VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM VERFLÜSSIGEN VON GASEN

Abstract

 Ein Verfahren zum Verflüssigen von Gasen, bei denen das zu verflüssigende Gas in wenigstens einem ersten Wärmetauscher mit tiefkaltem, flüssigen, gasförmigem oder überkritischem Wasserstoff in thermischen Kontakt gebracht und dadurch gekühlt wird, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff nach Durchlaufen des ersten Wärmetauschers in einen stromauf zum ersten Wärmetauscher angeordneten Vorwärmetauscher zurückgeführt wird und dort den zur Kühlung eingesetzten Wasserstoff auf eine Temperatur erwärmt, bei der ein Gefrieren des zu verflüssigenden Gases im ersten Wärmetauscher ausgeschlossen ist. Anschließend wird der Wasserstoff erneut dem ersten Wärmetauscher zugeführt, um mit dem zu verflüssigenden Gas in Wärmekontakt gebracht zu werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Gases, bei dem Gas in wenigstens einem ersten Wärmetauscher mit einem Wärmeübertragungsmedium in thermischen Kontakt gebracht und dadurch verflüssigt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine entsprechende Vorrichtung.

[0002] Eine Verflüssigung von Gasen kommt beispielsweise bei Verfahren zur kryogenen Luftzerlegung zur Anwendung, bei denen hochreine Luftgase, wie Stickstoff, Sauerstoff oder Argon, hergestellt werden. Dabei wird Umgebungsluft angesaugt, gereinigt und auf einen Druck von beispielsweise 6 bar verdichtet. Anschließend wird die verdichtete Luft durch thermischen Kontakt mit einem Wärmeübertragungsmedium, beispielsweise Wasser, auf Umgebungstemperatur und im weiteren Verlauf durch thermischen Kontakt mit den erzeugten Luftgaskomponenten auf eine Temperatur von -170 °C bis -193 °C abgekühlt. Durch Entspannung wird die verdichtete Luft weiter abgekühlt, wobei sie sich teilweise verflüssigt, um anschließend in einer Trennkolonne in ihre Hauptbestandteile Stickstoff und Sauerstoff zerlegt zu werden. Argon und ggf. weitere Edelgase werden in ähnlicher Weise in weiteren Verfahrensschritten erzeugt. Zur weiteren Lagerung oder weiteren Verwendung können die in Gasform erzeugten Gaskomponenten, insbesondere Stickstoff, durch thermischen Kontakt mit einem Wärmeübertragungsmedium verflüssigt werden. Die erzeugten Gaskomponenten werden in ein Rohrleitungsnetz eingespeist oder in Tankwagen ihrer Verwendung zugeführt.

[0003] Ein alternatives Verfahren zur Zerlegung von Luft ist beispielsweise das Druckwechsel-Adsorptionsverfahren (PSA- oder VPSA-Verfahren). Die in diesem Verfahren in reiner Form dargestellte Luftgaskomponente, beispielsweise Stickstoff oder Sauerstoff, liegt jedoch in der Regel bei Umgebungstemperatur vor und muss zum Zwecke der Lagerung oder des Transports nach ihrer Herstellung oft mit beträchtlichem Energieaufwand verflüssigt werden.

[0004] Eine zunehmend wichtige Rolle in der Energieerzeugung dürfte in Zukunft flüssigem Wasserstoff (LH₂) zukommen, der beispielsweise in Ländern mit einem hohen Potenzial an regenerativen Energiequellen, wie Sonne oder Wind, durch Elektrolyse erzeugt und im tiefkalt verflüssigten Zustand nach Europa transportiert wird. Die Siedetemperatur von flüssigem Wasserstoff (bei 1013 mbar) beträgt -253°C; demzufolge könnte der Kälteinhalt des flüssigen Wasserstoffs also insbesondere zur Verflüssigung von Luftgasen eingesetzt werden. Problematisch ist jedoch, dass diese Temperatur des Wasserstoffs auch unterhalb der Gefriertemperatur der meisten Gase liegt, sodass bei der Verflüssigung unter Nutzung der Wasserstoffkälte stets die Gefahr besteht, dass es zur Eisbildung in den Prozessanlagen kommt. Dem könnte zwar beispielsweise mit elektrischen Heizeinrichtungen entgegengewirkt werden, hierdurch würde sich jedoch die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens drastisch vermindern.

[0005] Bekannt ist zudem, in einem Zwischenkreislauf ein nicht gefrierendes Wärmeübertragungsmedium zirkulieren zu lassen, das die Übertragung von Wärme zwischen zwei Medien unterschiedlicher Temperatur vermittelt. Nachteilig ist hier allerdings, dass der Zwischenkreislauf zu einem erhöhten apparativen Aufwand und, aufgrund der Notwendigkeit einer Pumpe oder eines Gebläses im Kreislauf zu zusätzlichen Energiekosten führt, sodass auch hier eine Wirtschaftlichkeit nicht immer gegeben ist.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, eine wirtschaftliche Möglichkeit zur Verflüssigung von Gasen, insbesondere Luftgasen, unter Nutzung des Kälte tiefkalt verflüssigten Wasserstoffs zu schaffen.

[0007] Gelöst ist diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0008] Ein Verfahren der eingangs genannten Art und Zweckbestimmung ist also dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsmedium tiefkalt verflüssigter oder kalter gasförmiger oder überkritischer Wasserstoff zum Einsatz kommt, der als Kaltwasserstoff vor Durchlaufen des ersten Wärmetauschers einen Vorwärmetauscher durchläuft und der nach Durchlaufen des ersten Wärmetauschers zumindest in einem Teilstrom zumindest einmal in den Vorwärmetauscher zurückgeführt wird, um im Vorwärmetauscher den Kaltwasserstoff vor dessen Zuführung an den ersten Wärmetauscher auf eine Temperatur zu erwärmen, die so gewählt ist, dass das zu verflüssigende Gas im ersten Wärmetauscher verflüssigt wird, jedoch nicht gefriert.

