleistung kann daher in der ersten Betriebsphase in der zweiten Kondensatoreinheit genutzt werden. Diese kühlt sich entsprechend ab. In einer zweiten Betriebsphase wird hingegen das Kältemittel von dem Kältemittelausgang der
Kältemaschineneinheit durch die zweite Kondensatoreinheit geleitet und über die
Entspannungseinheit in die erste Kondensatoreinheit entspannt. Umgekehrt zur zuvor dargestellten Konstellation steht daher die Entspannungskälte des Kältemittels überwiegend in der ersten Kondensatoreinheit zur Verfügung. Im Rahmen dieser Anmeldung wird dabei unter einer "Kondensatoreinheit" ein Apparat verstanden, der zum Kühlen zumindest einer Oberfläche ausgebildet ist, die mit einem Gasstrom in Kontakt gebracht werden kann und hier als "Kontaktfläche" bezeichnet wird. Die Temperatur der zumindest einen Kontaktfläche kann dabei so eingestellt werden, dass sich eine gasförmige Komponente aus dem Gasstrom an der Oberfläche abscheidet. Die in der erfindungsgemäßen Anlage abgeschiedene gasförmige Komponente ist Wasserdampf, der vorzugsweise als Eis an der zumindest einen Kontaktfläche abgeschieden wird. Die Kondensatoreinheit kann dabei geeignete Oberflächenstrukturen, beispielsweise zur Vergrößerung der Oberfläche der zumindest einen Kontaktfläche und/oder zur Ausbildung geeigneter Trägerstrukturen für das abgeschiedene Eis, aufweisen.
Unter einem "wasserhaltigen" Gasstrom wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Gasstrom verstanden, der eine relative Feuchte von 1 bis 150 % aufweist. Die relative Feuchte bezeichnet, wie dem Fachmann bekannt, den Wassergehalt bezogen auf den gesättigten Zustand. Beispielsweise ist ein Biogas bei 40 °C in der Lage, bei einer relativen Feuchte von 100% ca. 50 g/m3 Wasser aufzunehmen. Bei 45 °C beträgt dieser Wert 64 g/m3, bei 10 °C nur noch 9 g/m3. Ein "wasserhaltiger" Gasstrom kann daher abhängig von seiner Temperatur beispielsweise 1 bis 100 g/m3, insbesondere 10 bis 90 g/m3, beispielsweise 20, 30, 40, 50, 60, 70 oder 80 g/m3 Wasser aufweisen. Die Erfindung eignet sich auch zum Einsatz bei wasserübersättigten Gasgemischen.
Ein "kohlenwasserstoffreicher" Gasstrom weist zumindest 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder 95% Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, auf molarer,
Volumen- oder Massebasis auf. Der verbleibende Rest kann vollständig aus
Wasserdampf bestehen oder seinerseits zumindest 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder 95% Wasser auf molarer, Volumen- oder Massebasis aufweisen. Beispiele für wasserhaltige und kohlenwasserstoffreiche Gasströme sind, wie erwähnt, beispielsweise Erdgas und Biogas. Die Kondensatoreinheiten sind in einem ansonsten abgeschlossenen Raum
angeordnet, der von dem entsprechenden Gasstrom durchströmt werden kann. Dieser wird hier als "Kondensationsraum" bezeichnet. Die Geschwindigkeit des Gasstroms, dessen Druck, seine Temperatur und die Temperatur an der zumindest einen
Kontaktfläche der Kondensatoreinheit werden dabei so eingestellt, dass sich ein gewünschter Anteil der jeweils abzuscheidenden Komponente, hier Wasser, an der zumindest einen Kontaktfläche der Kondensatoreinheit abscheidet. Im Idealfall würde die abzuscheidende Komponente dabei vollständig aus dem Gasstrom entfernt, in der Praxis können jedoch auch ggf. gewisse Restgehalte an Wasser akzeptabel sein, die beispielsweise bei unter 1 %, insbesondere bei unter 0,5%, 0,4%, 0,3%, 0,2% oder 0, 1 %) relativer Feuchte liegen. Die Erfindung erlaubt es, beispielsweise durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit des wasserhaltigen Gasstroms, diesen Restgehalt an betriebliche und/oder wirtschaftliche Forderungen anzupassen. Die erfindungsgemäße Anlage kann auch jederzeit mit Vor- und/oder Nachreinigungsschritten gekoppelt werden, beispielsweise mit adsorptiven Verfahren und/oder einer herkömmlichen Kältetrocknung. Die vorliegende Erfindung kann also zusätzlich oder alternativ zu bekannten Verfahren zur Entfeuchtung eingesetzt werden. Beispielsweise kann eine Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage einer herkömmlichen Kältetrocknungsanlage nachgeordnet werden, in der die Hauptwassermenge durch andere Kältekreisläufe reduziert bzw. entfernt wird.
