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Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas, bei dem das Gas einer Anlage als Behandlungsstrom bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zugeführt, dem Behandlungsstrom durch Wärmeaustausch mit einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten gesonderten Kühlmitteln, wobei jedes dieser Kühlmittel einen Kompressions- und Entspannungskreislauf durchläuft, ohne Ausdehnung des Behandlungsstromes zur Verflüssigung des Gases Wärme entzogen und hierauf der Druck über der gewonnenen Flüssigkeit auf einen für Speicherung oder Transport geeigneten Wert herabgesetzt wird.
Aus der deutschen Patentschrift Nr. 321819 ist bereits ein Verfahren zum Verflüssigen von Gasen durch Entspannen ohne Rückgewinnung äusserer Arbeit bekannt geworden, bei dem das zu verflüssigende Gas auf seinem Wege durch den Austauscher, nachdem seine Unvollkommenheit bereits sehr gross geworden ist, eine zusätzliche Kühlung durch einen Kältekreislauf erhält, d. h. der Einwirkung von Auspuffgasen aus einer Entspannungskältemaschine ausgesetzt wird, welche mit einem schwer zu verflüssigenden Gas betrieben wird.
Der Kreislauf der Kältemaschine kann dabei entweder durch einen Teil des zu verflüssigenden Gases oder durch ein aus einer andern Quelle stammendes, gleichartiges Gas unterhalten werden, dessen Temperatur nach Verdichtung auf den Druck des zu verflüssigenden Gases oder einen von diesem verschiedenen Druck durch ein Kühlmittel entsprechend erniedrigt wird, das von den zurückströmenden Gasen aus dem Austauscher entnommen wird. Es ist ferner bekannt, zur Vorreinigung eines für die Zerlegung durch Kompression und Tiefkühlung bestimmten Gasgemisches alle bei der Gaszerlegung durch Festabscheidung störenden dampf- und gasförmigen Verunreinigungen, insbesondere Wasserdampf, Kohlensäure und Acetylen, gemeinsam durch periodisch umgeschaltete Adsorber zu entfernen (vgl. österr. Patentschrift Nr. 168834). Schliesslich ist aus der österr.
Patentschrift Nr. 24535 eine Vorrichtung zur Verflüssigung von Luft unter Anwendung mehrerer Kälteflüssigkeiten, wobei die jeweilig leichter kondensierbare Flüssigkeit zur Verflüssigung der Dämpfe der schwerer kondensierbaren benutzt wird, bekannt geworden, bei welcher die Verflüssigung der Dämpfe der schwerer kondensierbaren Flüssigkeit in einem Behälter vor sich geht, der konzentrisch von den Behältern umgeben ist, in denen die leichter kondensierbaren Dämpfe verflüssigt werden.
Erdgas besteht in der Hauptsache aus Methan, enthält aber auch schwere Kohlenwasserstoffe, wie Äthan, Propan, Butan u. dgl., kleine Mengen aromatischer Kohlenwasserstoffe und veränderliche Mengen von andern Stoffen, beispielsweise Stickstoff, Helium, Kohlensäure, Schwefelwasserstoff u. dgl. Es gibt viele Gründe, die eine Verflüssigung von Erdgas wünschenswert machen. Besonders erwünscht ist die bei entsprechendem Druck erfolgende Verflüssigung unter Volumenverminderung auf hostel des Volumens im gasförmigen Zustand. Durch die Verflüssigung wird eine wirtschaftlich günstige und praktisch ausführbare Speicherung und Förderung ermöglicht.
Wenn beispielsweise Gas über eine Rohrfernleitung vom Gewinnungsort zu einer entfernten Verbrauchsstelle geleitet wird, soll dies unter einem gleichbleibenden hohen Füllkoeffizienten erfolgen. Oft ist die Strömungskapazität höher als die Nachfrage, während zu andern Zeiten wieder die Nachfrage die Strömungskapazität der Rohrleitung übersteigt. Um auch in den Zeiten des Spitzenverbrauchs, in welchem die Nachfrage die Strömungskapazität übersteigt, eine gleichmässige Gasversorgung zu gewährleisten, ist eine Speicherung des verflüssigten Gases in den Zeitabschnitten geringerer Nachfrage zweckmässig, damit die Verbrauchsspitzen durch Verdampfen des gespeicherten Gases ausgeglichen werden können.
Von noch grösserer Wichtigkeit ist die Verflüssigung des Erdgases beim Transport desselben aus einem Vorrat zu einer entfernten Verbrauchsstelle insbesondere dann, wenn der Vorrat mit der Verbrauchsstelle nicht unmittelbar durch eine Rohrfernleitung oder einer ähnlichen Anlage zum Transport des gasförmigen Brennstoffes verbunden werden kann. Für den Grossverbrauch ist es erwünscht, das verflüssigte Erdgas bei Aussenluftdruck oder vorzugsweise bei einem etwas höheren Druck als Aussenluftdruck in entsprechenden isolierten Behältern grossen Fassungsvermögens zu verschiffen, wobei die erforderlichen Drucke jedoch nicht so gross sein dürfen, dass dadurch ein wirtschaftlich untragbarer Aufwand für die Behälter erforderlich wird.
Je nach der Menge der in dem Erdgas vorhandenen höhersiedenden schwereren Kohlenwasserstoffe hat das verflüssigte Erdgas bei Atmosphärendruck einen Siedepunkt zwischen -151 und -1610 C.
