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"Optimierung der Befüllung von Gasflaschen mit Argon"

  • Fachrichtung:Chemieingenieurwesen 
  • Studienfach:Chemieingenieurwesen 
  • Thema:
    Optimierung der Befüllung von Gasflaschen mit Argon
  • Art der Arbeit:Bachelorarbeit
  • Seitenzahl:28
  • Einzigartigkeit:95.5%
Seminararbeit
docx (2 MB)
Einzigartigkeit
pdf (1 MB)

Optimierung der
Befüllung von Gasflaschen mit Argon

Bachelor Thesis
vorgelegt an der
XXXXXXXXXXXXX
in Frankfurt/Main

zur Erlangung des akademischen Grades
Bachelor of Science
im Studiengang
Chemical Engineering

von

XXXXXXXXXXXXXXXX
XXXXXXXXXXXX
XXXXXXXXXXX
Matrikelnummer: XXXXX

eingereicht bei

Dr. Peter XXXXX (1. Prüfer)
Prof. Dr. Alexander XXXX (2. Prüfer)

Abgabedatum: 10.03.2018

Sperrvermerk

Diese Arbeit enthält vertrauliche Daten der Messer Industriegase GmbH. Eine Veröffentlichung oder Vervielfältigung, auch auszugsweise, ist nur mit ausdrücklicher Genehmigung der Messer Industriegase GmbH zulässig. Diese Bachelor Thesis darf nur den Korrektoren und dem Prüfungsausschuss zugänglich gemacht werden.

Danksagung
Zunächst möchte ich mich bei all denen bedanken, die mich bei der Anfertigung meiner Bachelorarbeit unterstützt und motiviert haben.
Besonderen Dank möchte ich aussprechen an:
• Herrn Dr. Peter XXXX, der meine Bachelor Thesis betreut und begutachtet hat. Für die hilfreichen Anregungen und die konstruktive Kritik bei der Erstellung dieser Thesis möchte ich mich herzlich bedanken.
• Herrn Prof. Dr. Alexander XXXX, der spontan und bereitwillig als Zweitprüfer zugesagt hat.
• Herrn Guido XXXX für seine Aufgeschlossenheit und Fachkompetenz in sämtlichen technischen Fragen und Problemen.
Und auch meinem privaten Umfeld möchte ich hier danken:
• Besonders meiner Frau Anna, die mich in allen Problemen tatkräftig unterstützt und mir im letzten Jahr erheblich den Rücken gestärkt hat.
• Meiner Familie, die mich soweit gefördert haben und dies weiterhin tun, sodass ich meine universitäre Ausbildung beginnen konnte und weiterhin durchführen kann.

Inhaltsverzeichnis

Abstract 5
1. Einleitung 6
1.1 XXXXXXX 6
1.2 Aufgabenstellung 7
2. Grundlagen 9
2.1 Stand der Technik 9
2.1.1 Anlagenübersicht 9
2.1.2 Argon Tank 9
2.1.3 Hochdruck Kolbenpumpe für Flüssiggas 10
2.1.4 Luftverdampfer 11
2.1.5 Fülllinie 12
2.1.6 Füllstand 13
2.1.7 Steuerung 14
2.1.8 Sicherheit, Gesundheit und Umwelt 16
3. Material und Methoden 22
3.1 Material 22
3.1.1 WIKA Temperaturfühler 22
3.1.2 Würth Infrarot Temperaturfühler 23
3.1.3 Wika Hand-Held Thermometer 24
3.1.4 Emerson Drucktransmitter 24
3.2 Methodik 26
3.2.5 Versuchsaufbau 26
3.2.6 Versuchsdurchführung 27
4. Ergebnisse und Diskussion 27
4.1 Physikalische Grundlagen 27
4.1.1 sdgkölasfd 27
4.1.2 fgdsghdgh 27
5. Zusammenfassung und Ausblick 27
5.1 Physikalische Grundlagen 27
5.1.1 sdgsagsfh 27
5.1.2 dsgaggdfg 27
6. Anhang 28
Abbildungsverzeichnis 28
Tabellenverzeichnis 28
Formelzeichen 28
Abkürzungsverzeichnis 28
Literaturverzeichnis 28
Plagiatserklärung 29

