Umrechnungsverhältnisse von kryogener Flüssigkeit zu Gas: Volumen, Dichte und Dimensionierung
Umrechnungsverhältnisse von kryogener Flüssigkeit zu Gas für Stickstoff, Sauerstoff, Argon und LNG, mit der Rechenmethode zur Dimensionierung Ihres Lagers.
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Das Umrechnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas ist das Gasvolumen, das aus einem Volumen kryogener Flüssigkeit entsteht. Bei Standardbedingungen dehnt sich Flüssigstickstoff auf etwa das 696-fache aus, Flüssigsauerstoff auf etwa das 861-fache, Flüssigargon auf etwa das 847-fache und LNG auf etwa das 600-fache. Sie bestimmen die Lagerdimensionierung, die Verdampferauslegung und die Sicherheit in geschlossenen Räumen.
Die Rechnung dahinter ist einfach, und jeder Käufer von Kryoanlagen im großen Maßstab sollte sie beherrschen. Kennen Sie Ihren Gasbedarf in Kubikmetern pro Stunde, rechnet das Ausdehnungsverhältnis diesen direkt in Liter Flüssigkeit pro Stunde um, und daraus ergibt sich eine realistische Tankkapazität und Lieferfrequenz.
Was ist ein Umrechnungsverhältnis von kryogener Flüssigkeit zu Gas?
Ein Umrechnungsverhältnis von kryogener Flüssigkeit zu Gas, auch Ausdehnungsverhältnis genannt, ist das Gasvolumen, das aus einem Volumen Flüssigkeit entsteht, wenn diese auf eine Referenztemperatur und einen Referenzdruck erwärmt wird. Es wird als 1 zu einer Zahl geschrieben, wobei die Zahl das Gasvolumen angibt.
Das Verhältnis wird an drei praktischen Stellen verwendet.
- Dimensionierung der Lagerkapazität anhand des Gasbedarfs einer Anlage und des bevorzugten Lieferintervalls
- Dimensionierung von Verdampfern und Regasifizierungsanlagen, die Gasdurchfluss liefern und dabei Flüssigkeitsdurchfluss verbrauchen müssen
- Bewertung der Sicherheit in geschlossenen Räumen, wo ein kleiner Flüssigkeitsverschütt ein großes Gasvolumen erzeugt
Wie hoch sind die Ausdehnungsverhältnisse für Stickstoff, Sauerstoff, Argon und LNG?
Dies sind die in der Industriegas- und LNG-Branche üblichen Ausdehnungsverhältnisse, jeweils bei Standardbedingungen angegeben.
Flüssiger Stickstoff hat bei Standardbedingungen ein Umrechnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas von etwa 1 zu 696. Flüssiger Stickstoff dehnt sich beim Verdampfen auf etwa das 696-fache seines Volumens aus.
Flüssigsauerstoff hat bei Standardbedingungen ein Umrechnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas von etwa 1 zu 861. Flüssigsauerstoff dehnt sich beim Verdampfen auf etwa das 861-fache seines Volumens aus.
Flüssigargon hat bei Standardbedingungen ein Umrechnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas von etwa 1 zu 847. Flüssigargon dehnt sich beim Verdampfen auf etwa das 847-fache seines Volumens aus.
LNG hat bei Standardbedingungen ein Umrechnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas von etwa 1 zu 600. LNG dehnt sich beim Verdampfen auf etwa das 600-fache seines Volumens an Erdgas aus.
Zur schnellen Übersicht als Liste zusammengefasst.
- Flüssigstickstoff (LIN): etwa 1 zu 696
- Flüssigsauerstoff (LOX): etwa 1 zu 861
- Flüssigargon (LAR): etwa 1 zu 847
- LNG: etwa 1 zu 600
Das Wort etwa ist wichtig. Dies sind die anerkannten Arbeitswerte für technische Schätzungen und Sicherheitsbewertungen. Es sind keine Werte für die Abrechnung, und der Abschnitt zu Referenzbedingungen weiter unten erklärt warum.