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Die Erfindung zielt nun auf die Schaffung eines wirtschaftlich günstigen und leistungsfähigen Verfahrens zum Verflüssigen von Erdgas ab, das zum Kühlen nur sehr geringe Energie benötigt und eine nur sehr kleine Anlage für seine Durchführung erforderlich macht ; es kann als kontinuierliches Arbeitsverfahren mit geringem Materialaufwand ausgeführt werden. Während der Ausführung von Reparaturen oder Auswechslungen an der für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens verwendeten Vorrichtung wird kene Stillegung des Betriebes erforderlich. Beim erfindungsgemässen Verfahren werden als Kühlmittel Stoffe verwendet, die leicht erhältlich sind oder bei diesem Verfahren selbst als Nebenprodukte anfallen. Es kann ein verhältnismässig reines verflüssigtes Gas von Atmosphärendruck erhalten werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist betriebssicher und lässt sich den bestehenden Verhältnissen hinsichtlich der Gaszusammensetzung oder Kapazitätserhöhung, z. B. bei Stillegung benachbarter Leitungen od. dgl., leicht anpassen.
Das Verfahren gemäss der Erfindung besteht darin, dass als Kühlmittel Propan, Äthan und Methan in der angegebenen Reihenfolge verwendet werden, der Entspannungskreislauf in einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt unterteilt ist, das Kühlmittel vom Hochdruckabschnitt in den Niederdruckabschnitt fliesst und der Behandlungsstrom zuerst mit dem Hochdruckabschnitt und dann mit dem Niederdruckabschnitt in Wärmeaustausch gebracht wird, die Verdichtung in einer Mehrzahl von Kompressoren durchgeführt wird, wobei der Einlassdruck in einen der Kompressoren im wesentlichen der gleiche ist wie der Druck der entspannten Dämpfe des Kühlungsmittels aus dem Hochdruckabschnitt der Entspannungsstufe, und die Dämpfe aus diesem Hochdruckabschnitt in die Kompressionsstufe unmittelbar vor diesem Kompressor eingeleitet werden.
Ein wichtiges Kennzeichen der Erfindung besteht somit in der Unterteilung des Kühlmittelkreislaufes in einzelne Stufen, so dass gesonderte Kühlmittel in Zonen verwendet werden können, in denen diese Kühlmittel als Wärmeaustauschmittel am
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80 CKühlmittel für den Temperaturbereich oberhalb -78, 80 C vorteilhaft. Abgesehen von der besonderen Leistungsfähigkeit des für jeden dieser Bereiche bestimmten Kühlmittels ist die Kombination aus Propan, Äthan und Methan zur Verflüssigung von Erdgas deshalb besonders geeignet, weil alle diese Kühlmittel als Nebenprodukt des Verflüssigungsverfahrens erhalten werden, so dass eine unbegrenzte Menge bei kleinen Kosten und geringen Schwierigkeiten erhalten werden kann.
Es ist nicht erwünscht, den Verwendungsbereich der Kühlmittel so weit auszudehnen, dass die Kühlmittel vor den Kompressoren unter Verhältnissen arbeiten, die unter Atmosphärendruck liegen. Beispielsweise ist es unerwünscht, den Propankühlmittelkreislaufüber-40 C auszudehnen, weil sonst ein Vakuum an der Niederdruckseite des Kompressors entsteht. Hiedurch würde Luft in die Kühlanlage angesaugt werden, wodurch das Arbeiten der Anlage möglicherweise gefährdet und in Frage gestellt werden würde.
Vorzugsweise wird die Entspannung der Kühlmittel auf einen Mindestwert von 1, 12 kg/cm2 begrenzt, so dass die Kühlmittel ständig unter einem genügend hohen Druck bleiben, durch den ein Eindringen von Luft verhindert und das Kühlmittel zurück zu den Kompressoren gefördert wird.
Nach einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden die nach Herabminderung des Druckes über dem verflüssigten Behandlungsstrom auf einen Druck von etwa 1 Atmosphäre entstandenen Gase in den Methankühlmittelkreislauf eingeleitet und der dadurch im Methankühlmittelkreislauf entstehende Überschuss an verflüssigtem Methan aus dem Kreislauf wieder abgezogen. in der Leicnnung ist eme Beispielsweise Austunrungstorm des emndungsgemässen Verfahrens näher erläutert. Fig. 1 veranschaulicht ein Strömungsschema des Verfahrens zur Verflüssigung von Erdgas und Fig. 2 ist eine schematische Darstellung einer Abänderung in den Kühlanlagen.
Bei der nachstehenden beispielsweisen Ausführungsform ist das verflüssigte Gas ein geringwertiges Gas oder Schwachgas, aus dem Feuchtigkeit, saure Gase, beispielsweise Kohlensäure, Schwefelwasserstoff u. dgl., durch eine Vorbehandlung mittels Exsikkatoren, Aminextraktionsapparaten u. dgl. bereits abgetrieben oder entfernt worden sind. An Stelle von Aminextraktionsapparaten können zum Entfernen der sauren Gase auch andere übliche Reinigungssysteme, z. B. eine Reinigung mit heissem Kaliumcarbonat, erfolgen. Es ist auch möglich, die Kohlensäure mit Wasser oder mit Ätzlösungen auszuwaschen. Ein gereinigtes Schwachgas ist beispielsweise ein Gas mit etwa 91 Mol-% Methan, etwa 7 Mol-% Äthan, weniger als 2 Mol-% Propan, weniger als 1 Mol-% höherer Kohlenwasserstoffe und gegebenenfalls bis zu 2 Mol-% Stickstoff.
Das behandelte Erdgas kann aber auch bis zu 20-25 Mol-% schwerere Kohlenwasserstoffe, bis zu 20 Mol-% Stickstoff und bis zu 5 Mol-% Kohlensäure oder Schwefelwasserstoff enthalten ; üblicherweise beträgt jedoch die Methanmenge 75-80 Mol-% und sehr oft über 90 Mol-% des Erdgases.