Abstract

1. Einleitung
1.1 XXXXXXX

Das Unternehmen XXXXXX GmbH produziert und vertreibt die technischen und medizinischen Gase in Deutschland. Der weltweit größte eigentümergeführte Industriegasespezialist unter der Leitung von Stefan XXXX unterlag seit dem Verkauf von XXXXXX im Jahr 2004 einem dreijährigen vertraglichen Wettbewerbsverbot und einem darauf folgenden einjährigen Markennutzungsverbot in Verbindung mit der Herstellung und dem Verkauf von Gasen in Deutschland. Die XXXXX hat wie die Holdinggesellschaft XXXXX GmbH ihren Hauptsitz in Bad Soden bei Frankfurt am Main. XXXX investiert etwa 90 Millionen Euro unter anderem in Produktionsanlagen für Luftgase im nordrhein-westfälischen Siegen und im niedersächsischen Salzgitter. Die Luftzerlegungsanlagen sind im Herbst 2009 bzw. im Sommer 2010 in Betrieb gegangen und liefern für den Einsatz in allen Industriebranchen Stickstoff, Sauerstoff und Argon.
In fast allen volkswirtschaftlichen Sektoren werden eine Vielzahl an unterschiedlichen Gasen und Gasgemischen genutzt. Zumeist werden sie den Kunden in Druckgasflaschen und Druckgasflaschenbündeln als verdichtete Gase zur Verfügung gestellt.
Durch die Variabilität der Füllung können in der Gasflasche sowohl Zwei-Phasen- als auch Ein-Phasen-Systeme entstehen bzw. existieren. In einem Zwei-Phasen-System eines Reinstoffes steht die Gasphase im Gleichgewicht mit der Flüssigphase. Bei einem Ein-Phasen-System dagegen ist nur die Gasphase vorhanden, die jedoch aus mehreren Komponenten bestehen kann. Hierbei ist bei extremen Lagerbedingungen nicht auszuschließen, dass sich ein homogenes Gasgemisch durch die Ausbildung einer zweiten Phase entmischt (Atkins & de Paula, 2013). Bei einer Entmischung hat das Gasgemisch über die Entnahme kein konstantes Mischungsverhältnis und erfüllt somit nicht mehr die geforderten Eigenschaften.
Der Fülldruck in der Flasche bezieht sich auf eine Temperatur von 15 °C. Dieser Druck schwankt in Abhängigkeit von der Außentemperatur und kann deshalb höher (bei Wärme) und niedriger (bei Kälte) sein als der vorgegebene Fülldruck. Insbesondere in den Wintermonaten kann diese Eigenschaft von Kunden als Minderfüllung gesehen werden.
1.2 Aufgabenstellung

Der Abfüllprozess soll systematisch analysiert werden. Dabei gilt es, Antworten auf die folgenden Fragen zu finden:
• Welche Faktoren beeinflussen die Abfüllung?
• Von welchen Faktoren hängt insbesondere die Kinetik der Gasflaschenerwärmung bei der Abfüllung ab?
Der Abfüllprozess soll so optimiert werden, dass die zulässige Gasflaschentemperatur nicht mehr überschritten wird. Es soll nicht mehr zu Unterbrechungen des Abfüllprozesses kommen.
Der Abfüllprozess ist mit fortlaufender Energieumwandlung verbunden. Die von der Pumpe verrichtete mechanische Arbeit wird teilweise im Zuge der adiabatischen Kompression des Argons als innere Energie in dem komprimierten Gas deponiert. Das heiße Gas überträgt Wärme auf die Gasflasche, sodass sich diese immer mehr erwärmt.
Die Thermodynamik der Gaskompression soll in der Bachelorarbeit im Detail untersucht werden. Dazu gehört die quantitative Beschreibung der Änderungen der relevanten thermodynamischen Zustandsgrößen. Welche Möglichkeiten gibt es, die bei der Kompression als innere Energie im Gas deponierte Volumenarbeit schnell wieder abzuführen? Wie kann der Zielzustand des komprimierten, auf Raumtemperatur abgekühlten Argons auf einem Pfad erreicht werden, der ohne Überschreitung der maximal zulässigen Temperatur auskommt? Es gilt, aus der adiabatischen eine polytrope Zustandsänderung zu machen.
Zur Bachelorarbeit gehört die Recherche zu technischen Lösungen ähnlicher Probleme. Wie arbeiten diabatische bzw. adiabatische Druckluftspeicher zur Aufnahme temporärer Überschüsse aus Photovoltaik- und Windkraftwerken? Lassen sich diese Lösungen eventuell auf die konkrete Aufgabenstellung bei Messer übertragen?