[0009] Die Erfindung schlägt also vor, die Kälte von Wasserstoff, der einer Quelle, beispielsweise einem Speichertank oder einer Leitung, in tiefkalt verflüssigter, gasförmiger oder überkritischer Form bei einer Temperatur unterhalb der Gefriertemperatur des zu verflüssigten Gases vorliegt (im Folgenden auch "Kaltwasserstoff" genannt) im ersten Wärmetauscher zur Verflüssigung eines Gases einzusetzen, beispielsweise eines Gases, das in einem Verfahren zur kryogenen Luftzerlegung oder einem PSA-Verfahren anfällt. Beispielsweise handelt es sich bei dem zu verflüssigenden Gas um N₂, O₂, Argon oder ein anderes Edelgas, Kohlendioxid oder um eine Mischung von mehreren dieser Gase, oder um Luft.

[0010] Bei der Temperatur, die so gewählt ist, dass das zu verflüssigende Gas im ersten Wärmetauscher verflüssigt wird, jedoch nicht gefriert, handelt es sich um einen Temperaturwert, der, unter Berücksichtigung des Wärmewiderstandes des eingesetzten ersten Wärmetauschers, mindestens ausreicht, um das zu verflüssigende Gas im ersten Wärmetauscher an keiner Stelle unter seine Gefriertemperatur zu bringen. Ein minimaler Temperaturwert des dem ersten Wärmetauscher zugeführten Kaltwasserstoffs dürfte in der Regel auf dem oder knapp unter dem Gefrierpunkt des zu verflüssigenden Gases sein, beispielsweise um 0,1K bis 5 K darunter; der maximale Temperaturwert liegt dabei so weit unterhalb der Siedetemperatur des zu verflüssigenden Gases, dass dessen Verflüssigung im ersten Wärmetauscher gewährleistet ist.

[0011] Erfindungsgemäß wird der beim Wärmetausch mit dem zu verflüssigten Gas an einer ersten Wärmetauscherfläche im ersten Wärmetauscher erwärmte Wasserstoff dazu genutzt, den Kaltwasserstoff vor dessen Zuführung an den ersten Wärmetauscher im Vorwärmetauscher auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der ein Gefrieren des zu verflüssigenden Gases ausgeschlossen ist. Der aus dem ersten Wärmetauscher zugeführte Wasserstoff wird dabei entweder zumindest teilweise dem Kaltwasserstoff beigemischt, oder im Vorwärmetauscher erfolgt ein indirekter Wärmeübergang, wobei anschließend der bei der Erwärmung des Kaltwasserstoffs abgekühlte Wasserstoff seinerseits erneut zur Kühlung des zu verflüssigten Gases an mindestens einer zweiten Wärmetauscherfläche im ersten Wärmetauscher eingesetzt werden kann. Die Erfindung kommt somit ohne Zwischenkreislauf oder Heizeinrichtungen aus, wodurch eine hohe Wirtschaftlichkeit gegeben ist.

[0012] Entsprechend den jeweiligen thermodynamischen Verhältnissen kann es sich als sinnvoll oder notwendig erweisen, den Wasserstoff in Schleifen mehrmals hintereinander durch den ersten Wärmetauscher und/oder den Vorwärmetauscher zuführen, wobei der Wasserstoff in jeder Schleife jeweils an einer separaten Wärmetauscherfläche zur Kühlung des zu verflüssigenden Gases bzw. zur Erwärmung des Kaltwasserstoffs beiträgt.

[0013] Im Rahmen der Erfindung ist es im Übrigen auch möglich, die Funktion des ersten Wärmetauschers auch auf zwei in Reihe geschaltete Apparate aufzuteilen. Das zu verflüssigende Gas wird dabei bevorzugt im Gegenstrom zum Wasserstoff geführt, also zunächst durch den, in Strömungsrichtung des Wasserstoffs gesehen, hinteren Wärmetauscher, in welchem es durch thermischen Kontakt mit dem aus dem vorderen Wärmetauscher dem hinteren Wärmetauscher zugeführten Wasserstoff auf eine Temperatur nahe seiner Siedetemperatur gebracht wird, und anschließend durch den vorderen Wärmetauscher, im welchem es beim thermischen Kontakt mit dem Wasserstoff verflüssigt und auf eine vorgegebene Temperatur unterhalb seiner Siedetemperatur, jedoch oberhalb seiner Gefriertemperatur gebracht wird; im Falle von Stickstoff beispielsweise auf eine Temperatur zwischen 65K und 75K.

[0014] In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird ein Teilstrom des Wasserstoffs nach Durchlaufen des ersten Wärmetauschers in den Vorwärmetauscher zurückgeführt und dort dem Kaltwasserstoff zugemischt. In diesem Fall ist der "Vorwärmetauscher" also ein Mischer. Durch eine temperaturgesteuerte Regelung des Mengenstroms des zurückgeführten Teilstroms lässt sich so die Temperatur des Kaltwasserstoffs am Eingang zum ersten Wärmetauscher genau einstellen. Der nicht zurückgeführte Wasserstoff-Teilstrom wird beispielsweise zur Vorkühlung des zu verflüssigenden Gases genutzt.

[0015] Eine alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, wenigstens einen Teilstrom des Wasserstoffs nach dem erstmaligen Durchlaufen des ersten Wärmetauschers und des Vorwärmetauschers zumindest einmal erneut durch den ersten Wärmetauscher zu leiten, wo er an einer zweiten und ggf. weiteren Wärmetauscherfläche wiederum in indirekten Wärmetausch mit dem zu verflüssigenden Gas gebracht wird. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist insbesondere, dass zur Rückführung des Wasserstoffstroms bzw. Teilstroms keine Pumpe o.ä. erforderlich ist.