Das Erdgas 10 wird über den Rohrstrang 12 der Verflüssigungsanlage bei erhöhtem Druck und einer erhöhten Temperatur, beispielsweise bei etwa 50 kgfcm2 und 37, 8 C, zugeführt. Der zur Umwandlung des verdichteten Gases auf einen verflüssigten Zustand mittels eines modifizierten Kaskadensystems und eines modifizierten Expansionssystems dienende Kühlmittelkreislauf wird in eine Folge von Kühlstufen unterteilt, die aus einem Propankühlmittelkreislauf P, einem Äthankühlmittelkreislauf F und einem
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Methankühlmittelkreislauf M bestehen.
In jedem Abschnitt erzielt man eine Temperatursenkung des komprimierten Gases in dem Ausmass, in dem jede Kreislaufunterteilung hinsichtlich der zur Erzielung der gewünschten Kühlung erforderlichen Leistungsaufwendung mit höchstem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Der Propankühlmittelkreislauf P ist in einen Propan-Hochtemperaturabschnitt P 1, einem PropanTieftemperaturabschnitt P 2 und einen Äthankondensationsabschnitt P 3 unterteilt.
Im Propan-Hochtemperaturabschnitt PI wird das in einem Behälter 16 bei etwa 13 kg/cm und 37, 8 C gehaltene flüssige Propan 14 über eine Leitung 18, 20 einem Entspannungsventil 22 zugeleitet, in dem der Druck auf etwa 4, 2 kg/cm'erniedrigt wird, so dass eine Einführung in den Hochtemperaturwärmeaustauscher 24 erfolgen kann. Bei dem Druck von 4, 2 kg/cm2 wird das Propan auf einer Temperatur von-3, 9 C gehalten. Der Dampf, der sich bei der Expansion entwickelt und der Dampf, der beim Wärmeentzug aus dem Behandlungsstrom infolge des im Wärmeaustauscher erfolgenden Kochens gebildet wird, sammelt sich und strömt über eine Leitung 26 bei einem Druck von 4, 2 kg/cm2 zu einer zwischen dem Niederdruckkompressor 52 und dem Hochdruckkompressor 28 vorhandenen Leitung 51.
Das flüssige Propan wird innerhalb des Wärmeaustauschers 24 mittels einer das Ventil 22 regelnden Regelvorrichtung 30 auf einer gewünschten Standhöhe gehalten.
Bei dem im Wärmeaustauscher 24 erfolgenden kontinuierlichen Fliessen des Stromes 10 wird dem Erdgas Wärme entzogen, so dass sich die Temperatur des Gasstromes bei einem nur geringen Druckabfall von 37, 8 C auf etwa 0 C verringert. Wird der Behandlungsstrom bei einer Temperatur zugeführt, die
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werden.
In dem Tieftemperatur-Propankühlmittelkreislauf P 2 wird flüssiges Propan aus dem Wärmeaustauscher 24 über die Rohrleitung 32 zu einem Entspannungsventil 34 geleitet, in dem eine Druckreduzierung auf etwas oberhalb Atmosphärendruck erfolgt, beispielsweise auf 1, 28 kg/cm2, und eine Einführung in den Niederdruck-Wärmeaustauscher 36 stattfindet. Bei diesem Druck wird das Propan auf einer Temperatur von etwa-36, 6' C gehalten.
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tauscher 36 bei 0 C ein und verlässt den Wärmeaustauscher bei etwa-33, 8' C und einem Druck von etwa 49 kgfcm2. Das innerhalb des Wärmeaustauschers 36 vorhandene flüssige Propan wird auf der gewünschten Standhöhe mittels eines das Ventil 34 regelnden Hebelreglers 38 gehalten.
Der in der Rohrleitung 32 befindliche andere Teil des Propans strömt in Leitung 40 zu einem Ent- spannungsventil 42, in welchem der Druck auf den Druckwert erniedrigt wird wie im Ventil 34, ehe eine Einführung in den Wärmeaustauscher 44 oder Äthankondensator erfolgt, in dem wiederverdichtete Äthandämpfe im Äthan-Kühlmittelkreislauf zwecks Verflüssigung gekühlt werden. Dann wird das Propan wieder auf eine gewünschte Standhöhe innerhalb des Wärmeaustauschers 44 mittels einer das Ventil 42 regelnden Standregelvorrichtung 46 eingeführt.
Die bei der Druckverminderung in den Ventilen 34 und 42 und beim Sieden in den Wärmeaustauschern 36 und 44 auftretenden Dämpfe werden gesammelt und gemeinsam in den Rohrleitungen 48 und 50 der Eingangsseite des Niederdruckkompressors 52 zugeführt. Die aus den Leitungen 48 und 50 bei einem Druck von annähernd 11, 2 bis 12, 6 kgfcm2 und bei einer Temperatur von-36, 6 C abströmenden Dämpfe enthalten eine beträchtliche Menge Kühlmittel, die wiedergewonnen werden kann, indem die Dämpfe durch den Wärmeaustauscher 54 in Wärmeaustausch mit dem in Rohrleitung 32 befindlichen flüssigen Propan gebracht werden, um die Flüssigkeit von einer Temperatur von-3, 9 0 C auf etwa-22, 2 C zu kühlen.
Die Temperaturerniedrigung des flüssigen Propans verringert die entstehende Dampfmenge bei der anschliessenden Entspannung in den Ventilen 34 und 42. Gleichzeitig wird die Temperatur der in den Kreislauf wieder eingeleiteten Dämpfe von -36, 60 C auf etwa -12, 20 C erhöht. Diese Temperatur ist bei der anschliessenden Behandlung mittels der Kompressoren günstiger, da sonst durch die kalten Dämpfe Schmiermittelprobleme entstehen.