2. Grundlagen
2.1 Stand der Technik
2.1.1 Anlagenübersicht

Abbildung 1: Grobe Anlagenübersicht
1: Laufender Arbeitsschritt
2 : Druck im Tank
3 : Rücklauftemperatur Tank
4 : Füllstand im Tank
5 : Produktzulaufventil
6 : Öltemperatur

2.1.2 Argon Tank
Der Argon Tank besteht aus dem inneren Druckbehälter, der im Außenvakuummantel aus Hartmetall platziert ist. Der Druckbehälter des Tanks besteht aus Edelstahl. Die Isolierung zwischen dem Innen- und Außenmantel besteht aus Perlit mit Absorber und hohem Vakuum, mit dem Ziel der langen Lagerungsdauer und niedrigen Verdampfung. Das für langfristige Erhaltung des Vakuums entworfene Isolierungssystem ist dauerhaft abgedichtet, um die Vakuumsintegrität zu sichern. Der Tank wird auf vier Füßen vertikal aufgestellt. Die Kapazität des Tanks beträgt 23.000 l mit einem Arbeitsdruck von 8 bar. Die Betriebstemperatur liegt bei -186 °C. Der Tank ist mit einem Differenztransmitter und einem Manometer ausgestattet. Der Differenztransmitter zeigt den hydrostatischen Druck des verflüssigten Gases im Tank an.

Abbildung 2: Argon Vorratsbehälter

2.1.3 Hochdruck Kolbenpumpe für Flüssiggas
Die Argon Hochdruck Kolbenpumpe ist ausschließlich für das Weiterleiten von flüssigem Argon vom Tank in das System konstruiert und ausgelegt. Die Pumpe ist auf einem Rahmengestell montiert, um ein ungewolltes Umkippen oder Verschiebung zu verhindern. Das Rahmengestell ist geerdet und verschraubt.