[0016] Nach einem zweiten Durchlauf durch den ersten Wärmetauscher kann bei dieser Ausgestaltung anschließend zumindest ein Teilstrom des Wasserstoffs durch eine zweite Wärmetauscherfläche des Vorwärmetauscher geführt und dort erneut zur Erwärmung des Kaltwasserstoffs eingesetzt werden. Anschließend kann der dabei abgekühlte Wasserstoff an einer dritten Wärmetauscherfläche im ersten Wärmetauscher erneut mit dem zu verflüssigenden Gas in Wärmekontakt gebracht werden. Auf diese Weise kann der Wasserstoff, oder zumindest ein Teilstrom davon, eine Mehrzahl von Schleifen durchlaufen, in denen er jeweils nacheinander an jeweils separaten Wärmetauscherflächen mit dem zu verflüssigenden Gas im ersten Wärmetauscher und mit dem Kaltwasserstoff im Vorwärmetauscher in thermischen Kontakt gebracht und anschließend erneut dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird. Besonders vorteilhaft ist es dabei, den Mengenstrom des Wasserstoffs insgesamt und/oder den Mengenstrom eines in einer Schleife zurückgeführten Teilstroms zu regeln, um beispielsweise den Temperaturwert des dem ersten Wärmetauscher zugeführten Kaltwasserstoffs genau einstellen zu können.

[0017] Eine Schleifenführung kann in beiden der vorgenannten Varianten im Übrigen auch in der Weise vorgenommen werden, dass ein Teilstrom des den ersten Wärmetauscher verlassenden Wasserstoffs zwecks Kühlung des zu verflüssigenden Gases direkt in den ersten zurückgeführt wird, wobei dessen Mengenstrom in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur, beispielsweise der des dem ersten Wärmetauscher zugeführten Kaltwasserstoffs, geregelt wird.

[0018] Beispielsweise erweist es sich zum Verflüssigen von bei Umgebungstemperatur (300K) vorliegendem Stickstoff oder Sauerstoff mit bei einer Temperatur von 25K bis 35K vorliegendem Wasserstoff als vorteilhaft, dass zumindest der größte Teil des dem ersten Wärmetauscher zugeführten Wasserstoffs in zumindest drei Schleifen nacheinander in der beschriebenen Weise durch den ersten Wärmetauscher und den Vorwärmetauscher geführt wird.

[0019] Eine abermals vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wasserstoff nach dem Durchlaufen des ersten Wärmetauschers einen zweiten Wärmetauscher (Vorkühler) zum Kühlen des zu verflüssigenden Gases auf eine Temperatur vorzugsweise oberhalb von dessen Siedetemperatur durchläuft. In diesem Fall tritt das zu verflüssigende Gas mit einer gegenüber seiner Ausgangstemperatur erniedrigten Temperatur, jedoch noch in der Regel gasförmig in den ersten Wärmetauscher ein.

[0020] Bevorzugt kommt das erfindungsgemäße Verfahren bei der Verflüssigung eines Gases zum Einsatz, das in einem Verfahren zur Luftzerlegung gewonnen wurde, insbesondere bei einem Verfahren zur kryogenen Luftzerlegung, etwa nach dem Linde-Verfahren oder bei Druckwechseladsorptionsverfahren (PSA oder VPSA-Verfahren).

[0021] Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst.

[0022] Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Verflüssigung von Gasen weist einen Speichertank für tiefkalt verflüssigten Wasserstoff auf, an den eine Kaltwasserstoffzuleitung angeschlossen ist, in der ggf. eine Fördereinrichtung installiert sein kann, und ist mit einem ersten Wärmetauscher, der eine Zuführleitung für das zu verflüssigende Gas, eine Austrittsleitung für das verflüssigte Gas, wenigstens eine erste Wasserstoffzuleitung und wenigstens eine zur ersten Wasserstoffzuleitung korrespondierende Wasserstoffausleitung und eine zu diesen korrespondierende erste Wärmetauscherfläche zum thermischen Kontaktieren mit dem zu verflüssigenden Gas aufweist, sowie mit einem Vorwärmetauscher ausgerüstet, der eine Kaltwasserstoffzuleitung, eine Kaltwasserstoffausleitung sowie eine an die erste Wasserstoffausleitung des ersten Wärmetauschers stromab zu dieser angeschlossene erste Wasserstoffzuleitung zum Aufwärmen des aus dem Speichertank in der Kaltwasserstoffzuleitung zugeführten Wasserstoffs (Kaltwasserstoff) im Vorwärmetauscher aufweist.

[0023] "Korrespondierend" bedeutet hier, dass der durch die erste Wasserstoffzuleitung zugeführte Wasserstoff vollständig die erste Wärmetauscherfläche durchläuft, an dieser mit dem zu verflüssigten Gas in indirekten Wärmekontakt gebracht wird und anschließend vollständig über die erste Wasserstoffausleitung aus dem ersten Wärmetauscher abgeführt wird. Sind n (wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist) Wärmetauscherflächen im ersten Wärmetauscher vorhanden, bedeutet "korrespondierend", dass der über die n-te Wasserstoffzuleitung zugeführte Wasserstoff vollständig die n-te Wärmetauscherfläche durchläuft und an dieser mit dem zu verflüssigten Gas in thermischen Kontakt gebracht wird und vollständig über die n-te Wasserstoffausleitung aus dem ersten Wärmetauscher abgeführt wird; das sinngemäß Gleiche soll auch für die Verhältnisse im Vorwärmetauscher gelten, sofern dieser eine oder mehrere Wärmetauscherflächen aufweist.

[0024] Die erfindungsgemäße Vorrichtung sieht also eine zumindest teilweise Rückführung des im ersten Wärmetauscher erwärmten Wasserstoffs an den Vorwärmetauscher zur Aufwärmung des dort hindurchgeführten Kaltwasserstoffs vor mit dem Ziel, den Kaltwasserstoff vor seiner Zuführung an den ersten Wärmetauscher auf eine Temperatur zu erwärmen, die so gewählt ist, dass das zu verflüssigende Gas im ersten Wärmetauscher verflüssigt wird, jedoch nicht gefriert.

