DE1126435B - Verfahren zum Verfluessigen eines Gases - Google Patents

Verfahren zum Verfluessigen eines Gases

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DE1126435B
DE1126435B DEC19759A DEC0019759A DE1126435B DE 1126435 B DE1126435 B DE 1126435B DE C19759 A DEC19759 A DE C19759A DE C0019759 A DEC0019759 A DE C0019759A DE 1126435 B DE1126435 B DE 1126435B
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methane
nitrogen
liquefied
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Shao E Tung
Philip E Bocquet
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Original Assignee
Conch International Methane Ltd
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Description

INTERNAT. KL. F 25 j
DEUTSCHES
PATENTAMT
C 19759 Ia/17g
ANMELDETAG: 7. SEPTEMBER 1959
BEKANNTMACHUNG DER ANMELDUNG UNDAUSGABEDER AUSLEGESCHRIFT: 29. MÄRZ 1962
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Verflüssigen eines Gases durch Wärmeaustausch mit einem dabei verdampfenden tiefsiedenden verflüssigten Hilfsgas.
Die Verdampfung eines verflüssigten Gases bei gleichzeitiger Verflüssigung von Stickstoff ist bekannt. Hierbei wird der verflüssigte Stickstoff in den Behälter gebracht, der ursprünglich das verflüssigte Gas, ζ. Β. Erdgas, enthielt. Der verflüssigte Stickstoff wird dann zur Verflüssigung von weiterem Erdgas verwendet, wobei die bei der Verdampfung des flüssigen Stickstoffs frei werdende Kälte für diese Verflüssigung verwendet wird.
Gegenüber diesen bekannten Verfahren besteht das erfindungsgemäße Verfahren darin, daß das Hilfsgas vor dem Wärmeaustausch auf einen höheren Druck gepumpt, nach seiner Verdampfung unter Abkühlung vorzugsweise auf Atmosphärendruck entspannt und anschließend erneut in Wärmeaustausch mit dem zu verflüssigenden Gas gebracht wird.
Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß es wirtschaftlich arbeitet, weil es die in dem verflüssigten Hilfsgas gespeicherte Kältemenge für die Verflüssigung eines anderen Gases, ζ. Β. Erdgas, praktisch ohne Verluste ausnutzt. Dabei sind die Mengen des zu verflüssigenden Gases und des Hilfsgases im wesentlichen gleich, jedoch liefert das Hilfsgas den größeren Anteil der erforderlichen Kälte.
Dabei wird das flüssige Hilfsgas auf einen Druck oberhalb des kritischen Druckes gepumpt, während seine Entspannung unter Arbeitsleistung erfolgt.
Methan liegt häufig in gasförmigem Zustand bei angenähert Atmosphärendruck und + 32° C vor, wenn man es zur Lagerung und/oder zum Transport verflüssigen will. Ungefähr 100 kcal sind als Kühlenergie erforderlich, um 0,454 kg Methan unter diesen Bedingungen zu verflüssigen. Flüssiger Stickstoff kann verwendet werden, um zumindest einen Teil dieser Kühlenergie zur Verfügung zu stellen. Der flüssige Stickstoff ist bei etwa Atmosphärendruck und bei — 196° C erhältlich und nimmt bei der Erwärmung auf + 27° C etwa 93,5 kcal/kg auf. Wie oben erwähnt, könnte die Verflüssigung normalerweise durch einfachen Wärmeaustausch zwischen Stickstoff und Methan bei Atmosphärendruck durchgeführt werden. Das Methan würde zwar dabei verflüssigt werden, aber es müßten entweder etwa 0,95 kg Stickstoff zur Verflüssigung von je 0,454 kg Methan oder beträchtliche Mengen an zusätzlicher Kühlenergie aufgewendet werden, da das Methan eine Kühlenergie von 221 kcal/kg benötigt und der Stickstoff nur 104 kcal/ kg liefert.