Abbildung 3: Argon Hochdruckpumpe

2.1.4 Luftverdampfer

Abbildung 4: Argon Luftverdampfer

2.1.5 Fülllinie

Abbildung 5: Fülllinie

2.1.6 Füllstand

Abbildung 6: Füllstand

2.1.7 Steuerung

Abbildung 7: Auswahl der Gasflaschen

Abbildung 8: Auswahl der Rezepte

Abbildung 9: Kontrollfenster der Abfüllung

2.1.8 Sicherheit und Anwendung
Bei den kontrollierten Verhältnissen kann Argon in vielen Prozessen als Ersatz für Stickstoff verwendet werden. Hohe Lösbarkeit (doppelte Lösbarkeit von Stickstoff) und bestimmte molekulare Eigenschaften bieten besondere Eigenschaften bei der Lagerung von Gemüse. Unter gewissen Bedingungen ist es in der Lage, metabolische Reaktionen zu verlangsamen und den Gasaustausch wesentlich zu reduzieren.
Herstellung von Glas, Zement und Kalk
Wenn Argon zum Füllen der Umzäunung mit Doppelverglasung verwendet wird, bietet er eine hervorragende Wärmedämmung.
Metallurgie
Argon wird verwendet, um den Kontakt und die nachfolgende Wechselwirkung zwischen dem geschmolzenen Metall und der umgebenden Atmosphäre zu verhindern.
Die Verwendung von Argon optimiert Herstellungsverfahren wie Vermischung von geschmolzenen Substanzen, Durchblasen von Reaktorpaletten, um Rückoxidation von Stahl zu verhindern, und die Schmalspurstahlverarbeitung in Vakuumentgasern einschließlich Vakuum-Sauerstoff-Entkohlung, Oxydations-Reduktions-Prozesse und offene Verbrennungsprozesse. Argon hat jedoch die größte Popularität in den Verfahren der Argon-Sauerstoff-Entkohlung von unraffiniertem Chromstahl erlangt, um Chromoxidation zu minimieren.
Laborforschung und Analyse
In seiner reinen Form und in Verbindungen mit anderen Gasen wird Argon für industrielle und medizinische Analysen und Tests im Rahmen der Qualitätskontrolle eingesetzt.
Insbesondere erfüllt Argon die Funktion eines Gasplasmas in der induktiv gekoppelten Plasmaemissionsspektrometrie (ICP), eines Gaskissens in der Atomabsorptionsspektroskopie in einem Graphitofen (GFAAS) und eines Trägergases in der Gaschromatographie unter Verwendung verschiedener Gasanalysatoren.
In Verbindung mit Methan wird Argon in Geigerzählern und Röntgenfluoreszenzanalyse (XRF) -Detektoren verwendet, wo es als Löschgas fungiert.
Schweißen, Schneiden und Beschichten
Argon wird als Schutzmedium in Lichtbogenschweißprozessen mit Schutzgasblasen und Plasmaschneiden verwendet.
Argon verhindert die Oxidation von Schweißverbindungen und ermöglicht es, die Rauchmenge zu reduzieren, die beim Schweißen weggeworfen wird.
Elektronik
Superreines Argon dient als Trägergas für chemisch aktive Moleküle und auch als Inertgas zum Schutz von Halbleitern vor Fremdverunreinigungen (beispielsweise sorgt Argon für das Wachstum von Silizium- und Germaniumkristallen).
Im ionischen Zustand wird Argon bei Metallisierungsprozessen durch Sputtern, Ionenimplantation, Normalisierung und Ätzen bei der Herstellung von Halbleitern und hocheffizienten Materialien eingesetzt.
Das abgedichtete Argon dient zum Aufblasen der Airbags in den Autos.
Flaschen mit Gasen müssen zu diesem Zweck in speziell dafür vorgesehenen offenen und geschlossenen Lagern gelagert werden.
Lagerhaltung von Flaschen mit Sauerstoff und brennbaren Gasen in einem Raum ist verboten.
Bei Lagerung, Transport und Betrieb müssen die Flaschen vor den Einflüssen von Sonnenlicht und anderen Wärmequellen geschützt werden.
Die in Räumen installierten Gasflaschen sollten in einem Abstand von weniger als 1 m von Heizkörpern und anderen Heizgeräten sowie Öfen und mindestens 5 m von Wärmequellen mit offenem Feuer entfernt sein.
Beim Betrieb von Gasflaschen darf das darin enthaltene Gas nicht vollständig verarbeiten. Der Restgasdruck in der Gasflasche sollte mindestens 0,05 MPa (0,5 kgf / cm²) betragen.
Die Freisetzung von Gasen aus Flaschen in Behältern mit einem niedrigeren Betriebsdruck sollte durch ein Reduzierstück erfolgen, das für das Gas ausgelegt und in der entsprechenden Farbe lackiert ist.
Wenn es aufgrund von Ventilausfällen nicht möglich ist, am Verbrauchsort Gas aus Flaschen abzulassen, müssen diese an die Tankstelle zurückgegeben werden. Die Freisetzung von Gas aus den Tanks in der Tankstelle sollte gemäß den vom Betreiber genehmigten Anweisungen erfolgen.
Die Tankstellen, welche die Zylinder mit komprimierten, verflüssigten und gelösten Gasen füllen, sind verpflichtet, die Füllung der Zylinder zu protokollieren. Insbesondere werden angegeben:
Datum der Füllung;
Zylindernummer;
Datum der Begutachtung;
Masse von Gas (verflüssigt) in einem Zylinder, kg;
Gewicht des Gases pro 1 Liter Hubraum, kg, nicht mehr als 0,750;
Hubraum pro 1 kg Gas, l, nicht weniger als 1,34.