[0025] Üblicherweise wird der Wasserstoff in einem Speichertank in tiefkaltem verflüssigten Zustand gespeichert und weist somit eine Temperatur auf, die tiefer liegt als die Siedetemperatur der meisten übrigen Gase. Wird der flüssige Wasserstoff mittels einer Pumpe aus dem Speicherbehälter entnommen, liegt er anschließend im flüssigen, gasförmigem oder überkritischen Zustand vor, jedoch immer noch bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Siedetemperatur des zu verflüssigenden Gases. Der aus dem Speichertank entnommene und in den Vorwärmetauscher erstmals eintretende Wasserstoff (hier als "Kaltwasserstoff" bezeichnet) liegt also im tiefkaltverflüssigten, kalten gasförmigen oder kalten überkritischen Zustand vor. Als "kalter" gasförmiger oder überkritischer Zustand soll hier gasförmiger oder überkritischer Wasserstoff verstanden werden, der bei einer Temperatur oberhalb seiner Siedetemperatur bei Umgebungsdruck, jedoch unterhalb des Siedepunkts des zu verflüssigenden Gases vorliegt, beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 25K und 90K. Durch die Aufnahme von Wärme aus dem zu verflüssigenden Gas heizt sich der Wasserstoff auf; im Falle der Verwendung von Wasserstoff unterhalb seines kritischen Drucks (13 bar) verdampft dieser, oberhalb seines kritischen Punktes erwärmt er sich ohne Phasenänderung. Besonders bevorzugt handelt es sich um flüssigen Wasserstoff, der zum Zwecke des Weitertransports oder der Verarbeitung oder Verbrennung ohnehin in den gasförmigen bzw. überkritischen Zustand überführt werden soll; die hierzu erforderliche Energie wird erfindungsgemäß durch das zu verflüssigende Gas zumindest teilweise bereitgestellt.

[0026] Eine vorteilhafte erste Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht dabei vor, dass die erste Wasserstoffzuleitung des Vorwärmetauschers in die Kaltwasserstoffausleitung des Vorwärmetauschers einmündet, und an der ersten Wasserstoffausleitung des ersten Wärmetauschers eine Einrichtung zum Regeln der Rückführung eines Teilstroms des Wasserstoffs in die Wasserstoffzuleitung des Vorwärmetauschers vorgesehen ist. In diesem Fall ist der "Vorwärmetauscher" also ein Mischer, an dem der Kaltwasserstoffstrom mit einem Teilstrom des im ersten Wärmetauscher erwärmten Wasserstoffs vermischt wird. Die Temperatur des über die Kaltwasserstoffausleitung abgeführten und anschließend dem ersten Wärmetauscher zugeführten Wasserstoffs ergibt sich aus dem Mischungsverhältnis und den Temperaturen der gemischten Wasserstoffströme. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung ist es im Übrigen vorteilhaft, stromab zum ersten Wärmetauscher (in Strömungsrichtung des Wasserstoffs gesehen) einen weiteren Wärmetauscher bzw. Vorkühler (hier "zweiter Wärmetauscher" genannt) vorzusehen, der das zu verflüssigende Gas vor seiner Zuführung an den ersten Wärmetauscher vorkühlt.

[0027] In einer anderen vorteilhaften Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchläuft der Wasserstoff eine Mehrzahl von Wärmetauscherflächen, sowohl im ersten Wärmetauscher, als auch im Vorwärmetauscher, und wird dort jeweils mit dem zu verflüssigenden Gas bzw. mit dem Kaltwasserstoff in indirektem thermischen Kontakt gebracht; es findet also keine Mischung statt. Weist also der Vorwärmetauscher - neben der Kaltwasserstoffzuleitung und der Kaltwasserstoffausleitung - n (wobei n eine natürliche Zahl ohne Null ist) Wasserstoffzuleitungen und n dazu korrespondierende Wärmetauscherflächen und Wasserstoffausleitungen auf, und der erste Wärmetauscher n+1 Wasserstoffzuleitungen und n+1 dazu korrespondierende Wärmetauscherflächen und Wasserstoffausleitungen, dann ist die Kaltwasserstoffausleitung des Vorwärmetauschers an die erste Wasserstoffzuleitung des ersten Wärmetauschers und die n-te Wasserstoffausleitung des Vorwärmetauschers an die (n+1)-te Wasserstoffzuleitung des ersten Wärmetauschers und die n-te Wasserstoffausleitung des ersten Wärmetauschers an die n-te Wasserstoffzuleitung des Vorwärmetauschers angeschlossen. Die (n+1)-te Wasserstoffausleitung des ersten Wärmetauschers führt nicht mehr zum Vorwärmetauscher zurück.

[0028] Nach Verlassen des ersten Wärmetauschers und/oder des Vorwärmetauschers an einer n-ten Wasserstoffausleitung (oder an mehreren davon) kann jedoch bei dieser Ausgestaltung ein Teilstrom des Wasserstoffs ausgekoppelt und abgeführt werden. Die Aufteilung auf die Teilströme des zurückgeführten Wasserstoffs und des ausgekoppelten Wasserstoffs erfolgt dabei bevorzugt mittels einer Regelung in Abhängigkeit von gemessenen Parametern, wie beispielsweise der Temperatur des Kaltwasserstoffs beim Eintritt in den ersten Wärmetauscher.

[0029] Eine besonders vorteilhafte weiterführende Ausgestaltung der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmetauscher, der - in Fließrichtung des Wasserstoffs gesehen - stromab zum ersten Wärmetauscher angeordnet ist, welcher zweite Wärmetauscher eine Zuführung für das zu verflüssigende Gas und eine Ausleitung für das zu verflüssigende Gas sowie eine Wasserstoffzuleitung und eine Wasserstoffausleitung aufweist. Der zweite Wärmetauscher dient insbesondere zum Vorkühlen des zu verflüssigenden Gases.

[0030] Ein ggf. vorhandener dritter, stromab zum ersten bzw. zu den beiden ersten Wärmetauschern installierter Wärmetauscher dient bevorzugt zum Anwärmen des die vorgeschalteten Wärmetauscher verlassenden Wasserstoffs. Die hierzu erforderliche Wärme kann beispielsweise einem Prozessmedium, beispielsweise einem Kühlwasserstrom entnommen werden.