Wie rechnen Sie Liter Flüssigkeit in Kubikmeter Gas um?
Die Berechnung ist eine einzige Multiplikation, und das Einzige, worüber man stolpert, ist der Einheitenwechsel von Litern zu Kubikmetern.
Die Regel, die Sie sich merken sollten: 1.000 Liter entsprechen 1 Kubikmeter. Ein Liter Flüssigstickstoff erzeugt also etwa 696 Liter Gas, das sind 0,696 Kubikmeter. Ein Kubikmeter Flüssigstickstoff erzeugt etwa 696 Kubikmeter Gas.
Rechenbeispiele
- Ein vollständig gefüllter 20.000-Liter-Flüssigstickstofftank enthält 20.000 multipliziert mit 696, also 13.920.000 Liter Gas, das sind 13.920 Kubikmeter Stickstoffgas
- Ein 20.000-Liter-Flüssigsauerstofftank enthält 20.000 multipliziert mit 861, also 17.220.000 Liter, das sind 17.220 Kubikmeter Sauerstoffgas
- Ein 1.000-Liter-Flüssigargonbehälter enthält 1.000 multipliziert mit 847, also 847.000 Liter, das sind 847 Kubikmeter Argongas
- Ein 20-Kubikmeter-LNG-Tank enthält 20 multipliziert mit 600, also 12.000 Kubikmeter Erdgas
Wie rechnen Sie vom Gasbedarf rückwärts auf den Flüssigkeitsverbrauch?
Diese Richtung ist für einen Käufer am wichtigsten, da Anlagen den Bedarf in Gaseinheiten messen, Lieferanten aber Flüssigkeit verkaufen. Teilen Sie den Gasbedarf durch das Ausdehnungsverhältnis, um das benötigte Flüssigkeitsvolumen zu erhalten.
Beispiel Stickstoff
Angenommen, eine Anlage verbraucht 300 Kubikmeter Stickstoffgas pro Stunde.
- Benötigte Flüssigkeit pro Stunde: 300 geteilt durch 696 ergibt 0,431 Kubikmeter, das sind 431 Liter pro Stunde
- Über 24 Stunden Dauerbetrieb: 431 multipliziert mit 24 ergibt 10.344 Liter pro Tag, etwa 10,3 Kubikmeter Flüssigstickstoff pro Tag
- Über ein 7-Tage-Lieferintervall: 10.344 multipliziert mit 7 ergibt 72.408 Liter nutzbare Flüssigkeit
Beispiel Sauerstoff
Eine Anlage, die 500 Kubikmeter Sauerstoffgas pro Stunde verbraucht, benötigt 500 geteilt durch 861, also 0,581 Kubikmeter pro Stunde, das sind 581 Liter Flüssigsauerstoff pro Stunde, oder etwa 13.940 Liter pro Tag bei Dauerbetrieb.
Wie bestimmt das Umrechnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas die Größe des Lagertanks?
Kennen Sie den täglichen Flüssigkeitsverbrauch, ist die Tankdimensionierung eine Frage, wie lange Sie zwischen Lieferungen laufen möchten und wie viel vom Tank tatsächlich nutzbar ist.
Fortsetzung des Stickstoffbeispiels: Bei 10.344 Litern pro Tag und einem 7-Tage-Lieferintervall benötigt der Standort 72.408 Liter nutzbare Flüssigkeit zwischen den Lieferungen. Nutzbares Volumen ist nicht dasselbe wie geometrische Kapazität. Ist Ihre Betriebspraxis, bei einem Füllstand von 20 Prozent nachzubestellen und auf 90 Prozent zu befüllen, sind nur etwa 70 Prozent der geometrischen Kapazität nutzbar, sodass der benötigte Tank etwa 72.408 geteilt durch 0,70 beträgt, also rund 103.000 Liter.