Eine erfindungsgemäße Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage umfasst Mittel, die dafür eingerichtet sind, den zu trocknenden wasserhaltigen Gasstrom in der ersten Betriebsphase mit zumindest einer Kontaktfläche der zweiten Kondensatoreinheit und in der zweiten Betriebsphase mit zumindest einer Kontaktfläche der ersten
Kondensatoreinheit in Kontakt zu bringen. Der zu trocknende wasserhaltige Gasstrom wird damit also jeweils mit zumindest einer Kontaktfläche jener Kondensatoreinheit in Kontakt gebracht, die jeweils durch die Entspannung des entsprechenden Kältemittels gekühlt wird. Die Mittel, die zur Steuerung des Kältemittelstroms (d.h. zur Einspeisung des Kältemittels zunächst in die erste Kondensatoreinheit, anschließend in die
Entspannungseinheit und dann die zweite Kondensatoreinheit oder umgekehrt) eingerichtet sind, umfassen vorteilhafterweise eine Ventilanordnung, die, wie in der unten erläuterten Figur 1 oder 2 dargestellt, beispielsweise vier Ventile umfassen kann.
Ein Kernaspekt der Erfindung liegt daher in der "Vertauschung" der Saug- und
Druckseite der verwendeten Kältemaschineneinheit (bezogen auf die jeweils durch diese gespeisten Kondensatoren). Wie nachfolgend erläutert, lassen sich hierdurch die Temperaturpotentiale einer entsprechenden Kältemaschineneinheit deutlich besser nutzen als dies bei herkömmlichen Anlagen der Fall ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht durch die erläuterten Mittel einen alternierenden Betrieb zweier Kondensatoreinheiten. Die Kondensatoreinheiten sind in der
erfindungsgemäßen Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage zum Abscheiden des in dem zu trocknenden wasserhaltigen Gasstrom enthaltenden Wassers durch Ausfrieren eingerichtet. Das ausfrierende Wasser scheidet sich dabei naturgemäß als Eis an der Oberfläche (hier mit dem Begriff "Kontaktfläche" bezeichnet) der Kondensatoreinheit, die jeweils mit dem entspannten Kältemittel gespeist wird, ab. Hat die Eisschicht auf einer entsprechenden Kondensatoreinheit einen zulässigen Wert überschritten, sinkt die Trocknungsleistung der jeweiligen Kondensatoreinheit aufgrund der zunehmenden Oberflächentemperatur bzw. der Isolationswirkung der Eisschicht ab. In diesem Fall muss die entsprechende Kondensatoreinheit regeneriert werden, was in einer
Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage durch Erwärmen auf eine Temperatur von über 0° C möglich ist (hier auch als "Abtauen" bezeichnet). Diese Erwärmung führt jedoch in herkömmlichen Anlagen zu einem "Verlust" der zuvor für die Kühlung eingesetzten Kälteleistung. Eine erfindungsgemäße Kondensatoreinheit kann hingegen unter teilweiser Verwendung des unter Druck stehenden Kältemittels vom Ausgang der Kältemaschineneinheit angewärmt werden.