Der in Leitung 50 vorhandene Propandampf wird in dem Niederdruckkompressor 52 verdichtet, um den Druck auf einen Wert zu erhöhen, der dem Druck des aus dem Wärmeaustauscher 24 abströmenden Dampfes (etwa 4, 2 kgfcm2) entspricht, so dass die beiden Propandampfströme zwecks anschliessender Behandlung im Hochdruckkompressor 28 miteinander vereinigt werden können. Der Hochdruckkompressor 28 erhöht den Druck der Propandämpfe auf einen Wert, bei dem die Dämpfe, beispielsweise mittels eines Wasserkühlers, leicht kondensiert werden können. Beispielsweise wird der Druck zwecks anschliessender Verflüssigung und Speicherung im Behälter 16 auf etwa 13, 0-13, 2 kgfcmB erhöht.
Durch die Kompressionswärme im ersten Kompressor 52 wird die Temperatur des in Rohrleitung 50 befindlichen Teiles des Propandampfes von-12, 2' C auf etwa 330 C erhöht. Nach Zumischen des Abflusses aus dem Wärmeaustauscher 24 hat der kombinierte Strom eine Temperatur von etwa 16, 70 C.
Nach dem Wiederverdichten in dem zweiten Kompressor 28 steigt die Temperatur auf etwa 710 C.
Durch Kombination der Wärmeaustauschstufen hoher und niederer Temperatur wird nur ein Bruchteil des Dampfes auf den niederen Druck gebracht, so dass nur dieser Bruchteil wieder auf den höheren Druckwert verdichtet werden muss, wodurch bei der Ausführung des Kühlmittelkreislaufes an Energie gespart wird. Durch Aufteilung des Propankühlmittels auf einen Kühlmittelkreislauf niederer Temperatur und
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einen Kühlmittelkreislauf hoher Temperatur kann die Wärme aus dem Behandlungsstrom bei für jedes Kühlmittel wirksameren Temperaturen abgeführt und der zur Erzielung der gewünschten Temperaturerniedrigung des Behandlungsstromes erforderliche Energiebedarf weiterhin verringert werden.
Die Kompressionswärme braucht dem dem Niederdruckkompressor zugeführten Propan nicht entzogen werden, da die Temperatur nicht so hoch ist, dass bei der anschliessenden Behandlung Schwierigkeiten entstehen oder eine Wasserkühlung anwendbar ist. Nach dem Verdichten des gesamten Propans auf einen Druck von 13, 2 kg/cm'durchströmt das Propan einen Wärmeaustauscher 55, in welchem Wasser als Wärmeaustauschflüssigkeit zur Abführung der Kompressionswärme aus dem Propan verwendet werden kann. Vorzugsweise wird die Temperatur der Dämpfe so weit erniedrigt, dass die in dem Propan verbliebenen Scbmieröldämpfe kondensieren, eine Kondensation des Propans jedoch verhindert wird. Beispielsweise wird das Propan im Wärmeaustauscher 55 auf etwa 430 C gekühlt.
Das aus dem Wärmeaustauscher 55 ausströmende neu verdichtete Propan wird dann in einem Flüssigkeitsabscheider, beispielsweise in einem Füllkörperkessel, behandelt, um das Öl u. a. Verunreinigungen aus dem Propankreislauf zu sammeln und abzuscheiden. An Stelle des Füllkörperkessels kann das Abscheiden der Öle und der andern Fremdstoffe aus dem Propan aber auch durch ein Absorptionsmittel oder durch irgendein anderes übliches Abscheidemittel bewirkt werden.
Das verdichtete und gereinigte Propan wird über eine Rohrleitung 58 einem Propankondensator 60 zugeleitet, in welchem ein Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel, beispielsweise Kühlwasser, erfolgt, um die Temperatur des Propans auf seine Kondensationstemperatur bei den bestehenden Druckverhältnissen (37, 8 C bei 13, 0 kgfcm2) zu verringern, worauf das flüssige Propan 14 zum Abschluss des Propankreislaufes zum Behälter 16 zurückgeführt wird.
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kühlmittelkreislauf E 3 unterteilt.
Bei einer stufenweise arbeitenden Kühlanlage dieser Art ist es erwünscht, eine Kondensation auf den Flächen der Wände der Wärmeaustauscher zu verhüten und so den höchsten Wirkungsgrad der Wärme- übertragung beizubehalten. Im vorliegenden Falle wurde das Schwachgas mit einem Trocknungsmittel behandelt, um vor der Behandlung im Propankreislauf den Feuchtigkeitsgehalt auf einen Taupunkt von etwa-40 C herabzusetzen. Hiedurch ergibt sich eine sehr geringe Relativfeuchtigkeit. Zum Entfernen der Feuchtigkeit können feste oder flüssige Trockenmittel, beispielsweise aktivierte Tonerde, Kieselsäuregel u. dgl., verwendet werden. Derartige Trockenmittel entfernen auch zum Teil einige der sauren
Gase, wie Kohlensäure und Schwefelwasserstoff.
Wenn dagegen der Behandlungsstrom nicht eine Temperatur von 37, 8 C, sondern eine Temperatur von-28, 9 C hat, dann entsteht durch die gleiche Feuchtigkeitsmenge eine verhältnismässig hohe Relativfeuchtigkeit, bei der ein Trocknungsmittel ebenfalls wirksam verwendet werden kann. Der Gehalt an Feuchtigkeit u. a. Stoffen, beispielsweise aromatischen Kohlenwasserstoffen, kann durch die Verwendung von zwischen dem Propankreislauf und dem Äthankreislauf eingeschalteten Trockenvorrichtungen 61 so niedrig gehalten werden, dass ein Ausfrieren oder Ausfällen an den Oberflächen der Wärmeaustauscher verhütet wird.