Anschließend gelten mehrere Korrekturen für diese erste Zahl.
- Abdampfung: Moderne stationäre Kryotanks verlieren je nach Größe und Isolierung etwa 0,2 bis 0,6 Prozent des Inhalts pro Tag, sodass Standorte mit kontinuierlich niedriger Entnahme dies einplanen müssen
- Spitzenbedarf: Ein Tank, der auf den Durchschnittsverbrauch dimensioniert ist, kann dennoch eine kurze Hochdurchflussphase nicht abdecken, was ebenso eine Frage von Verdampfer und Druckregelung ist wie von Kapazität
- Künftiges Wachstum: Ein exakt auf den heutigen Bedarf dimensionierter Tank wird zur Begrenzung bei der nächsten Produktionssteigerung
Bei geringem bis moderatem Verbrauch weist diese Rechnung oft auf einen MicroBulk-Behälter statt einen vollen Bulk-Tank hin. Bei hohem oder wachsendem Verbrauch weist sie auf einen größeren Bulk-Behälter oder ein Behälterpaar mit gemeinsamer Verrohrung hin.
Warum ist das Ausdehnungsverhältnis für die Sicherheit in geschlossenen Räumen wichtig?
Dieselbe Rechnung, die kryogene Lagerung wirtschaftlich macht, macht kryogene Verschüttungen in Innenräumen gefährlich. Ein kleines Volumen verschütteter Flüssigkeit wird zu einem großen Gasvolumen, und Stickstoff und Argon sind farb- und geruchlos, sodass keine Warnung erfolgt.
Nehmen Sie einen Verschütt von 10 Litern Flüssigstickstoff. Bei 1 zu 696 entstehen daraus 6.960 Liter Stickstoffgas, das sind etwa 7 Kubikmeter. In einem geschlossenen Raum von 5 mal 4 mal 2,5 Metern beträgt das Raumvolumen 50 Kubikmeter. Unter der Annahme, dass sich das freigesetzte Gas vermischt und ein gleiches Luftvolumen verdrängt, beträgt der verbleibende Luftanteil (50 minus 7) geteilt durch 50, also etwa 0,86. Normale Luft enthält etwa 20,9 Prozent Sauerstoff, sodass die Sauerstoffkonzentration auf etwa 18 Prozent sinkt.
Viele nationale Regelwerke behandeln eine Sauerstoffkonzentration unterhalb von etwa 19,5 Prozent als sauerstoffarm. In diesem Beispiel reicht ein 10-Liter-Verschütt in einem kleinen Raum aus, um diese Grenze zu überschreiten, und ein größerer Verschütt oder ein kleinerer Raum überschreitet sie deutlich schneller.
Die praktischen Schlussfolgerungen ergeben sich direkt aus dem Verhältnis.
- Bulk-Behälter im Freien aufstellen, oder in Räumen mit Lüftung, die für das glaubwürdige Freisetzungsvolumen ausgelegt ist
- Sauerstoffüberwachung dort installieren, wo inerte kryogene Flüssigkeiten in geschlossenen oder teilweise geschlossenen Bereichen gehandhabt werden
- Gruben, Kanäle, Keller und Treppenhäuser als Ansammlungspunkte behandeln, da kaltes Gas zunächst dicht ist
- Dieselbe Rechnung umgekehrt auf Flüssigsauerstoff anwenden, wo ein Verschütt die Atmosphäre anreichert und umliegende Materialien deutlich leichter entzündbar macht
- Das Ausdehnungsverhältnis bei der Gefährdungsbeurteilung verwenden, damit das bewertete Freisetzungsvolumen berechnet statt angenommen wird
Warum unterscheiden sich veröffentlichte Umrechnungsverhältnisse von Flüssigkeit zu Gas leicht?
Sie werden in verschiedenen Quellen leicht unterschiedliche Zahlen finden, und der Unterschied liegt fast immer an der Referenzbedingung, nicht an einem Fehler.