Es versteht sich, dass die zur Regeneration ("Abtauen") erforderliche Zeit auch kürzer sein kann als die Zeit, während derer die jeweils andere Kondensatoreinheit zum Abscheiden des Wassers aus dem wasserhaltigen Gasstrom zur Verfügung steht. In diesem Fall kann die regenerierte Kondensatoreinheit bereits vorgekühlt werden und steht dann unmittelbar für einen neuen Abscheidezyklus zur Verfügung. Es handelt sich also um einen weiteren (dritten) Betriebsmodus. Um eine kontinuierliche Trocknung zu ermöglichen, wird während der Regeneration, während derer die eine Kondensatoreinheit erwärmt wird, der zu trocknende, wasserhaltige Gasstrom mit der zumindest einen Kontaktfläche der jeweils anderen Kondensatoreinheit in Kontakt gebracht. Diese wird ihrerseits mit dem entspannten Kältemittelstrom beaufschlagt und kühlt sich dementsprechend ab. Vorteilhafterweise wird diese bereits zuvor vorgekühlt.
Erfindungsgemäß ist es möglich, bei der Erwärmung der jeweils zu regenerierenden Kondensatoreinheit die zuvor investierte Kälteleistung, die im Wesentlichen in Form von Verdichterleistung bereitgestellt wurde, zurückzugewinnen. Das Kältemittel, das die Kältemaschineneinheit über den Kältemittelausgang druckerhöht und verflüssigt verlässt, wird dabei in der zu regenerierenden Kondensatoreinheit abgekühlt und diese im Gegenzug erwärmt. Hierdurch lässt sich die Leistung der Kältemaschineneinheit um einen entsprechenden Betrag reduzieren. Diese Energiereduktion erweist sich insbesondere bei der Tieftemperatur- Kältetrocknung als vorteilhaft, weil hierbei Abkühlprozesse auf bis zu -40 °C erfolgen, in entsprechenden Erwärmungsphasen jedoch Temperaturen von über 0 °C benötigt werden. Entsprechend große Temperaturgradienten erfordern hohe Energiemengen, die durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen beträchtlich reduziert werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind ferner keine hohen
Regenerationstemperaturen für verwendete Absorber und/oder Lösungsmittel, wie eingangs erläutert, erforderlich. Die vorliegende Erfindung eignet sich dabei insbesondere zur Kältetrocknung von kohlenwasserstoffreichen, wasserhaltigen Gasgemischen wie beispielsweise Erdgas, Klärgas, Biogas und Deponiegas. Derartige Gase weisen, wie erläutert, i.d.R. einen beträchtlichen Wassergehalt auf und sind im Extremfall wassergesättigt. Die Erfindung eignet sich auch für andere wasserhaltige Gasgemische wie Druckluft.
Als weiterer positiver Effekt der erfindungsgemäßen Maßnahmen ergibt sich eine weitgehende Entfernung auch anderer störender Komponenten aus dem
wasserhaltigen Gasstrom, die gegebenenfalls nachgeordnete Verfahrensschritte stören können. Beispielsweise kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung Ammoniak aus dem wasserhaltigen Gasstrom abgeschieden werden.
Wie bereits erläutert, erfolgt in der Kondensatoreinheit, durch die jeweils das
Kältemittel in flüssiger Form und vor der Entspannung geleitet wird, eine Regeneration, d.h. ein Abtauen. Hierzu muss dieses eine entsprechende Temperatur aufweisen. Die jeweils andere Kondensatoreinheit wird zum Abscheiden zumindest eines Teils des Wassers aus dem wasserhaltigen Gasstrom verwendet.
