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Verfahren zur zumindest teilweisen Verflüssigung eines Gases
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur zumindest teilweisen Verflüssigung eines Gases durch Temperatur- und Druckreduktion.
Es ist bekannt, durch arbeitsleistende Entspannung eines Gasstromes, der unter Druck in einen Ent- spanner geführt wird, Kälte zu erzeugen, die verwendet wird, um die Verflüssigung und Trennung der
Gase in die verschiedenen Bestandteile durchzuführen.
Bei der Expansion eines Gasstromes in einer mehrstufigen Turboexpansionsvorrichtung, wobei in jeder Stufe der Druck des Gases reduziert und das Gas bis in den Zweiphasenbereich expandiert wird, bildet sich in jeder Stufe der Turboexpansionsvorrichtung Flüssigkeit und diese gelangt mit dem Gas in die folgende Stufe der Turboexpansionsvorrichtung. Da die Flüssigkeit eine geringere Geschwindigkeit als das Gas hat, wird in jeder Stufe der Turboexpansionsvorrichtung, die sowohl mit Gas als auch Flüssigkeit beschickt wird, der Wirkungsgrad herabgesetzt. Da ausserdem die Umfangsgeschwindigkeit der Turbinenschaufeln die Flüssigkeitsgeschwindigkeit überschreitet, laufen die Schaufelspitzen in die Flüssigkeit hinein, was ein Anfressen der Schaufeln und eine verringerte Lebensdauer der Turboexpansionsvorrichtung zur Folge hat.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines neuen Verfahrens zur zumindest teilweisen Verflüssigung eines Gases. Die Erfindung besteht darin, dass das Gas in mindestens zwei hintereinandergeschalteten Turboexpansionsvorrichtungen expandiert wird, wobei nach jeder Expansionsstufe das gebildete Kondensat vom Gas abgetrennt und das von der Flüssigkeit befreite Gas in die nächste Turboexpansionsvorrichtung eingeleitet wird.
Durch das erfindungsgemässe Verfahren werden die Schwierigkeiten vermieden, auf die man bei den bisher bekannten Verfahren, bei denen man die Mischung aus Gas und Kondensat in die Turboexpansionsvorrichtung geleitet hat und wobei das Kondensat Störungen und Zerstörungen in der Entspannungsvorrichtung bewirkte, welche die Lebensdauer der Einrichtung sowie den Wirkungsgrad des Verfahrens herabsetzten, gestossen ist.
Durch die Erfindung wird die Lebensdauer und der Wirkungsgrad der bei der Gasverflüssigung verwendeten Turboexpansionsvorrichtungen erhöht.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den die Erfindung erläuternden Zeichnungen.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 ein Durchflussschema für das erfindungsgemässe Verflüssigungsverfahren und Fig. 2 ein Enthalpie-Druck-Diagramm, das die Änderungen von Druck und Enthalpie eines Gasstromes während der Verflüssigung des Stromes nach dem erfindungsgemässen Verfahren erläutert.
In Fig. l bezeichnet 4 eine einstufige Turboexpansionsvorrichtung geeigneter Art, durch welche ein Gasstrom, der durch den Einlass 6 einströmt, expandiert wird. Bei der praktischen wirtschaftlichen Anwendung der Turboexpansionsvorrichtung 4 wird die Expansionsvorrichtung mit einer Vorrichtung verbunden, durch welche die durch die Expansionsvorrichtung erzeugte Arbeit verwertet werden kann.
Dieses Merkmal ist jedoch nicht Gegenstand der Erfindung und daher nicht dargestellt. Der Auslass 8 der Turboexpansionsvorrichtung 4 ist durch eine Leitung 10 mit dem Einlass 12 einer Trennvorrichtung 14 verbunden. Bei der dargestellten Trennvorrichtung wird das Gas in den Oberteil derselben eingeleitet und die Flüssigkeit wird in den Unterteil der Trennvorrichtung geleitet.
Der Gasauslass 16 der Trennvorrichtung 14 ist durch eine Leitung 18 mit dem Einlass 20 einer weiteren einstufigen Turboexpansionsvorrichtung 22 verbunden. Die Turboexpansionsvorrichtung 22 kann von der gleichen Art wie die Turboexpansionsvorrichtung 4 sein und wird gewöhnlich als Antriebsvorrichtung mit irgendeinem wählbaren Apparat verbunden, wodurch die durch die Turboexpansionsvorrichtung 22 erzeugte Arbeit wirksam ausgenützt wird. Durch eine Leitung 24, die den Auslass 26 der Turboexpansionsvorrichtung 22 mit einer weiteren Trennvorrichtung 28 verbindet, wird der Abdampf (der sowohl Gas als auch Flüssigkeit enthält) aus der Turboexpansionsvorrichtung 22 in die Trennvorrichtung 28 geleitet.