[0031] Bevorzugt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Regeleinrichtung ausgestattet, mittels der zumindest ein Teilstrom eines durch den ersten Wärmetauscher geführten Wasserstoffstroms regelbar ist. Die Reglung erfolgt dabei nach einem vorgegebenen Programm und/oder in Abhängigkeit von einem gemessenen Parameter, wie beispielsweise der Temperatur des verflüssigten Gases und/oder des Wasserstoffs an einer Stelle stromauf oder stromab zum ersten Wärmetauscher. Eine derartige Regeleinrichtung kann insbesondere den Strom des gesamten über die Kaltwasserstoffzuführung geführten Wasserstoffs regeln, oder einen Teilstrom, der über eine oder mehrere der oben beschriebenen Schleifen geführt wird. Die Regelung ermöglicht insbesondere die volle Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auch bei schwankendem Mengenstrom und/oder Temperaturen des zu verflüssigenden Gases.

[0032] Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung eignen sich insbesondere für die Verflüssigung von Gasen, die im Zuge eines Verfahrens zur Zerlegung von Luft anfallen, beispielsweise für Gase, die in einem Verfahren zur kryogenen Luftzerlegung zu verflüssigen sind, oder Gase, die im Anschluss an eine Lufttrennung mittels PSA oder VPSA verflüssigt werden sollen.

[0033] Der den ersten und/oder zweiten Wärmetauscher verlassende Wasserstoff und/oder im Speichertank aufgrund des natürlichen Wärmeeintrags verdampfender Wasserstoff kann insbesondere zur Stromerzeugung eingesetzt werden, beispielsweise in einer nachgeschalteten Brennstoffzelle. Der in der Stromerzeugungseinrichtung erzeugte Strom kann beispielsweise in einer Einrichtung zur Luftzerlegung zum Einsatz kommen, in der das zu verflüssigende Gas anfällt, zum Betrieb stromverbrauchender Komponenten eingesetzt werden, wie beispielweise eines zum Verdichten der Luft eingesetzten Kompressors.

[0034] Der noch vorhandene Kälteinhalt des Wasserstoffs und/oder des erzeugten Flüssigstickstoffstroms kann im Übrigen auch zur Kühlung eines anderen in einer Einrichtung zur Luftzerlegung erzeugten Gasstroms, beispielsweise eines Sauerstoffstroms, verwendet werden.

[0035] Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden. In schematischen Ansichten zeigt:

Fig. 1:

eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform

Fig. 2:

eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform

[0036] Die in Fig. 1 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 1 weist einen ersten Wärmetauscher 2, einen zweiten Wärmetauscher 3 und einen Vorwärmetauscher 4 auf. Der zweite Wärmetauscher 3 weist eine Zuführleitung 5 für ein zu verflüssigendes Gas, im Ausführungsbeispiel Stickstoff, sowie eine Austrittsleitung 6 für das zu verflüssigende Gas auf. Die Austrittsleitung 6 ist mit einer Zuführleitung 7 für das zu verflüssigende Gas des ersten Wärmetauschers 2 strömungsverbunden. Weiterhin weist der erste Wärmetauscher 2 eine Austrittsleitung 8 für das verflüssigte Gas auf.

[0037] Aus einem Speichertank 10, in dem Wasserstoff in tiefkalt verflüssigtem Zustand bevorratet wird, führt eine Kaltwasserstoffzuleitung 11, in der eine Pumpe 12 zum Fördern des Wasserstoffs angeordnet ist, zum Vorwärmetauscher 4. Der dort zugeführte Wasserstoff tritt an einer Kaltwasserstoffausleitung 13 aus dem Vorwärmetauscher 4 aus. Die Kaltwasserstoffausleitung 13 ist an eine erste Wasserstoffzuleitung 15a des ersten Wärmetauschers 2 angeschlossen. Der Wasserstoff durchläuft anschließend im ersten Wärmetauscher 2 eine erste Wärmetauscherfläche 16a, an der er in indirekten thermischen Kontakt mit dem über die Zuführleitung 7 herangeführten zu verflüssigenden Gas gebracht wird, und verlässt den ersten Wärmetauscher 2 über eine erste Wasserstoffausleitung 17a.

[0038] An einer Verzweigungsstelle mit Dreiwegeventil 18 mit Dreiwegeventil mündet die Wasserstoffausleitung 17a in eine Wasserstoffleitung 20 ein. Die Wasserstoffleitung 20 durchläuft eine Wärmetauscherfläche 21 des zweiten Wärmetauschers 3, an der der durch die Wasserstoffleitung 20 geführte Wasserstoff in indirekten thermischen Kontakt mit dem über die Zuführleitung 5 herangeführten zu verflüssigenden Gas gebracht wird.

[0039] Stromab zum zweiten Wärmetauscher 3 kann in der Wasserstoffleitung 20 ein optionaler dritter Wärmetauscher 22 angeordnet sein, der zur Nutzung der Restkälte des Wasserstoffs dient. Die Wasserstoffleitung 20 führt von dort weiter zu einem hier nicht näher spezifizierten Verbraucher 23, bei dem es sich beispielsweise um eine Einrichtung zu Energieerzeugung, eine Gasleitung oder eine Einrichtung zum Abfüllen von gasförmigem Wasserstoff handeln kann.

[0040] Weiterhin besteht am Dreiwegeventil 18 eine Strömungsverbindung, die einen Teilstrom des Wasserstoffs in einer ersten Schleife 25 zum Vorwärmetauscher 4 zurückführt. Der in der Schleife 25 zurückgeführte Wasserstoff strömt über eine erste Wasserstoffzuleitung 26a des Vorwärmetauschers 4 in diesen ein, durchläuft dort eine erste Wärmetauscherfläche 27a, an der er in indirekten thermischen Kontakt mit dem über die Kaltwasserstoffzuleitung 11 herangeführten Wasserstoffs aus dem Speichertank 10 gebracht wird, und verlässt den zweiten Vorwärmetauscher 4 über eine erste Wasserstoffausleitung 28a.