Verfahren zum Verflüssigen eines Gases
Anmelder:
Conch International Methane Limited, Nassau, Bahamas (Britisch Westindien)
Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2
Philip E. Bocquet, Albuquerque, N. Mex.,
und Shao E. Tung, Ponca City, OkIa. (V. St. A.), sind als Erfinder genannt worden
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann 1 kg Methan durch je 1 kg Stickstoff bei nur geringem Bedarf an zusätzlicher Kühlung verflüssigt werden. Ferner erzeugt das Verfahren mechanische Energie, die zur Erzeugung der äußeren Kühlung herangezogen werden kann. Hierzu wird der verflüssigte Stickstoff auf einen höheren Druck gebracht und dann einem zweimaligen Wärmeaustausch mit einem Methanstrom ausgesetzt. Das Methan wird mit einem Druck eingeführt, der dem Druck beim Austritt aus der Lagerstätte möglichst nahe kommt. Wenn der Druck zu niedrig ist, kann das Methan vor seiner Abkühlung verdichtet werden, um ein besseres Gleichgewicht zwischen Bedarf und Lieferung an Kühlenergie während des Verfahrens zu erreichen.
Als weiterer Vorteil ist die Erhöhung der Kühlleistung zu nennen, die aus dem anfangs flüssigen Kühlmittel erhalten werden kann.
Für den Austausch kann auch ein weiteres zusätzliches Kühlmittel verwendet werden, wobei die Durchflußmengen des verflüssigenden Gases und der Kühlmittel oder Hilfsgase gleich sind, jedoch das Hilfsgas den größeren Teil der Kühlenergie liefert.
Wenn man ein anfangs flüssiges Hilfsgas verwendet, kann es in einer Zwischenstufe des Verfahrens für einen zweiten Austausch mit dem zu verflüssigenden Gas gekühlt werden.
In der Zeichnung, die ein Fließschema darstellt, sind mit 2, 4 und 6 drei nebeneinander befindliche Wärmeaustauscher bezeichnet. Der kleinere Wärme-
209 557/104
austauscher 2 hat Durchflußwege 8 und 10 für den Durchfluß des Hilfsgases bzw. des zu verflüssigenden Gases. Der mittlere Wärmeaustauscher 4 hat drei Durchflußwege 12, 14 und 16;. der größere Wärmeaustauscher 6 weist vier Durchflußwege 18, 20, 22 und 24 auf. Die Wärmeaustauscher 2, 4 und 6 sind schematisch dargestellt, was bedeutet, daß die Durchflußwege in beliebiger Weise angeordnet sein können.
Die Vorrichtung zur Erzeugung äußerer Kühlung
ist mit 26 bezeichnet. Sie steht mit dem Durchflußweg io
24 des Wärmeaustauschers 6 in Verbindung, wodurch
eine zusätzliche Kühlung des Methanstromes während
der Anfangsstadien der Kühlung möglich ist. Eine
Pumpe 28 steht mit dem Durchflußweg 8 des kleineren Wärmeaustauschers 2 in Verbindung. Mit ihrer 15 scher 6 austritt, weist er eine Temperatur von etwa Hilfe kann das anfangs flüssige Hilfsgas auf einen + 27° C und einen Druck von etwa 90 ata auf. Der beträchtlichen Druck gepumpt werden.
Das zu verflüssigende Methan wird durch Leitung 30 der Reihe nach zur Kühlung durch die Durchflußwege 22,16 und 10 geführt. Der Stickstoff wird durch die Leitung 32, die Pumpe 28 und die Durchflußwege 8, 14 und 20 geführt. Ferner steht der Auslaß des Durchflußweges 20 des Wärmeaustauschers 6 mit
dem Einlaß des Durchflußweges 12 des mittleren p p
Wärmeaustauschers 4 über die Leitung 34 in Ver- 25 Stoffs auf etwa —147° C erniedrigt. Die Expansion bindung. Eine Expansionsvorrichtung 36 ist in die des Stickstoffs ergibt angenähert 39 kcal/kg Energie. Leitung 34 eingeschaltet, um den als Hilfsgas dienen- Der gekühlte Stickstoff wird hierauf über die
den Stickstoff zu entspannen. Diese Vorrichtung 36 Durchflußwege 12 und 18 durch die Wärmeaustauist vorzugsweise eine Turbine, damit durch die Ex- scher 4 und 6 geleitet, um eine weitere Kühlung des pansion des Hilfsgases Energie erzeugt werden kann. 30 Methans zu erreichen. Die Temperatur des gekühlten
Die Werte für die Wärmeinhalte von Methan und gasförmigen Stickstoffs in den Durchflußwegen 12 Stickstoff wurden folgenden Quellen entnommen: und 18 ist praktisch die gleiche wie die des gepump-
a) Für Methan: Transactions of The American ten Stickstoffs der durch die Durchflußwege 14 und Institute of Chemical Engineers, 42, S.55 (1946). f 8*οηΐ> wodurch ein Wärmeübergang zwischen
sehen den im Austausch stehenden Strömen beeinträchtigen.