Der erfindungsgemäße Kältemittelkreislauf ist daher derart betreibbar, dass sich in der ersten Betriebsphase eine Temperatur an einer Oberfläche der zweiten
Kondensatoreinheit und in der zweiten Betriebsphase eine Temperatur an einer
Oberfläche der ersten Kondensatoreinheit auf weniger als 0 °C, insbesondere auf -60 bis -20 °C, beispielsweise auf -40 °C, verringert. Diese Kondensatoreinheit wird damit jeweils zum "Ausfrieren" des Wassers aus dem wasserhaltigen Gasstrom eingesetzt. Entsprechend ist der Kältemittelkreislauf auch derart betreibbar, dass sich in der ersten Betriebsphase eine Temperatur an einer Oberfläche der ersten Kondensatoreinheit und in der zweiten Betriebsphase eine Temperatur an einer Oberfläche der zweiten Kondensatoreinheit auf wenigstens 0° erhöht.
Diese Temperaturerhöhung kann durch das Durchleiten des jeweiligen Kältemittels, das gleichzeitig ein Abkühlen des Kältemittels bewirkt, erzielt werden. Hierdurch kann, wie erläutert, die zuvor investierte Energie zumindest zum Teil zurückgewonnen werden. Die Temperaturerhöhung auf wenigstens 0 °C, insbesondere auf 20 bis 60 °C, beispielsweise auf 40 °C, ermöglicht ein rasches Abtauen der jeweiligen
Kondensatoreinheit. Dem Fachmann sind Kältemittel, die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, hinlänglich bekannt, so dass diesbezüglich auf bekannte Nachschlagewerke verwiesen werden kann. Der Fachmann entnimmt die jeweils möglichen Temperaturbereiche derartiger Kältemittel den beispielsweise durch die Hersteller zur Verfügung gestellten Zustandsdiagrammen. In dem erfindungsgemäß verwendeten Kältemittelkreislauf sind die beiden
Kondensatoreinheiten über eine Entspannungseinheit, wie zuvor erläutert, miteinander verbunden. Diese Entspannungseinheit kann beispielsweise ein bidirektionales
Entspannungsventil umfassen, das es ermöglicht, das Kältemittel sowohl in dem ersten Betriebsmodus als auch in dem zweiten Betriebsmodus in die jeweils dafür
vorgesehene Kondensatoreinheit zu entspannen. Alternativ dazu können jedoch auch mehrere (beispielsweise zwei) unidirektionale Entspannungsventile verwendet werden, wobei jeweils eines der unidirektionalen Entspannungsventile über eine Bypassleitung umgangen werden kann. Vorteilhafterweise sind die erwähnten Kondensatoreinheiten jeweils in entsprechenden Kondensationsräumen angeordnet. Die erste Kondensatoreinheit ist dabei in einem ersten Kondensationsraum und die zweite Kondensatoreinheit in einem zweiten Kondensationsraum angeordnet. Ferner sind Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, den wasserhaltigen Gasstrom in der ersten Betriebsphase in den zweiten
Kondensationsraum und in der zweiten Betriebsphase in den ersten
Kondensationsraum einzuleiten.
Vorteilhafterweise weisen der erste Kondensationsraum und der zweite
Kondensationsraum jeweils einen Wasserabzug auf, über den beim Abtauen jeweils anfallendes Wasser abgeleitet werden kann. Besonders vorteilhaft ist eine erfindungsgemäße Anlage, wenn diese Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, den Wassergehalt des wasserhaltigen Gasstroms zu bestimmen. Dies ermöglicht eine Planung der Dauer der jeweiligen ersten und zweiten Betriebsphasen, weil auf Grundlage der erwarteten Wasser- bzw. Eismenge zumindest größenordnungsmäßig abschätzbar ist, welche Zeit jeweils bis zu einem erforderlichen Umschalten zwischen den Betriebsphasen zur Verfügung steht.