[0041] Die erste Wasserstoffausleitung 28a wiederum ist an eine zweite Wasserstoffzuleitung 15b des ersten Wärmetauschers 2 angeschlossen. Der Wasserstoff durchläuft anschließend im ersten Wärmetauscher 2 eine zweite Wärmetauscherfläche 16b, an der er in indirekten thermischen Kontakt mit dem über die Zuführleitung 7 herangeführten zu verflüssigenden Gas gebracht wird, und verlässt den ersten Wärmetauscher 2 über eine zweite Wasserstoffausleitung 17b. Diese ist über eine zweite Schleife 29 an eine zweite Wasserstoffzuleitung 26b des Vorwärmetauschers 4 angeschlossen. Über diese strömt der Wasserstoff in den Vorwärmetauscher 4 ein, durchläuft dort eine zweite Wärmetauscherfläche 27b des zweiten Wärmetauschers 3, an der er in indirekten thermischen Kontakt mit dem über die Kaltwasserstoffzuleitung 11 herangeführten Wasserstoffs aus dem Speichertank 10 gebracht wird, und verlässt den Vorwärmetauscher 4 über eine zweite Wasserstoffausleitung 28b.

[0042] Die Wasserstoffausleitung 28b wiederum ist an eine dritte Wasserstoffzuleitung 15c des ersten Wärmetauschers 2 angeschlossen. Der Wasserstoff durchläuft im ersten Wärmetauscher 2 eine dritte Wärmetauscherfläche 16c, an der er erneut in indirekten thermischen Kontakt mit dem über die Zuführleitung 7 herangeführten zu verflüssigenden Gas gebracht wird, und verlässt den ersten Wärmetauscher 2 über eine dritte Wasserstoffausleitung 17c. Diese mündet in die Wasserstoffleitung 20 ein. Beim Wärmekontakt mit dem Wasserstoff an den Wärmetauscherflächen 16a, 16b, 16c wird das über die Zuführleitung 7 herangeführte Gas verflüssigt und über die Austrittsleitung 8 abgeführt.

[0043] Im Übrigen kann der Wasserstoff aus der Wasserstoffausleitung 17c anschließend erneut in wenigstens einer weiteren Schleife in gleicher Weise wie oben beschrieben erneut dem Vorwärmetauscher 4 und anschließend dem ersten Wärmetauscher 2 zugeführt werden, was indes aus Gründen der Übersichtlichkeit hier nicht gezeigt ist. Die Gesamtzahl der vom Wasserstoff in den Wärmetauschern 2, 4 durchlaufenen Schleifen 25, 29 ergibt sich dabei aus den jeweiligen thermodynamischen Verhältnissen. Beispielsweise genügen zum Verflüssigen von bei Umgebungstemperatur (300 K) vorliegendem Stickstoff und einem Wasserstoff, der im Speichertank zwar bei 20K gelagert wird, jedoch nach Durchlaufen der Pumpe 12 eine Temperatur von beispielsweise 33K besitzt, vier Schleifen 25, 29, d.h. der Wasserstoff wird nach dem erstmaligen Durchlaufen des ersten Wärmetauschers 2 noch viermal über den Vorwärmetauscher 4 und den ersten Wärmetauscher 2 geführt, um den Stickstoff zu verflüssigen. Je nach den Eigenschaften des zu verflüssigenden Gases können jedoch auch weniger oder mehr Schleifen zum Einsatz kommen, beispielsweise nur einer oder zwei, oder auch bis zu zehn Schleifen oder mehr.

[0044] Mittels einer Regelung 30, die beispielsweise die Temperatur des verflüssigten Gases in der Kaltwasserstoffausleitung 13 misst, wird nach einem vorgegebenen Programm ein variabler Teilstrom des Wasserstoffs aus der Wasserstoffausleitung 17c über die Schleifen 25, 29 zurückgeführt, um den Vorwärmetauscher 4 und den ersten Wärmetauscher 3 zu durchlaufen. Der nicht zurückgeführte Teilstrom wird über die Wasserstoffleitung 20 abgeführt und gemeinsam mit dem aus der Wasserstoffausleitung 17c zuströmenden Wasserstoff im zweiten Wärmetauscher 3 durch thermischen Kontakt an der Wärmetauscherfläche 21 zur Vorkühlung des über die Zuleitung 5 zugeführten zu verflüssigenden Gases eingesetzt.

[0045] Eine danach verbliebene Restkälte des Wasserstoffs kann im dritten Wärmetauscher 22 zur Kühlung eines weiteren Mediums, beispielsweise von Kühlwasser, eingesetzt werden. Nach Durchlaufen des dritten Wärmetauschers 22 wird der Wasserstoff schließlich dem Verbraucher 23 zugeführt.

[0046] In der Vorrichtung 1 wird also das zu verflüssigende Gas in den Wärmetauschern 2, 3 mehrfach mit dem aus dem Speichertank 10 entnommenen Wasserstoff in thermischen Kontakt gebracht und dabei auf eine Temperatur unterhalb seines Siedepunktes abgekühlt, also verflüssigt. Das zu verflüssigende Gas durchläuft dabei den ersten Wärmetauscher 2 vorzugsweise (wie hier gezeigt) im Gegenstrom zum Wasserstoff. Im Vorwärmetauscher 4 wird dabei der aus dem Speichertank 10 entnommene Wasserstoff ("Kaltwasserstoff") durch den thermischen Kontakt mit dem bereits im ersten Wärmetauscher 2 erwärmten Wasserstoff so weit aufgeheizt, dass im ersten Wärmetauscher 2 an keiner Stelle eine Temperatur erreicht wird, bei der zu verflüssigendes Gas einfriert. Die Wärmetauscher 2, 3, 4 sind dabei sämtlich als indirekte Wärmetauscher ausgeführt, in denen kein direkter Kontakt des zu verflüssigenden Gases mit dem Wasserstoff, oder dem Wasserstoff aus den einzelnen Schleifen 25, 29 stattfindet.