Mit Gas gefüllte Gasflaschen müssen fest an der Füllrampe befestigt sein.
Bei folgenden Faktoren ist es verboten, Gasflaschen zu füllen:
der Zeitraum der benannten Begutachtung ist abgelaufen;
beschädigter Zylinderkörper;
fehlerhafte Ventile;
es gibt keine richtige Färbung oder Inschriften;
es gibt keinen überschüssigen Gasdruck;
es gibt keine festen Briefmarken.
Die Füllung der Zylinder, in denen kein Gasüberdruck herrscht, erfolgt nach Vorprüfung gemäß den Anweisungen der Abfüllanlage (Tankstelle).
Das Ventil muss nach der Reparatur, verbunden mit seiner Demontage, auf Dichte bei Betriebsdruck überprüft werden
Der Transport und die Lagerung von Flaschen müssen mit Kopfschrauben erfolgen.
Der Transport von Flaschen für Kohlenwasserstoffgase erfolgt in Übereinstimmung mit den Sicherheitsvorschriften.
Beim Bewegen von Flaschen sowie Be- und Entladearbeiten sind Maßnahmen zu ergreifen, um Absturz und Beschädigung zu verhindern.
Die Lagerung gefüllter Flaschen im Werk (Tankstelle) vor der Auslieferung an den Verbraucher ist ohne Sicherheitsverschluss erlaubt.
Die Anzahl der befüllten und leeren Flaschen, die auf den Lade- und Löschplätzen aufgestellt werden, sollte die doppelte Kapazität des Füllraums pro Tag nicht überschreiten.
Die Umsetzung der Flaschen an den Stellen der Füllung und des Verbrauchs der Gase soll auf den für diesen Zweck vorgesehenen Wagen oder durch andere spezielle Vorrichtungen durchgeführt werden.
Die Beförderung von Flaschen im Straßen-, Schienen-, Wasser- und Luftverkehr muss nach den Regeln der jeweiligen Verkehrsministerien erfolgen.
Lager für die Lagerung von Flaschen mit brennbaren und verflüssigten Gasen müssen einstöckig, mit einer leichten Beschichtung und ohne Dachräume sein. Es ist erlaubt, Flaschen in offenen, vor Niederschlag und Sonnenlicht geschützten Stellen zu lagern.
Um direkte Sonneneinstrahlung auf die Zylinder zu vermeiden, müssen Schaufenster mit Milchglas überzogen oder überstrichen werden.
Wenn Gruppenballoninstallationen direkt an den Wänden des Gebäudes angebracht werden, müssen die Wände der Brandgefahrenklasse K0 entsprechen und ohne Fenster- und Türöffnungen sein.
Flaschen, die mit brennbarem Gas gefüllt sind, sollten in Lagerhäusern in aufrechter Position gelagert werden, und um zu vermeiden, dass sie fallen, in speziell ausgerüsteten Steckdosen, Käfigen sein oder durch eine Barriere eingeschlossen werden.
Um Funkenbildung beim Laden, Entladen und Lagern zu vermeiden, ist es ausgeschlossen, Stöße von Zylindern gegeneinander, Tropfen von Kappen und Zylindern auf dem Boden zuzulassen.
Flaschen mit brennbaren und verflüssigten Gasen müssen getrennt von Sauerstoffflaschen gelagert werden.
In einem Abstand von 10 m um das Lager mit Zylindern dürfen keine brennbaren Materialien gelagert werden, ferner sind alle Arbeiten mit offenem Feuer verboten.
Bei der Lagerung und dem Transport von Sauerstoffflaschen ist darauf zu achten, dass kein Fett darauf fällt und die Armatur nicht mit geölten Materialien in Kontakt kommt.
Flaschen mit abgelaufener Prüfdauer, ohne Restdruck, mit defekten Ventilen, ohne ausgeprägte Farbe und klare Passdaten sollten in einem separaten Lagerfach gelagert werden.
Zylinder mit brennbaren Gasen, in denen ein Leck festgestellt wird, müssen sofort aus dem Lager genommen werden.
Die Zu- und Abluftventilation von Lagern zur Lagerung von Flaschen mit brennbaren Gasen sollte in gutem Zustand gehalten werden.
In Räumen für die Lagerung von Flaschen sollten Geräte installiert werden, die eine Gaskontamination des Raumes signalisieren. Wenn keine stationären Geräte vorhanden sind, sollte eine regelmäßige Überwachung innerhalb der in der Einrichtung festgelegten Fristen durchgeführt werden.
In Lagern von Flaschen mit brennbaren Gasen ist nur Wasser, Niederdruckdampf oder Luftheizung erlaubt.
Die Lagerung von leeren Behältern (gebraucht und mit Ölprodukten verunreinigt) sollte in einem offenen Bereich mit einer harten Oberfläche erfolgen.
Leere hölzerne (oder aus Plastik) Behälter auf den Aufstellungsorten können auf dem Gebiet der Lagerhäuser in die Stapeln gelegt werden. Stapelbehälter, die in offenen Bereichen verlegt werden, sollten nicht mehr als 25 m lang, 15 m breit und 5,5 m hoch sein. Der Abstand zwischen den Stapeln benachbarter Standorte sollte mindestens 15 m betragen, die Stapelung im Stapel nach der Höhe darf nicht mehr als vier Stufen betragen.