In entsprechender Weise können auch Mittel vorteilhaft sein, die dafür eingerichtet sind, eine mittels der ersten und/oder der zweiten Kondensatoreinheit aus dem wasserhaltigen Gasstrom abgeschiedene Wassermenge zu bestimmen. Das abgeschiedene Wasser fällt, wie erwähnt, im Rahmen der vorliegenden Erfindung überwiegend als Eis an. Die zur Bestimmung der Wassermenge eingerichteten Mittel können daher beispielsweise Mittel zur Bestimmung einer Dicke einer Eisschicht auf den jeweiligen Kondensatoreinheiten und/oder eines Gewichts einer daran
abgeschiedene Wasser- bzw. Eismenge umfassen. Überschreitet die jeweilige Menge einen vorgegebenen Wert, kann jeweils von der Betriebsart "Abscheiden" zu der Betriebsart "Regeneration" (bezogen auf die jeweilige Kondensatoreinheit)
umgeschaltet werden. Die jeweils andere Kondensatoreinheit übernimmt dann die Aufgabe der Wasserentfernung.
Insgesamt erweisen sich insbesondere Mittel als vorteilhaft, die dafür eingerichtet sind, ein auf Grundlage des Wassergehalts des wasserhaltigen Gasstroms und/oder einer aus dem wasserhaltigen Gasstrom abgeschiedenen Wassermenge zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umzuschalten. Eine entsprechende Anlage läuft vollständig automatisch und bedarf keines Benutzereingriffs. Insbesondere bietet eine derartige Anlage eine erhöhte Sicherheit, weil die Ausschleusung eines nicht ausreichend entfeuchteten Gasstroms verhindert wird. Das erfindungsgemäß ebenfalls vorgesehene Verfahren zur Tieftemperatur- Kältetrocknung, bei dem eine Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage wie zuvor erläutert eingesetzt wird, profitiert von den zuvor erläuterten Vorteilen, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Insbesondere wird in einem derartigen Verfahren in dem wasserhaltigen Gasstrom enthaltenes Wasser in der ersten Betriebsphase an der zweiten Kondensatoreinheit und in der zweiten Betriebsphase an der ersten
Kondensatoreinheit in Form von Eis abgeschieden, wie zuvor erläutert.
Auch erfolgt in einem derartigen Verfahren ein Umschalten von der ersten
Betriebsphase in die zweite Betriebsphase, wenn eine Eismenge auf der zweiten
Kondensatoreinheit einen vorgegebenen Wert übersteigt und ein Umschalten von der zweiten Betriebsphase in die erste Betriebsphase, wenn eine Eismenge auf der ersten Kondensatoreinheit einen vorgegebenen Wert übersteigt. Wie mehrfach erläutert, eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zum Entfeuchten kohlenwasserstoffreicher, wasserhaltiger Gasgemische,
insbesondere Erdgas, Biogas, Klärgas und/oder Deponiegas.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert, die eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer ersten Betriebsphase in schematischer Darstellung.
Figur 2 zeigt die Anlage gemäß Figur 1 in einer zweiten Betriebsphase in
schematischer Darstellung. Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in
schematischer Darstellung. Die Anlage ist insgesamt mit 100 bezeichnet. Der Anlage 100 kann ein hier mit 1 veranschaulichter wasserhaltiger Gasstrom zugeführt werden. Der wasserhaltige Gasstrom 1 kann über entsprechende Ventile 1 a und 1 b wahlweise in einen ersten Kondensationsraum 10 oder einen zweiten
Kondensationsraum 20 eingeleitet werden. Über entsprechende Leitungen kann jeweils ein entfeuchteter Gasstrom 2 aus dem Kondensationsraum 10 oder 20 entnommen werden. Die Darstellung in den Figuren 1 und 2 ist stark vereinfacht, insbesondere sind zusätzliche Ventile, Druckmesseinrichtungen, Steuer- und/oder
Regelungseinrichtungen und dergleichen der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt.