Der flüssige Stickstoff wird durch die Pumpe 28 auf erhöhten Druck, vorzugsweise oberhalb seines kritischen Druckes, z. B. auf 90 ata, gebracht. Er hat dann eine Temperatur von angenähert — 193° C und einen Wärmeinhalt von etwa 5,6 kcal/kg. Diese Druckerhöhung findet statt, bevor irgendein Wärmeaustausch des Stickstoffs erfolgt.
Der Stickstoff wird dann der Reihe nach durch die Durchflußwege 8, 14 und 20 der Wärmeaustauscher 2, 4 und 6 geleitet, um jedesmal einen Wärmeübergang vom Methan, auf den Stickstoff zu erreichen. Wenn der Stickstoff aus dem letzten Wärmeaustauerste Durchgang des Stickstoffs durch die Wärmeaustauscher erfolgt somit bei praktisch konstantem Druck.
Der erwärmte Stickstoff wird durch die Leitung 34 mit seinem erhöhten Druck zum Einlaß der Turbine 36 geführt. Da der Stickstoff sich in der Turbine 36 entspannt, wird der Druck des Stickstoffs auf etwa Atmosphärendruck und die Temperatur des Stick-
ff f 1° idri E
b) Für Stickstoff: US. Bureau of Mines Technical Paoer 424
f ΐ
den Durchflußwegen 12 und 14 bzw. den Durchflußwegen 18 und 20 verhindert wird. Das aus dem Durchflußweg 18 des größeren Wärmeaustauschers 6 ausströmende Stickstoffgas kann in beliebiger Weise verwertet werden.
Für jedes durch die Wärmeaustauscher 2, 4 und 6 strömende Kilogramm Stickstoff wird 1 kg Methan verflüssigt. Es ist zu bemerken, daß der Stickstoff innerhalb der Wärmeaustauscher 2, 4 und 6 insgesamt 136 kcal/kg aufnimmt, während das Methan 6 lk fli bb
Bevor das Methan dem größeren Wärmeaustauscher 6 zugeführt wird, wird es vorzugsweise auf einen über seinem kritischen Druck liegenden Druck verdichtet, z. B. auf 70,3 ata. Das Methan liegt dann in gasförmigem Zustand bei etwa -f- 32° C vor und hat einen Wärmeinhalt von angenähert 216 kcal/kg.
Gemäß der Erfindung wird das Methan durch die g
Wärmeaustauscher 6, 4 und 2 (in dieser Reihenfolge) 45 insgesamt 206 kcal/kg zur Verflüssigung abgeben geführt, um seine Temperatur und seinen Wärme- muß. Es muß daher eine zusätzliche Kühlenergie von inhalt zu erniedrigen. Dabei tritt das Methan aus dem 70 kcal/kg (Methan) aufgebracht werden. Sie wird Durchflußweg 10 des Wärmeaustauschers 2 in flüs- von der Kühlvorrichtung 26 über den Durchflußweg sigem Zustand aus. Der Druck des Methans kann 24 dem Wärmeaustauscher 6 zugeführt. Die Art des während des Durchflusses durch die verschiedenen 50 Kühlmittels, das durch den Durchflußweg 24 geführt Wärmeaustauscher auf 70,3 ata gehalten werden und wird, ist unwesentlich. Es muß lediglich kälter als das dann mit Hilfe eines Drosselventils (nicht dargestellt) Methan sein. Ferner soll die Temperatur des durch auf etwa Atmosphärendruck reduziert werden. In den Durchflußweg 24 strömenden zusätzlichen Kühldiesem Fall wird das aus dem kleineren Wärme- mittels gleich der Temperatur des durch die Durchaustauscher 2 austretende Methan sich im gasförmi- 55 flußwege 18 und 20 strömenden Stickstoffs sein, um gen Zustand oberhalb seines kritischen Druckes be- einen Wärmeübergang zwischen den beiden Kühlfinden. Da jedoch der Wärmeinhalt des Methans bei mitteln zu verhindern. Es ist jedoch zu bemerken, 70,3 ata (wenn es aus dem Wärmeaustauscher 