Beim Äthan-Hochtemperatürkreislauf wird flüssiges Äthan 62, das in einem Behälter 64 beispielsweise auf 9, 94 kg/cm'und-32, 7' C gehalten wird, über eine Rohrleitung 66 einem Wärmeaustauscher zugeführt, in dem die Temperatur weiter auf-47, 2' C erniedrigt wird. Das gekühlte flüssige Äthan strömt bei einem Druck von 9, 94 kg/cm2 über die Rohrleitung 70 zu einem Entspannungsventil 72, durch das der Druck auf 3, 7 kg/cm2 erniedrigt wird, um das Äthan in den Hochtemperaturwärmeaustauscher 74 einzuleiten. Bei diesem Druck wird die Temperatur des Äthans in dem Wärmeaustauscher auf etwa - 610 C gehalten.
Der in Leitung 75 befindliche Hauptstrom strömt in den Wärmeaustauscher 74 bei - 33, 8 C und bei einem etwas geringeren Druck als 49, 0 kg/cm2 ein und verlässt den Wärmeaustauscher über die Rohrleitung 78 bei-58, 8' C. Beim Durchgangsströmen des Wärmeaustauschers erfolgt ein geringer Druckabfall. Das Äthan, das bei der Entspannung im Ventil 72 im Wärmeaustauscher 74 verdampft, wird über die Rohrleitung 80 der Zwischenstufe zwischen dem Niederdruckkompressor 82 und dem Hochdruckkompressor 84 zugeführt.
Das im Dampf vorhandene Kühlmittel wird im Wärmeaustauscher 68 wiederverwendet, um das aus dem Behälter 64 dem Wärmeaustauscher 74 zugeführte flüssige Äthan zu kühlen ; es wird anschliessend durch einen zweiten Wärmeaustauscher 86 hindurchgeleitet, um die Kompressionswärme aus dem Äthan abzuführen, das über die Kompressoren 82 und 84 wieder in den Kreislauf geleitet wird, so dass das verdichtete Äthan eine Temperatur wie im Propankreislauf hat, die etwas oberhalb der Verflüssigungstemperatur, aber unterhalb der Kondensationstemperatur der im Äthanstrom vorhandenen Schmiermitteldämpfe liegt.
Das innerhalb des Wärmeaustauschers 74 befindliche flüssige Äthan wird durch den Hebelregler 88, auf den das Ventil 72 anspricht, auf einem gewünschten Stand gehalten. Eine genügende Menge des flüssigen Methans wird aus dem Wärmeaustauscher 74 über die Rohrleitung 94 abgeleitet, um den Wärmeaustauscher 90 und den Methankühler 92 zu versorgen. Der zum Wärmeaustauscher 90 strömende Teil des Behandlungsstromes strömt über ein Entspannungsventil 96, durch das der Druck zwecks Einführung in den Wärmeaustauscher 90 auf etwa 1, 26 kg/cm2 reduziert wird. Bei diesem Druck wird das in dem Wärmeaustauscher 90 vorhandene Äthan auf einer Temperatur von etwa -84, 40 C gehalten.
Im vor-
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strömen in der Kolonne wird die Flüssigkeit mit den in der Kolonne aufsteigenden Dämpfen in Berührung gebracht. Die schwereren Dämpfe werden auf diese Weise kondensiert, erwärmen die Flüssigkeit und treiben die Stoffe niedrigen Siedepunktes, z. B. Stickstoff und bzw. oder Helium, ab. Im oberen Abschnitt der Kolonne werden die aus der Entspannung und dem Überlauf stammenden Dämpfe mit der kalten, in der Kolonne nach unten strömenden Flüssigkeit in Berührung gebracht, wobei die schwereren Bestand- teile kondensiert werden, während die schwerer kondensierbaren Dämpfe, die in der Hauptsache aus Stick- stoff und etwas Methan bestehen, durch den Rückflusskühler weiter nach oben strömen und mit etwa
100 C in die Rohrleitung 136 eintreten.
Der Behandlungsstrom strömt über die Leitung 138 zu einem'im Methankühlmittelkreislauf gelegenen mittleren Wärmeaustauscher 140 bei-120, 5 C und einem Druck von 8, 75 kgfcm2 ein und verlässt den
Austauscher bei etwa -1350 C. Aus dem Wärmeaustauscher 140 strömt der flüssige Behandlungsstrom über die Rohrleitung 142 zu einem Wärmeaustauscher 144, in den das verflüssigte Erdgas mit einer Tempe- ratur von -1350 C einströmt und mit einer solchen von etwa-154 C austritt.
Von hier wird die kalte und verdichtete Flüssigkeit über ein Drosselventil 146 einer vorzugsweise etwas oberhalb Atmosphären- druck befindlichen Kammer 148 zugeleitet, wobei die Temperatur in Abhängigkeit von dem Druck und der im Erdgasstrom vorhandenen Menge der höher siedenden Kohlenwasserstoffe auf etwa -154, 30 C erniedrigt wird. Die Kammer 148 kann eine Speicherkammer sein ; vorzugsweise wird jedoch das Produkt aus der Kammer 148 in isolierte Speicherbehälter oder zu Transportvorrichtungen (nicht dargestellt) geleitet.
Ein Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens besteht in der Möglichkeit, das im Speicher absiedende
Methan und bzw. oder das in die Kammer 148 verdampfende Methan als einen Teil des Kühlmittels im Methankühlmittelkreislauf zu verwenden und so das Methankühlmittel aus dem Behandlungsstrom zu ergänzen. Zu diesem Zweck ist ein im wesentlichen völliges Entfernen von Stickstoff aus dem der
Kammer 148 zugeführten Produkt erwünscht, da sonst der Stickstoff in das gespeicherte verflüssigte
Erdgas gefördert wird und dann das erste Material ist, das als Dampf auftritt, wodurch die Verwendung dieser Dämpfe im Methankühlmittelkreislauf ausgeschlossen werden würde. Ferner würde auch mit dem
Stickstoff zuviel Methan abgeleitet werden.