In der Figur 1 ist dabei eine erste Betriebsphase veranschaulicht, in der der
wasserhaltige Gasstrom 1 in den zweiten Kondensationsraum 20 eingeleitet und der entfeuchtete Gasstrom 2 aus diesem entnommen wird. In der Figur 1 und in der unten erläuterten Figur 2 sind aktive, d.h. von einem Fluid durchströmte Leitungen jeweils mit durchgezogenen Linien und Pfeilen und nicht aktive, d.h. leere und/oder versperrte
Leitungen jeweils mit gestrichelten Linien und Pfeilen dargestellt. Jeweils in sperrender Stellung befindliche Ventile (beispielsweise das Ventil 1 a in Figur 1 ) sind schwarz, durchgängig geschaltete Ventile (beispielsweise das Ventil 1 b in Figur 1 ) sind hingegen weiß dargestellt. Dies betrifft sowohl den wasserhaltigen Gasstrom 1 , den
entfeuchteten Gasstrom 2 und einen Wasserstrom 3 (siehe hierzu unten).
In dem ersten Kondensationsraum 10 ist eine erste Kondensatoreinheit 1 1 angeordnet. In dem zweiten Kondensationsraum 20 ist eine zweite Kondensatoreinheit 21 angeordnet. Diese weisen jeweils geeignet ausgebildete Kontaktflächen auf (nicht dargestellt). Ein Kältemittelkreislauf ist insgesamt mit 30 angegeben. Der
Kältemittelkreislauf 30 wird mittels einer Kältemaschineneinheit 31 gespeist, die in bekannter Art ausgebildet sein kann. Die Kältemaschineneinheit 31 weist einen
Kältemitteleingang 31 a und einen Kältemittelausgang 31 b auf. Die
Kältemaschineneinheit 31 ist dazu ausgebildet, über den Kältemitteleingang 31 a ein verdampftes Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf 30 anzusaugen und das
Kältemittel an dem Kältemittelausgang 31 b druckerhöht und in verflüssigter Form in den Kältemittelkreislauf 30 einzuspeisen.
Der Kältemittelkreislauf 30 umfasst eine Ventilanordnung 23, die als Mittel zur alternativen Beaufschlagung der Kondensatoreinheiten 1 bzw. 21 mit Kältemittel eingerichtet ist. Die Ventilanordnung 23 umfasst die Ventile 23a bis 23d, deren
Funktion sich aus der Figur 1 bzw. 2 ergibt. In der ersten Betriebsphase (Figur 1 ) wird dabei an dem Kältemittelausgang 31 b der Kältemaschineneinheit 31 bereitgestelltes Kältemittel zunächst durch die erste Kondensatoreinheit 1 1 geleitet. Das durch die Kondensatoreinheit 1 1 geleitete (verflüssigte und druckbeaufschlagte) Kältemittel wird in dieser ggf. weiter abgekühlt und anschließend an einer Entspannungseinheit 32, hier als Entspannungsventil veranschaulicht, in die zweite Kondensatoreinheit 21 entspannt. Die zweite Kondensatoreinheit 21 kann damit die freiwerdende
Entspannungskälte nutzen und dient damit zum Abscheiden des Wassers aus dem wasserhaltigen Gasstrom 1. Das Kältemittel wird anschließend zum Kältemitteleingang 31 a der Kältemaschineneinheit 31 zurückgeführt.
In der dargestellten Betriebsphase wird die Kondensatoreinheit 1 1 abgetaut
(regeneriert), wozu die Wärme des (verflüssigten und druckbeaufschlagten)
Kältemittels von dem Ausgang 31 b der Kältemaschineneinheit 31 genutzt werden kann. Das sich abscheidende Wasser kann als Wasserstrom 3 abgezogen werden. Ist die (erste) Kondensatoreinheit 1 1 hinreichend abgetaut, vorzugsweise vollständig, und hat sich beispielsweise auf der zweiten Kondensatoreinheit 21 eine Eismenge abgeschieden, die einen vorgegebenen Wert überschreitet, wird in die der Figur 2 dargestellte Betriebsphase umgeschaltet.