[0047] Die in Fig. 2 gezeigte erfindungsgemäße Vorrichtung 31 weist, ähnlich wie die Vorrichtung 1 aus Fig. 1, einen ersten Wärmetauscher 32, einen zweiten Wärmetauscher 33 und einen Vorwärmetauscher 34 auf, wobei letzterer in diesem Ausführungsbeispiel als Mischer ausgeführt ist. Der zweite Wärmetauscher 33 weist eine Zuführleitung 35 für ein zu verflüssigendes Gas, im Ausführungsbeispiel Stickstoff, sowie eine Austrittsleitung 36 für das zu verflüssigende Gas auf. Die Austrittsleitung 36 ist mit einer Zuführleitung 37 für das zu verflüssigende Gas des ersten Wärmetauschers 32 strömungsverbunden. Weiterhin weist der erste Wärmetauscher 2 eine Austrittsleitung 38 für das verflüssigte Gas auf.

[0048] Aus einem Speichertank 40, in dem Wasserstoff in tiefkalt verflüssigtem Zustand bevorratet wird, führt eine Kaltwasserstoffzuleitung 41, in der eine Pumpe 42 zum Fördern des Wasserstoffs angeordnet ist, zum Mischer bzw. Vorwärmetauscher 34. Der dort zugeführte Wasserstoff tritt an einer Kaltwasserstoffausleitung 43 aus dem Vorwärmetauscher 34 aus. Die Kaltwasserstoffausleitung 43 ist an eine Wasserstoffzuleitung 45 des ersten Wärmetauschers 32 angeschlossen. Der Wasserstoff durchläuft anschließend im ersten Wärmetauscher 32 eine Wärmetauscherfläche 46, an der er in indirekten thermischen Kontakt mit dem über die Zuführleitung 37 herangeführten zu verflüssigenden Gas gebracht wird, und verlässt den ersten Wärmetauscher 32 über eine Wasserstoffausleitung 47. An der Wärmetauscherfläche 46 wird das zu verflüssigende Gas mit dem über die Kaltwasserstoffausleitung 43 zugeführten Wasserstoff in thermischen Kontakt gebracht und dabei auf eine Temperatur unterhalb seines Siedepunktes abgekühlt, also verflüssigt. Das zu verflüssigende Gas durchläuft dabei die Wärmetauscher 32, 33 vorzugsweise (wie hier gezeigt) im Gegenstrom zum Wasserstoff.

[0049] An einer Verzweigungsstelle mit Dreiwegeventil 48 ist die Wasserstoffausleitung 47 mit einer Wasserstoffleitung 50 verbunden. Die Wasserstoffleitung 50 durchläuft eine Wärmetauscherfläche 51 des zweiten Wärmetauschers 33, an der der durch die Wasserstoffleitung 50 geführte Wasserstoff in indirekten thermischen Kontakt mit dem über die Zuführleitung 35 herangeführten zu verflüssigenden Gas gebracht wird. Der Wasserstoff in der Wasserstoffleitung 50 wird anschließend, ggf. nach Durchlaufen eines hier nicht gezeigten, zum Kühlen eines weiteren Mediums eingesetzten dritten Wärmtauschers, einem Verbraucher 52 zugeführt.

[0050] Mittels einer Regelung 53, die beispielsweise die Temperatur des verflüssigten Gases in der Kaltwasserstoffausleitung 43 misst, wird nach einem vorgegebenen Programm ein variabler Teilstrom aus der Wasserstoffausleitung 47 abgezogen und über eine Rückleitung 54 mittels einer Pumpe 55 zum Vorwärmetauscher 34 zurückgeführt. An einer Mischstelle 56 mündet die Rückleitung 54 in die Kaltwasserstoffzuleitung 41 ein. Durch das Einmischen des abgezogenen Teilstroms in den über die Kaltwasserstoffzuleitung 43 dem ersten Wärmetauscher 32 zugeführten Kaltwasserstoff wird dieser auf eine Temperatur gebracht, bei der im ersten Wärmetauscher an keiner Stelle zu verflüssigendes Gas einfriert.

[0051] Die Vorrichtungen 1, 31 eignen sich insbesondere zur Verflüssigung von Luftgasen, wie Stickstoff, Sauerstoff oder Argon mit Hilfe des Kälteinhalts von flüssigem Wasserstoff. Der beim thermischen Kontakt mit dem zu verflüssigten Gas verdampfte und erwärmte Wasserstoff wird anschließend im hier so genannten Verbraucher 26, 52 seiner beabsichtigten Verwendung zugeführt.

Bezugszeichenliste

[0052] 

1	Vorrichtung	29	Schleife
2	Erster Wärmetauscher	30	Regelung
3	Zweiter Wärmetauscher	31	Vorrichtung
4	Vorwärmetauscher	32	Erster Wärmetauscher
5	Zuführleitung	33	Zweiter Wärmetauscher
6	Austrittsleitung	34	Vorwärmetauscher
7	Zuführleitung	35	Zuführleitung
8	Austrittsleitung	36	Austrittsleitung
9	-	37	Zuführleitung
10	Speichertank	38	Austrittsleitung
11	Kaltwasserstoffzuleitung	39	-
12	Pumpe	40	Speichertank
13	Kaltwasserstoffausleitung	41	Kaltwasserstoffzuleitung
14	-	42	Pumpe
15a, b, c	Wasserstoffzuleitung	43	Kaltwasserstoffausleitung
16a, b, c	Wärmetauscherfläche	44	-
17a, b, c	Wasserstoffausleitung	45	Wasserstoffzuleitung
18	Dreiwegeventil	46	Wärmetauscherfläche
19	-	47	Wasserstoffausleitung
20	Wasserstoffleitung	48	Dreiwegeventil
21	Wärmetauscherfläche	49	-
22	Dritter Wärmetauscher	50	Wasserstoffleitung
23	Verbraucher	51	Wärmetauscherfläche
24	-	52	Verbraucher
25	Schleife	53	Regelung
26a, b	Wasserstoffzuleitung	54	Rückleitung
27a, b	Wärmetauscherfläche	55	Pumpe
28a, b	Wasserstoffausleitung	56	Mischstelle