Der Rektifizierabschnitt 132 kann bei Drucken betrieben werden, die ziemlich weit von den genannten Drucken von 8, 75 kgfcm2 abweichen. Vorteilhaft erfolgt das Arbeiten mit einem so hohen Druck, dass ein Umlauf der Dämpfe durch die verschiedenen Wärmeaustauscher hindurch zwecks Wiedergewinnung seines Kühlmittels und zwecks anschliessender Verwendung als Brennstoff gesichert ist. Im allgemeinen soll mit einem Druck gearbeitet werden, der höher als 5, 25 kgfcm 2 ist. Wird der Rektifizierungsabschnitt 132 mit Drucken betrieben, die sehr viel höher sind als 8, 75 kg/cm2, dann wird das Entfernen der inerten Gase schwieriger und diese höheren Drucke machen eine höhere Kühlmittelmenge erforderlich.
Es ist daher erwünscht, das Abtrennverfahren bei einem Druck auszuführen, der vorzugsweise oberhalb 5, 25 kg/cm2 liegt, aber kleiner als 49 kg/cm2 ist, was etwas und unmittelbar vom Stickstoffgehalt abhängt.
Der Abstrom aus der Vorrichtung 132in der Rohrleitung 136 kann nach seinem Durchleiten durch Wärmeaustauscher, in denen die Kälte rückgewonnen wird, als Brennstoff verwendet werden.
Methan kommt aus dem Niedertemperatur-Äthanwärmeabscheider 92 in den Äthankühlmittelkreislauf bei etwa-82 C und einem Druck von etwa 84, 7 kgfcm 2. Bei diesem Druck und bei dieser Temperatur hat das Methan, zum Unterschied von einer Flüssigkeit oder einem Dampf, die Form eines dichten Strömungsmittels, weil es sich oberhalb des kritischen Druckes befindet. Die Anwendung derart hoher Drucke ist in dieser Phase des Kühlmittelkreislaufs deshalb erwünscht, weil bei diesen hohen Drucken mit verhältnismässig kleinen Mengen die gewünschten Wirkungen erzielt und sehr viele Vorteile erhalten werden können.
Beispielsweise kann das Äquivalent von latenter Kondensationswärme aus dem dichten Strömungsmittel bei einer verhältnismässig hohen Temperatur entfernt werden, so dass eine beträchtliche Nettoersparnis an Kühlenergie erzielt wird. Beim Arbeiten mit höheren Drucken kann das Material auf niedrigere Drucke mit einem im Vergleich zum Strömungsmittel geringeren Dampfanteil entspannt werden, wodurch die in den Kreislauf wieder einzuleitende Dampfmenge und auch der zum Kühlen erforderliche Energieaufwand verringert werden. Bei hohen Drucken ist ausserdem die Kühlkurve für Methan gleichförmiger und geradliniger, so dass sie eine leistungsfähigere Wärmeübertragung bei entsprechender Ersparung an Energieaufwand ermöglicht. Es gibt jedoch eine Stelle, bei der sich die Drucklinien einander so nähern, dass es unwirtschaftlich wird, bei noch höheren Drucken zu arbeiten.
Diese Zone befindet sich bei Methan im Bereich von etwa 84, 0 bis 91, 0 kg/cm2.
Flüssiges Methan aus dem Wärmeaustauscher 92 strömt in Leitung 150 zum Wärmeaustauscher 152, in dem sich die Flüssigkeit mit den Methandämpfen in Wärmeaustausch befindet, die vom Rückflusskühler 134, Wärmeaustauscher 144 und Auslauf in Leitung 136 wieder in Umlauf gesetzt wird. Das in den Wärmeaustauscher bei-82, 2 C einströmende Methan verlässt diesen bei etwa-89, 9'C und strömt dann weiter in der Rohrleitung 154 zum Wärmeaustauscher 122. Vor dem Einströmen in den Wärmeaustauscher 122 wird der Druck im Ventil 156 auf etwa 21, 0 kgfcm2 verringert, mit dem Ergebnis, dass das im Wärmeaustauscher befindliche Methankühlmittel auf einer Temperatur von etwa-106 C gehalten wird.
Das flüssige Methan wird von einem Standregler 158, auf den das Ventil 156 anspricht, auf dem gewünschten Stand im Wärmeaustauscher gehalten.
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Das Methankühlmittel wird aus dem Wärmeaustauscher 122 über die Rohrleitung 160 zu einem Wärmeaustauscher 162 geleitet, in dem es in Wärmeaustauschbeziehung mit aus dem Wärmeaustauscher 144 kommenden Dämpfen von-156 C und aus dem Rückflusskühler 134 und Wärmeaustauscher 140 kommenden Dämpfen von-137 C tritt und dadurch von-106 C auf-121 C gekühlt wird. Das gekühlte Methan (-1210 C) in Leitung 164 wird in zwei Ströme geteilt, von denen der eine zu einem Entspannungsventil 166 fliesst, in welchem vor dem Einführen in den Wärmeaustauscher 140 eine Druck-
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ehe eine Zuführung in den am Kopf der Vorrichtung 132 befindlichen Rückflusskühler 134 erfolgt.
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Wärmeaustauscher wird durch eine auf das Ventil 166 wirkende Regelvorrichtung 170 bewirkt, dass ein gewünschter Flüssigkeitsstand vorhanden ist.