3. Material und Methoden
3.1 Material
Ar ist das 18. Element des Periodensystems und bezieht sich auf Edelgase. Dieser Stoff ist der dritte nach N (Stickstoff) und O (Sauerstoff) in der Erdatmosphäre. Unter normalen Bedingungen ist es farblos, nicht brennbar, nicht giftig, ohne Geschmack und Geruch.
Andere Eigenschaften von Argongas:
• Atommasse: 39,95;
• Luftgehalt: 0,9 % Volumen und 1,3 % Gewicht;
• Dichte unter normalen Bedingungen: 1,78 kg / m³;
• Siedepunkt: -186 °С

Wichtige Verbindungen
keine Verbindungen bekannt

3.1.1 WIKA Temperaturfühler

Abbildung 10: Wika Temperaturfühler
3.1.2 Würth Infrarot Temperaturfühler

Abbildung 11: Infrarot Temperaturfühler

3.1.3 Wika Hand-Held Thermometer

3.1.4 Emerson Drucktransmitter

3.1.5 Rheonik Mengenmessung

3.2 Methodik
3.2.5 Versuchsaufbau

3.2.6 Versuchsdurchführung

4. Ergebnisse und Diskussion
4.1 Physikalische Grundlagen
4.1.1 sdgkölasfd
4.1.2 fgdsghdgh

5. Zusammenfassung und Ausblick
5.1 Physikalische Grundlagen
5.1.1 sdgsagsfh
5.1.2 dsgaggdfg

6. Anhang
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1: Grobe Anlagenübersicht 5
Abbildung 2: Argon Vorratsbehälter 6
Abbildung 3: Argon Hochdruckpumpe 7
Abbildung 4: Argon Luftverdampfer 8
Abbildung 5: Fülllinie 9
Abbildung 6: Füllstand 10

Tabellenverzeichnis

Formelzeichen

Abkürzungsverzeichnis

Literaturverzeichnis

Plagiatserklärung

Ich versichere, dass ich die Bachelor Thesis selbstständig angefertigt und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe.
Alle Stellen, die dem Wortlaut oder dem Sinn nach anderen Werken entnommen sind, habe ich in jedem einzelnen Fall unter genauer Angabe der Quelle (einschließlich des World Wide Web sowie anderer elektronischer Datensammlungen) deutlich als Entlehnung kenntlich gemacht. Dies gilt auch für angefügte Zeichnungen, bildliche Darstellungen, Skizzen und dergleichen.

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