Ansprüche

1. Verfahren zum Verflüssigen eines Gases, bei dem Gas in wenigstens einem ersten Wärmetauscher (2, 32) mit einem Wärmeübertragungsmedium in thermischen Kontakt gebracht und dadurch verflüssigt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Wärmeübertragungsmedium tiefkalt verflüssigter kalter gasförmiger oder überkritischer Wasserstoff zum Einsatz kommt, der als Kaltwasserstoff vor Durchlaufen des ersten Wärmetauschers (2, 32) einen Vorwärmetauscher (4, 34) durchläuft und der nach Durchlaufen des ersten Wärmetauschers (2, 32) zumindest in einem Teilstrom zumindest einmal in den Vorwärmetauscher (4, 34) zurückgeführt wird, um im Vorwärmetauscher (4, 34) den Kaltwasserstoff vor dessen Zuführung an den ersten Wärmetauscher (2, 32) auf eine Temperatur zu erwärmen, die so gewählt ist, dass das zu verflüssigende Gas im ersten Wärmetauscher verflüssigt wird, jedoch nicht gefriert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom des Wasserstoffs nach Durchlaufen des ersten Wärmetauschers (32) im Vorwärmetauscher (34) dem zum ersten Wärmetauscher geführten Kaltwasserstoff zugemischt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff nach dem erstmaligen Durchlaufen des ersten Wärmetauschers (2) und des Vorwärmetauschers (4) zumindest in einem Teilstrom wenigstens einmal erneut zwecks Kühlung des zu verflüssigenden Gases in den ersten Wärmetauscher (2) zurückgeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff nach Durchlaufen des ersten Wärmetauschers (2, 32) einen zweiten Wärmetauscher (2, 32) zum Vorkühlen des zu verflüssigenden Gases durchläuft.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Einsatz zur Verflüssigung einer bei der Zerlegung von Luft erzeugten Gases.

5. Vorrichtung zum Verflüssigung von Gasen, mit einem Speichertank (10, 40) für tiefkalt verflüssigten Wasserstoff, mit einer mit dem Speichertank (10, 40) strömungsverbundenen Kaltwasserstoffzuleitung (11, 41), mit einem ersten Wärmetauscher (2, 32), der eine Zuführleitung (7, 37) für das zu verflüssigende Gas und eine Austrittsleitung (8, 38) für das verflüssigte Gas sowie wenigstens eine erste Wasserstoffzuleitung (15a, 45), eine zur ersten Wasserstoffzuleitung (15a, 45) korrespondierende Wasserstoffausleitung (17a, 47) und eine zu diesen korrespondierende erste Wärmetauscherfläche (16a, 46) aufweist, und mit einem Vorwärmetauscher (4, 34), der eine Kaltwasserstoffzuleitung (11, 41) und eine Kaltwasserstoffausleitung (13, 43) sowie eine an die erste Wasserstoffausleitung (17a, 47) des ersten Wärmetauschers (2, 32) stromab zu dieser angeschlossene Wasserstoffzuleitung (26a, 54) zum Aufwärmen des aus dem Speichertank (10, 40) zugeführten Wasserstoffs im Vorwärmetauscher (4, 34) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffzuleitung (54) des Vorwärmetauschers in die Kaltwasserstoffausleitung (43) des Vorwärmetauschers (34) an einer Mischstelle (56) einmündet an der ersten Wasserstoffausleitung (47) eine Einrichtung (53) zum Regeln der Rückführung wenigstens eines Teilstroms des Wasserstoffs in die Wasserstoffzuleitung (54) vorgesehen ist und in der Wasserstoffzuleitung (54) des Vorwärmetauschers (34) eine Pumpe (55) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärmetauscher (4) - neben der Kaltwasserstoffzuleitung (11) und der Kaltwasserstoffausleitung (13) - n Wasserstoffzuleitungen (26a, 26b) und n dazu korrespondierende Wasserstoffausleitungen (28a, 28b) und Wärmetauscherflächen (27a, 27b) aufweist und der erste Wärmetauscher (2) n+1 Wasserstoffzuleitungen (15a, 15b, 15c) und n+1 dazu korrespondierende Wärmetauscherflächen (16a, 16b, 16c) Wasserstoffausleitungen (17a, 17b, 17c) aufweist, wobei die n-te Wasserstoffausleitung (28a, 28b) des Vorwärmetauschers (4) an die (n+1)-te Wasserstoffzuleitung (15b, 15c) des ersten Wärmetauschers (2) angeschlossen ist und die n-te Wasserstoffausleitung (17a, 17b) des ersten Wärmetauschers (2) an die n-te Wasserstoffzuleitung (26a, 26b) des Vorwärmetauschers (4) angeschlossen ist, wobei n eine natürliche Zahl ungleich Null ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmetauscher (3, 33), der - in Fließrichtung des Wasserstoffs gesehen - stromab zum ersten Wärmetauscher (2, 32) angeordnet ist, welcher zweite Wärmetauscher (3, 33) eine Zuführung (5, 35) für das zu verflüssigende Gas und eine Ausleitung (6, 36) für das zu verflüssigende Gas, eine Wasserstoffzuleitung (20, 50) und eine Wasserstoffausleitung sowie eine Wärmetauscherfläche (21, 51) zum thermischen Kontaktieren des dem ersten Wärmetauscher (2, 32) zuzuführenden zu verflüssigenden Gases mit dem aus dem ersten Wärmetauscher (2, 32) abströmendem Wasserstoff aufweist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (30, 53), mittels der zumindest ein Teilstrom des durch den ersten Wärmetauscher (2, 32) geführten Wasserstoffs regelbar ist.

Zeichnung