Überschüssiges flüssiges Methan mit einer Temperatur von-137 C und einem Druck von 5, 25 kg/cm2 wird aus dem Wärmeaustauscher 140 abgeleitet und strömt in der Leitung 172 zu einem Ventil 174, durch welches das flüssige Methan bei einem Druck von etwa 1, 75 kgfcm2 und einer Temperatur von-156 C in den Wärmeaustauscher 144 überströmt. Der Wärmeaustauscher 144 weist den üblichen Standregler 176 auf, der den über das Ventil 174 einfliessenden Strom zur Aufrechterhaltung der im Wärmeaustauscher befindlichen Methanmenge regelt.
Das verdichtete Methan wird in einem Behälter gespeichert, aus dem es dem Methankühlmittelkreislauf zugeleitet werden kann. Vorzugsweise wird der Methankühlmittelkreislauf mit der Speicherung und dem Überlauf im Speicher zusammengefasst. Hiebei können die im Speicher entwickelten Dämpfe dem kühlenden Methan aus den verschiedenen Einheiten im Methankühlmittelkreislauf wieder zugesetzt werden, da die Dämpfe aus dem Speicher eine ähnliche Beschaffenheit haben wie das als Kühlmittel verwendete Methan. Die im Einlass zu den Kompressionsstufen vorhandene Methanmenge ist daher im Überschuss zu der Menge vorhanden, die lediglich durch das Sieden des Kühlmittels erhalten wird.
Alle Überschüsse des verflüssigten Methans über das als Kühlmittel im Kühlverfahren verwendete Methan hinaus können jedoch aus dem letzten Wärmeaustauscher 144 in der Rohrleitung 178 um die Speicherkammer 148 umgeleitet werden. Üblicherweise ist die umgeleitete Menge gleich der Dampfmenge, die dem Kreislauf aus dem Speicher zusätzlich zuströmt.
Es ist infolgedessen nicht notwendig, das Kühlmittel zwecks Reinigung nochmals zu behandeln, da frische Methananteile ständig als Kühlmittel in den Methankühlmittelkreislauf eingeleitet werden. Es ist auch nicht notwendig, das absiedende Produkt dem in der Anlage zu verflüssigenden Behandlungsstrom zuzusetzen. Infolgedessen wird nicht nur die zu behandelnde Materialmenge verringert, sondern auch die Kapazität der Anlage günstig beeinflusst, ohne dass eine Erweiterung der Abmessung oder eine Erhöhung der zum Betrieb erforderlichen Energie notwendig wird. Die aus dem Produkt absiedenden Dämpfe können jedoch dem Gasstrom zwecks Wiederverflüssigung zugesetzt werden.
Beim Einleiten der Dämpfe aus dem Vorrat in den Kühlmittelkreislauf wird der Dampf in der Rohrleitung 180 unmittelbar der Niederdruckseite des Kompressors 182 zugeführt, ohne dass eine Wieder-
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dem aus dem Wärmeaustauscher 122 strömenden Dampf wird das Methan in dem Endkompressor 202 auf einen Druck von etwa 85 kg/cm2 verdichtet und strömt mit einer Temperatur von 120 C ab.
Das verdichtete Methan wird im Wärmeaustauscher 208 mit Wasser auf eine Temperatur von 37, 8 C gekühlt, bei der die gegebenenfalls mit dem Methan mitgenommenen Schmiermitteldämpfe kondensieren und dann im Abscheider 210 abgeschieden werden. Die einen Druck von 85 kgfcm2 und eine Temperatur von 37, 80 C aufweisenden verdichteten Dämpfe werden dann in der Rohrleitung 212 dem im Propankühlmittelkreislauf verwendeten Wärmeaustauscher 214 zugeleitet, der das aus der Leitung 18 kommende Propankühlmittel aufnimmt, das über das Ventil 216 in den Wärmeaustauscher bei einem Druck von 4, 2 kg/cm2 und einer Temperatur von-3, 9 C eintritt, also dem Druck und der Temperatur des Wärmeaustauschers 24 im Propankühlmittelkreislauf.
Das wiederverdichtete Methan strömt in den Wärmeaustauscher bei einer Temperatur von 37, 80 C ein und verlässt ihn bei 00 C. Aus dem Wärmeaustauscher 214 strömt das Methan in der Rohrleitung 218 zum Wärmeaustauscher 188, in dem ein Wärmeaustausch mit den aus den Wärmeaustauschern 144, 140 und 122 und aus dem Rückflusskühler 134 kommenden Dämpfen erfolgt. Das Methan verlässt den Wärmeaustauscher bei -500 C und strömt in der Rohrleitung 220 zum Äthanaustauscher 92 am Beginn des Methankühlmittelkreislaufes.
Das aus dem in der Rohrleitung 136 strömenden Behandlungsstrom abgesonderte Gas wird auch durch die Wärmeaustauscher 152 und 188 hindurchgeleitet. Zusätzliche Mengen an Methan können bei erhöhtem Druck aus der Rohrleitung 10 oder aus der Rohrleitung 192 über die Rohrleitung 222 abgelassen werden.
Die Methandämpfe werden in der beschriebenen Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens durch drei Kompressionsstufen hindurchgeleitet, u. zw. entsprechend dem Abzug der Dämpfe an drei verschiedenen Druckwerten aus dem Erzeugnis und aus den Wärmeaustauschern, so dass es notwendig ist, nur diejenigen Teile der Dämpfe zu verdichten, die auf niedrigere Druckwerte entspannt worden sind. Im Methankreislauf ist es vorteilhaft, nach jeder Kompressionsstufe eine Wasserkühlung einzuschalten, da sonst die Austauschtemperaturen übermässig hoch werden. Nach der ersten Kompressionsstufe wird beispielsweise eine Temperatur von etwa 700 C erreicht, die ohne Ableiten der Kompressionswärme am Auslass der zweiten Kompressionsstufe zu einer Temperatur oberhalb 193 C führen würde.