Eine Leitung 30 verbindet den unteren Auslass 32 der Trennvorrichtung 14 mit der Leitung 24, wodurch der Bodenabfluss der Trennvorrichtung 14 die Turboexpansionsvorrichtung 22 umgeht und in die zweite Trennvorrichtung 28 geleitet wird. Ein Drosselventil 34 ist in die Leitung 30 eingeschaltet, um den Druck
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des Bodenabflusses zu reduzieren, der aus der ersten Trennvorrichtung 14 ausfliesst, wie im folgenden näher beschrieben wird.
Die Trennvorrichtung 28 kann von der gleichen Art wie die Trennvorrichtung 14 sein und weist einen oberen Auslass 36 für den Austritt von Gas und einen unteren Auslass 38 für den Abfluss von Flüssigkeit auf.
Der einen erhöhten Druck aufweisende Gasstrom wird in die Turboexpansionsvorrichtung 4 geleitet,
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gasförmige und eine flüssige Phase umfasst. Das Zweiphasengemisch gelangt durch die Leitung 10 in die Trennvorrichtung 14, wo die Gase nach aufwärts in den Oberteil der Trennvorrichtung 14 und die
Flüssigkeiten nach abwärts in den Unterteil der Trennvorrichtung geleitet werden.
Die Gase, die den Hauptanteil des ursprünglich zugeführten Stromes bilden, werden durch die Lei- tung 18 in die zweite Turboexpansionsvorrichtung 22 geleitet, in der sie expandiert werden, so dass der Druck des Gasstromes nochmals reduziert wird und sich wieder ein Zweiphasengemisch bildet, das eine gasförmige und eine flüssige Phase aufweist. Dieses Zweiphasengemisch wird nunmehr in die zweite Trennvorrichtung 28 geleitet.
Die in der Trennvorrichtung 14 gesammelte Flüssigkeit wird durch die Leitung 30 abgeführt und durch das Ventil 34 gedrosselt, wodurch der Druck der Flüssigkeit auf einen Druck reduziert wird, der dem Auslassdruck der zweiten Turboexpansionsvorrichtung 22 entspricht. Wenn die Flüssigkeit durch das Ventil 34 gedrosselt wird, wird ein Teil der Flüssigkeit in einen gasförmigen Zustand übergehen, so dass ein weiteres Zweiphasengemisch entsteht, das in die zweite Trennvorrichtung 28 geleitet wird.
Die Zweiphasengemische, die in die Trennvorrichtung 28 eintreten, werden wirksam getrennt. Bei der dargestellten Ausführungsform werden wie in der Trennvorrichtung 14 die Gase nach aufwärts und die Flüssigkeiten nach abwärts geleitet. Der obere Auslass 36 der Trennvorrichtung 28 kann mit einer weiteren Turboexpansionsvorrichtung (nicht dargestellt) verbunden werden, die eine dritte Expansion des zugeführten Stromes bewirkt; das ausströmende Gas kann auch durch einen Kompressions- und Kühlkreislauf (nicht dargestellt) weiterverarbeitet werden, um dann mit dem ursprünglich zugeführten Strom wieder vereinigt zu werden und die Turboexpansionsvorrichtungen 4 und 22 nochmals zu durchlaufen.
Die Flüssigkeit, die aus dem unteren Auslass 38 austritt, kann je nach Wunsch entweder durch ein weiteres Drosselventil (nicht dargestellt) geführt und/oder in einen geeigneten Lagerbehälter (nicht dargestellt) geleitet werden.
Es ist demnach ersichtlich, dass der zugeführte Strom zwei Stufen der Turboexpansion durchläuft, jedoch keine Flüssigkeit in die zweite Turboexpansionsvorrichtung mitgerissen wird. Es werden daher der Wirkungsgrad und die Lebensdauer der zweiten Turboexpansionsvorrichtung 22 erhöht. Überdies bedeutet die Drosselung der Flüssigkeit durch das Ventil 34 keinen erwähnenswerten Arbeitsverlust, wie sich aus der folgenden Beschreibung und einer Untersuchung der Fig. 2 zeigen wird.