- Referenztemperatur: Das Gasvolumen hängt von der Temperatur ab, und verschiedene Normen verwenden 0, 15 oder 20 Grad Celsius als Referenz. Eine höhere Referenztemperatur ergibt ein größeres Gasvolumen und damit ein größeres Verhältnis
- Referenzdruck: normalerweise ein Atmosphärendruck, aber nicht immer explizit angegeben
- Flüssigkeitszustand: Die verwendete Flüssigkeitsdichte kann am normalen Siedepunkt oder bei einem typischen Lagerdruck angesetzt sein, was nicht identisch ist
- Zusammensetzung: LNG ist ein Gemisch, hauptsächlich Methan, aber mit unterschiedlichen Mengen an Ethan, Propan und Stickstoff je nach Herkunft. Sein Ausdehnungsverhältnis variiert daher mit der Ladungszusammensetzung, weshalb die Zahl als etwa 1 zu 600 und nicht als exakter Wert angegeben wird
Für technische Dimensionierung und Sicherheitsbewertung sind die oben genannten Verhältnisse die richtigen Arbeitswerte. Für die Abrechnung im Custody-Transfer verwenden Sie die in Ihrem Liefervertrag festgelegten Werte und Referenzbedingungen, da diese Zahlen die Abrechnung bestimmen.
Was ist mit der Umrechnung in Masse?
Viele Lieferverträge sind in Kilogramm oder Tonnen statt in Litern formuliert. Die Umrechnung zwischen Masse, Flüssigkeitsvolumen und Gasvolumen erfordert die Dichte der jeweiligen Flüssigkeit unter ihrer tatsächlichen Lagerbedingung, und bei LNG zusätzlich die Ladungszusammensetzung. Entnehmen Sie diese Dichtewerte dem Datenblatt Ihres Gaslieferanten für das gelieferte Produkt.
Wie wird das Verhältnis bei der Verdampfer- und Regasifizierungsdimensionierung angewendet?
Ein Verdampfer wird in Gasdurchfluss bewertet, üblicherweise in Normkubikmetern pro Stunde, verbraucht aber Flüssigkeit. Das Ausdehnungsverhältnis verbindet den Gasbedarf der Anlage mit dem Flüssigkeitsdurchfluss durch den Verdampfer und ist der erste Schritt jeder Dimensionierungsberechnung.
- Vom Spitzengasbedarf ausgehen, nicht vom Durchschnittsbedarf, da ein auf Durchschnittswerte dimensionierter Verdampfer bei Spitzen zurückfällt und kaltes Gas nachgeschaltet liefert
- Den Spitzengasbedarf mit dem Ausdehnungsverhältnis des Produkts in Flüssigkeitsdurchfluss umrechnen
- Die Umgebungsbedingungen am Installationsort anwenden, da die Kapazität von Luftverdampfern mit niedrigerer Lufttemperatur und höherer Luftfeuchtigkeit sinkt
- Betriebs- und Standby-Einheiten mit Umschaltung planen, damit jede abtauen kann, und das Paar auf den Lastfall statt auf durchgehenden Betrieb beider Einheiten dimensionieren
- Bei LNG-Regasifizierung die geforderte Abgabetemperatur und den Abgabedruck nachgeschaltet bestätigen, da diese die Wärmeleistung ebenso bestimmen wie der Durchfluss
Häufig gestellte Fragen
Wie hoch ist das Ausdehnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas bei Flüssigstickstoff?
Flüssigstickstoff dehnt sich bei Standardbedingungen auf etwa das 696-fache aus, das heißt, ein Volumen Flüssigkeit erzeugt etwa 696 Volumen Gas. Ein Liter Flüssigstickstoff ergibt daher etwa 696 Liter, also 0,696 Kubikmeter, Stickstoffgas. Ein voller 20.000-Liter-Tank enthält etwa 13.920 Kubikmeter Gasäquivalent.