Dieses Ansteigen der Temperatur würde zu Schmierproblemen führen und ausserdem würde die Bremsleistung je Kompressionsstufe übermässig hoch werden. In den Propan- und Äthankompressionskreisläufen, in denen die Kompression nicht so gross ist, dass nach jeder Kompressionsstufe eine Wasserkühlung notwendig wird, treten nicht zwangsläufig die gleichen Probleme auf.
Je nach der Zusammensetzung des zu behandelnden Gases treten Abweichungen in den Arbeitsverhältnissen auf. Diese Abweichungen oder Unterschiede ergeben sich zwischen einem hochwertigen Gas oder Reichgas, das unmittelbar aus der Gewinnungszone kommt und beispielsweise 8-20 Gew.-% höhere Kohlenwasserstoffe, einschliesslich Äthan, Propan, Butan u. dgl., enthält und einem Schwachgas, aus dem die schwereren Kohlenwasserstoffe, einschliesslich Propan, Butan und etwas Äthan in der Gasolineaufbereitungsanlage entfernt worden sind. Ein Reichgas kondensiert fast völlig bei etwa-67, 7' C und einem Druck von 49 kgfcm2, während ein Schwachgas unter den gleichen Druckverhältnissen bei etwa - 82, 2 C kondensiert.
Bei Aussenluftdruck siedet das Reichgas bei etwa -1560 C, während ein Schwachgas bei etwa -1610 C siedet.
Bei der Behandlung eines Schwachgases wird der grösste Teil der Wärme bei niedrigen Temperaturen entfernt, während bei der Behandlung eines Reichgases der grösste Teil der Wärme bei höheren Temperaturen entfernt wird. Es ist also erwünscht, die Wärmeaustauscher so zu dimensionieren, dass jede Gasart behandelt werden kann. Bei einem Reichgas werden die ersten Wärmeaustauscher grösser gebaut als die nachfolgenden Wärmeaustauscher. Bei der Behandlung eines Schwachgases werden hingegen die ersten Wärmeaustauscher im Propankreislauf kleiner ausgeführt, während die letzten Wärmeaustauscher eine grössere Wärmeaustauschfläche aufweisen.
Insbesondere bei der Behandlung eines Reichgases erfolgt eine geringe Kondensation von höheren Kohlenwasserstoffen an Verfahrensstufen, die weit vor der Verflüssigung des Methanbestandteiles. liegen. Vorrichtungen, beispielsweise Separatoren oder Abscheider, können an Zwischenstufe des Kühlmittelkreislaufes und an verschiedenen andern Stufen des Kühlmittelkreislaufes verwendet werden, um das Kondensat abzuzapfen. Durch derartige Vorrichtungen kann ein Reichgas im Laufe der Behandlung zu einem Schwachgas werden und mittels derartiger Vorrichtungen kann Butan, Propan und Äthan zur Verwendung als Niederdruckgas oder als Ausgangsstoff in der Erdölindustrie u. dgl. gesammelt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren kann unter Druckverhältnissen ausgeführt werden, die von dem Druck von 49 kgfcm2 weit abweichen. Diese Druckunterschiede haben aber nur wenig Einfluss auf das Arbeitsverfahren.
Bei der dargestellten beispielsweisen Ausführungsform werden Wärmeaustauscher verwendet, in die die Kühlflüssigkeiten über ein Entspannungsventil eingeführt werden. Es können aber auch andere Vorrichtungen verwendet werden, um die Wärmeaustauscher mit kalter Kühlflüssigkeit zu versorgen. Eine derartige andere Vorrichtung ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, in der der unter Druck stehende Kühlmittelstrom in einer Leitung 2f über ein Entspannungsventil 202 einem Behälter 206 zuströmt. Das im Behälter 204 befindliche kalte Kühlmittel wird dem Wärmeaustauscher 208 in solchen Mengen zugeführt, dass die gewünschte Kühlung erfolgt. Der übrige Teil wird in der Rohrleitung 210 dem nächsten Wärme-
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austauscher 212 zugeführt.
Die im Behälter 204 vorhandene Kühlmittelmenge wird vom Regler 214 geregelt. Es ist zwar eine grössere Ausrüstung erforderlich, doch können in diesem Verfahren kleinere Wärmeaustauscher verwendet werden, die gegebenenfalls selbständige Wärmeaustauschereinheiten sein können.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas, bei dem das Gas einer Anlage als Behandlungsstrom bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck zugeführt, dem Behandlungsstrom durch Wärmeaustausch mit einer Mehrzahl von hintereinander angeordneten gesonderten Kühlmitteln, wobei jedes dieser Kühlmittel einen Kompressions- und Entspannungskreislauf durchläuft, ohne Ausdehnung des Behandlungsstromes zur Verflüssigung des Gases Wärme entzogen und hierauf der Druck über der gewonnenen Flüssigkeit auf einen für Speicherung oder Transport geeigneten Wert herabgesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel Propan, Äthan und Methan in der angegebenen Reihenfolge verwendet wird, der Entspannungskreislauf in einen Hochdruckabschnitt und einen Niederdruckabschnitt unterteilt ist,
das Kühlmittel vom Hochdruckabschnitt in den Niederdruckabschnitt fliesst und der Behandlungsstrom zuerst mit dem Hochdruckabschnitt und dann mit dem Niederdruckabschnitt in Wärmeaustausch gebracht wird, die Verdichtung in einer Mehrzahl von Kompressoren durchgeführt wird, wobei der Einlassdruck in einen der Kompressoren im wesentlichen der gleiche ist wie der Druck der entspannten Dämpfe des Kühlungsmittels aus dem Hochdruckabschnitt der Entspannungsstufe, und die Dämpfe aus diesem Hochdruckabschnitt in die Kompressionsstufe unmittelbar vor diesem Kompressor eingeleitet werden.