Das Diagramm in Fig. 2 zeigt eine typische Enthalpie-Druck-Kurve für ein Gas, z. B. Methan. Die römischen Ziffern 1 und II stellen die Expansion eines Gases durch eine mehrstufige Turboexpansionsvorrichtung dar, in der die Flüssigkeit zwischen aufeinanderfolgenden Expansionsstufen nicht abgetrennt
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sowohl nach dem früheren als auch nach dem erfindungsgemässen Verfahren zwei Phasen (Gas und Flüssigkeit) durchläuft. Die Kurve von B bis 11 stellt eine zweite Expansion nach früheren Methoden dar, wobei zwischen den Stufen keine Trennung vorgenommen wird. Die übrigen Kurven betreffen das erfindunggemässe Verfahren. Die Linie von B bis C und B bis E bedeutet die Trennung des Gases und der Flüssigkeit voneinander in der Trennvorrichtung 14.
C bis D ist die Expansionskurve des Gases beim Durchgang durch die zweite Turboexpansionsvorrichtung 22 und die Kurve von E bis F versinnbildlicht die Drosselung der Flüssigkeit durch das Ventil 34.
Eine Untersuchung des besonderen in Fig. 2 dargestellten Beispiels ergibt, dass durch Expansion des Stromes in aufeinanderfolgenden Stufen ohne Flüssigkeitsabtrennung praktisch der gleiche Arbeitsbetrag gewonnen und die gleiche Flüssigkeitsmenge erhalten werden kann wie bei der Expansion des Stromes unter Abtrennung und Drosselung der Flüssigkeit zwischen aufeinanderfolgenden Stufen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Diagramm in Fig. 2 eine theoretische Darstellung der Druck-Enthalpie-Beziehungen des Stromes in verschiedenen Stufen des Prozesses ist und den gleichen thermodynamischen Wirkungsgrad der Turboexpansionsvorrichtungen sowohl im früheren als auch im erfindungsgemässen Verfahren annimmt.
Die Abwesenheit von Flüssigkeit in der zweiten Stufe der Turboexpansion (der Turboexpansionsvorrichtung 22) wird jedoch in der Praxis den Wirkungsgrad dieser Turboexpansionsvorrichtung bedeutend erhöhen. Es wird daher ein höherer Anteil des Gasstromes verflüssigt werden und mehr Arbeit aus dem Prozess wiedergewonnen werden, im Gegensatz zu dem Verfahren, bei dem die Flüssigkeit zwischen aufeinanderfolgenden Stufen der Turboexpansion nicht entfernt wird.
Mit andern Worten wird praktisch der gleiche oder noch ein zusätzlicher Betrag an Arbeit wiedergewonnen werden, wenn nur die Gasphase des Stromes durch die zweite Stufe der Turboexpansion geführt wird, als wenn der vollständige Strom durch die zweite Stufe geführt wird. Durch die Drosselung
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der Flüssigkeit wird keine nennenswerte Arbeit verloren, da das spezifische Volumen der Flüssigkeit klein ist und bei Abnahme des Druckes nicht zunimmt. Ferner ist die Arbeit, die aus dem während der Drosselung entstehenden Gas wiedergewonnen werden könnte, gering, da nur eine kleine Menge entsteht, bevor die Druckenergie absinkt.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist nicht auf eine zweistufige Expansion beschränkt, wie sie in den Zeichnungen dargestellt ist, sondern kann auch bei einer beliebigen Anzahl von Expansionsstufen angewendet werden, wobei die Flüssigkeit aus dem Auslass jeder einzelnen Stufe entfernt und auf den Druck des Stromes in einer späteren Expansionsstufe des Stromes gedrosselt wird. Die einzige Flüssigkeit, die in den verschiedenen Stufen der Turboexpansionsvorrichtungen aufscheint, ist die Flüssigkeit, die durch Expansion des Stromes in der betreffenden Stufe entsteht. Das Anfressen der Turbinenschaufeln in der zweiten und den folgenden Stufen der Expansionsvorrichtung wird daher wesentlich herabgesetzt und der Gesamtwirkungsgrad der Turboexpansionsvorrichtungen erhöht.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur zumindest teilweisen Verflüssigung eines Gases durch Temperatur- und Druckreduktion, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas in mindestens zwei hintereinandergeschalteten Turboexpansionsvorrichtungen expandiert wird, wobei nach jeder Expansionsstufe das gebildete Kondensat vom Gas abgetrennt und das von der Flüssigkeit befreite Gas in die nächste Turboexpansionsvorrichtung eingeleitet wird.
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