Wie hoch ist das Ausdehnungsverhältnis von Flüssigkeit zu Gas bei Flüssigsauerstoff?
Flüssigsauerstoff dehnt sich bei Standardbedingungen auf etwa das 861-fache aus. Ein Liter Flüssigsauerstoff erzeugt etwa 861 Liter Sauerstoffgas, sodass ein voller 20.000-Liter-Behälter etwa 17.220 Kubikmeter Gasäquivalent enthält. Dasselbe Verhältnis wird bei der Bewertung des Anreicherungsrisikos durch einen Sauerstoffverschütt verwendet.
Wie hoch ist das Ausdehnungsverhältnis von Flüssigargon?
Flüssigargon dehnt sich bei Standardbedingungen auf etwa das 847-fache aus, sodass ein Liter Flüssigargon etwa 847 Liter Argongas erzeugt. Argon ist inert, farb- und geruchlos, weshalb dieselbe Ausdehnungszahl zur Bewertung des Sauerstoffverdrängungsrisikos in geschlossenen Räumen verwendet wird.
Wie viele Kubikmeter Erdgas erzeugt ein Kubikmeter LNG?
LNG dehnt sich bei Standardbedingungen auf etwa das 600-fache aus, sodass ein Kubikmeter LNG etwa 600 Kubikmeter Erdgas erzeugt. Die Zahl wird als Näherungswert angegeben, da LNG ein Gemisch ist, dessen Zusammensetzung je nach Herkunft variiert, was das exakte Verhältnis von Ladung zu Ladung leicht verschiebt.
Wie rechne ich meinen Gasbedarf in Flüssigkeitsverbrauch pro Tag um?
Teilen Sie den stündlichen Gasbedarf durch das Ausdehnungsverhältnis, um das stündliche Flüssigkeitsvolumen zu erhalten, und multiplizieren Sie dann mit den Betriebsstunden. Zum Beispiel ergeben 300 Kubikmeter Stickstoffgas pro Stunde geteilt durch 696 einen Wert von 0,431 Kubikmeter pro Stunde Flüssigkeit, das sind 431 Liter pro Stunde, oder 10.344 Liter über 24 Stunden Dauerbetrieb.
Warum geben verschiedene Quellen leicht unterschiedliche Ausdehnungsverhältnisse an?
Der Hauptgrund ist die für das Gasvolumen verwendete Referenztemperatur und der Referenzdruck, die je nach angewandter Norm 0, 15 oder 20 Grad Celsius betragen können. Auch der Flüssigkeitsdichtezustand spielt eine Rolle, und bei LNG variiert zusätzlich die Zusammensetzung je nach Herkunft. Verwenden Sie diese Werte für Technik und Sicherheit, und die Vertragswerte für die Abrechnung.
Wie viel Gas erzeugt ein Verschütt von Flüssigstickstoff in einem Raum?
Multiplizieren Sie das verschüttete Flüssigkeitsvolumen mit 696. Zehn Liter Flüssigstickstoff erzeugen etwa 6.960 Liter, nahe 7 Kubikmeter Gas. In einem geschlossenen 50-Kubikmeter-Raum mit Durchmischung senkt das den Sauerstoffgehalt von etwa 20,9 Prozent auf rund 18 Prozent, unter den Wert, der üblicherweise als sauerstoffarm gilt.
Berücksichtigt das Ausdehnungsverhältnis Abdampfverluste?
Nein. Das Ausdehnungsverhältnis beschreibt nur, wie viel Gas ein gegebenes Flüssigkeitsvolumen erzeugt. Abdampfung ist ein separater Verlust, typischerweise etwa 0,2 bis 0,6 Prozent des Inhalts pro Tag bei modernen stationären Kryotanks je nach Größe und Isolierung, und muss bei der Verbrauchs- und Lieferintervallplanung zusätzlich berücksichtigt werden.
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