Die in der Figur 2 dargestellte Betriebsphase der Tieftemperatur- Kältetrocknungsanlage 100 ergibt sich aus der Zeichnung entsprechend der
Strichelung der entsprechenden Ströme. Das an dem Ausgang 31b der
Kältemaschineneinheit 31 bereitgestellte (verflüssigte und druckbeaufschlagte)
Kältemittel wird nun zunächst in die Kondensationseinheit 21 eingespeist, durch diese geführt, an dem Entspannungsventil 23 in die erste Kondensationseinheit 1 1 entspannt und über den Eingang 31 a der Kältemaschineneinheit 31 in diese zurückgeführt.
Entsprechend kann nun die zweite Kondensatoreinheit 21 regeneriert werden, wobei Wasser als Strom 3 abgeschieden wird.

Claims

Patentansprüche
Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100), die zur Reduzierung eines
Wassergehalts eines wasserhaltigen Gasstroms (1) eingerichtet ist und einen mittels einer Kältemaschineneinheit (31) mit einem Kältemittel gespeisten
Kältemittelkreislauf (30) aufweist, in den eine Entspannungseinheit (32) für das Kältemittel eingebunden ist, wobei die Kältemaschineneinheit (31) einen
Kältemitteleingang (31a) und einen Kältemittelausgang (31 b) aufweist und dafür eingerichtet ist, das Kältemittel an dem Kältemitteleingang (31a) gasförmig anzusaugen und an dem Kältemittelausgang (31 b) druckerhöht und verflüssigt abzugeben, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislauf (30) eine erste Kondensatoreinheit (11) und eine zweite Kondensatoreinheit (21) umfasst, dass Mittel (23) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, das Kältemittel in einer ersten Betriebsphase von dem Kältemittelausgang (31 b) durch die erste Kondensatoreinheit (11) zu leiten, mittels der Entspannungseinheit (32) in die zweite Kondensatoreinheit (21) zu entspannen und anschließend zu dem
Kältemitteleingang (31a) zurückzuleiten, und die dafür eingerichtet sind, das Kältemittel in einer zweiten Betriebsphase von dem Kältemittelausgang (31 b) durch die zweite Kondensatoreinheit (21) zu leiten, mittels der
Entspannungseinheit (32) in die erste Kondensatoreinheit (1 1) zu entspannen und zu dem Kältemitteleingang (31 a) zurückzuleiten, und dass ferner Mittel (1a, 1 b) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, den wasserhaltigen Gasstrom (1) in der ersten Betriebsphase mit zumindest einer Kontaktfläche der zweiten
Kondensatoreinheit (21) und in der zweiten Betriebsphase mit zumindest einer Kontaktfläche der ersten Kondensatoreinheit (22) in Kontakt zu bringen.
Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100) nach Anspruch 1 , bei der der Kältemittelkreislauf (30) derart betreibbar ist, dass sich in der ersten Betriebsphase eine Temperatur an der zumindest einen Kontaktfläche der zweiten
Kondensatoreinheit (21 ) und in der zweiten Betriebsphase eine Temperatur an der zumindest einen Kontaktfläche der ersten Kondensatoreinheit (1 1) auf weniger als 0 °C, insbesondere auf -60 bis -20 °C, beispielsweise auf -40 °C, verringert.
3. Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der Kältemittelkreislauf (30) derart betreibbar ist, dass sich in der ersten Betriebsphase eine Temperatur an der zumindest einen Kontaktfläche der ersten
Kondensatoreinheit (1 1 ) und in der zweiten Betriebsphase eine Temperatur an der zumindest einen Kontaktfläche der zweiten Kondensatoreinheit (21 ) auf wenigstens 0 °C, insbesondere auf 20 bis 60 °C, beispielsweise auf 40 °C, erhöht.
4. Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, bei der die Entspannungseinheit (32) wenigstens ein bidirektionales Entspannungsventil umfasst.
5. Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, bei der die erste Kondensatoreinheit (1 1 ) in einem ersten
Kondensationsraum (10) und die zweite Kondensatoreinheit (21 ) in einem zweiten Kondensationsraum (20) angeordnet ist und Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, den wasserhaltigen Gasstrom (1 ) in der ersten Betriebsphase in den zweiten Kondensationsraum (20) und in der zweiten Betriebsphase in den ersten Kondensationsraum (10) einzuleiten. 6. Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100) nach Anspruch 5, bei der der erste Kondensationsraum (10) und der zweite Kondensationsraum (20) jeweils einen Wasserabzug zur Entnahme eines Wasserstroms (3) aufweisen.
7. Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, bei der Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, den
Wassergehalt des wasserhaltigen Gasstroms (1 ) zu bestimmen.
8. Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, bei der Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, eine aus dem wasserhaltigen Gasstrom (1 ) abgeschiedene Wassermenge zu bestimmen.
9. Tieftemperatur-Kältetrocknungsanlage (100) nach einem der vorstehenden
Ansprüche, bei der Mittel vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, auf
Grundlage eines Wassergehalts des wasserhaltigen Gasstroms (1) und/oder einer aus dem wasserhaltigen Gasstrom (1 ) abgeschiedenen Wassermenge zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus umzuschalten.
10. Verfahren zur Tieftemperatur-Kältetrocknung, bei dem eine Tieftemperatur- Kältetrocknungsanlage (100) nach einem der vorstehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Kältemittel in der ersten Betriebsphase von dem
Kältemittelausgang (31 b) durch die erste Kondensatoreinheit (1 1) geleitet, mittels der Entspannungseinheit (32) in die zweite Kondensatoreinheit (21 ) entspannt und anschließend zu dem Kältemitteleingang (31 a) zurückgeleitet wird, und wobei das Kältemittel in der zweiten Betriebsphase von dem Kältemittelausgang (31 b) durch die zweite Kondensatoreinheit (21 ) geleitet, mittels der Entspannungseinheit (32) in die erste Kondensatoreinheit (1 1 ) entspannt und zu dem Kältemitteleingang (31 a) zurückgeleitet wird, wobei der wasserhaltige Gasstrom (1 ) in der ersten Betriebsphase mit zumindest einer Kontaktfläche der zweiten Kondensatoreinheit (21 ) und in der zweiten Betriebsphase mit zumindest einer Kontaktfläche der ersten Kondensatoreinheit (22) in Kontakt gebracht wird.
1 1. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem in dem wasserhaltigen Gasstrom (1 )
enthaltenes Wasser in der ersten Betriebsphase auf der zumindest einen
Kontaktfläche der zweiten Kondensatoreinheit (21 ) und in der zweiten
Betriebsphase auf der zumindest einen Kontaktfläche der ersten
Kondensatoreinheit (1 1) in Form von Eis abgeschieden wird. 12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , bei dem jeweils von der ersten Betriebsphase in die zweite Betriebsphase umgeschaltet wird, wenn eine Eismenge auf der zweiten Kondensatoreinheit (21 ) einen vorgegebenen Wert übersteigt, und bei dem jeweils von der zweiten Betriebsphase in die erste Betriebsphase umgeschaltet wird, wenn eine Eismenge auf der ersten Kondensatoreinheit (11 ) einen vorgegebenen Wert übersteigt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem ein
kohlenwasserstoffreicher wasserhaltiger Gasstrom (1 ), insbesondere Erdgas, Biogas, Klärgas und/oder Deponiegas, verwendet wird.
PCT/EP2014/001206 2013-05-16 2014-05-06 Anlage zur tieftemperatur-kältetrocknung und tieftemperatur- kältetrocknungsverfahren WO2014183842A1 (de)

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