2 aus- daß die zusätzliche Kühlung bei verhältnismäßig tritt) praktisch gleich dem Wärmeinhalt von flüssigem hohem Temperaturniveau erfolgt, so daß die geMethan bei Atmosphärendruck ist, kann das Methan 60 bräuchlichen Kühlmittel verwendet werden können, ohne nennenswerte Entwicklung von Gas und Kälte Die Energie von 39 kcal/kg, die mit der Turbine auf Atmosphärendruck gedrosselt werden. Selbstver- 36 gewonnen werden kann, läßt sich zum Betrieb der ständlich kann der Druck des Methans auch stufen- Kühlvorrichtung 26 verwenden. Auch kann ein Teil weise zwischen den einzelnen Wärmeaustauschern der aus der Turbine 36 gewinnbaren Energie vorzugserniedrigt werden, um am Auslaß aus dem Durch- 65 weise zum Antrieb der Pumpe 28 verwendet werden, flußweg 10 des letzten Wärmeaustauschers 2 flüssiges Die für den Antrieb der Pumpe 28 benötigte Energie Methan zu erhalten, solange diese Druckabfälle nicht ist jedoch verhältnismäßig klein, da der Stickstoff an das Gleichgewicht von Bedarf und Anlieferung zwi- dieser Stelle des Prozesses in flüssiger Form vorliegt

Claims (1)

  1. 5 6
    und wenig Arbeit erforderlich ist, um eine Flüssigkeit bracht werden, um eine Reihe von Wärmeübergängen unter Druck zu setzen. Es kann daher der größte Teil vom Hauptgas zum Hilfsgas zu erreichen. Das Hilfsder aus der Turbine 36 gewinnbaren Energie für die gas kann sodann arbeitsleistend entspannt und geKühlvorrichtung 26 verwertet werden, so daß nur kühlt werden, worauf es zu einem zweiten Wärmeeine geringe zusätzliche Energie erforderlich ist, um 5 austausch mit dem Hauptgas gebracht wird, um eine die zusätzliche Kühlleistung für den Durchflußweg 24 zusätzliche Kühlung des Hauptgases zu erreichen, zu liefern. Das Verfahren ist wirtschaftlich und kann mit Hilfe Das erfindungsgemäße Verfahren ist in erster Linie üblicher Vorrichtungen in einfacher Weise durchgefür den Fall bestimmt, bei welchem an einer Stelle führt werden.
    Methan gefördert oder erzeugt wird, während an io
    einer entfernten Stelle flüssiger Stickstoff erzeugt wird, PATENTANSPRÜCHE:
    und die beiden Gase gegeneinander ausgetauscht werden sollen. Das flüssige Methan und der flüssige 1. Verfahren zum Verflüssigen eines Gases Stickstoff werden zweckmäßig in denselben Schiffen durch Wärmeaustausch mit einem dabei verdamptransportiert, und zwar aus wirtschaftlichen Gründen i5 fenden tiefsiedenden verflüssigten Hilfsgas, dain etwa gleichen Gewichtsmengen. Das Methan kann durch gekennzeichnet, daß das Hilfsgas vor dem auch mit Stickstoff allein, d. h. ohne Verwendung Wärmeaustausch auf einen höheren Druck geeiner äußeren Kühlung, verflüssigt werden. Es wird pumpt, nach seiner Verdampfung unter Abkühdann jedoch zusätzlich etwa Vs kg Stickstoff benötigt, lung vorzugsweise auf Atmosphärendruck entum je 1 kg Methan zu verflüssigen. Auch wenn ein 20 spannt und anschließend erneut in Wärme-Überschuß an flüssigem Stickstoff an der entfernten austausch mit dem zu verflüssigenden Gas Stelle verfügbar wäre, ist es wirtschaftlicher, gleiche gebracht wird.
    Gasmengen und eine äußere Kühlung zu verwenden, 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch geweil sonst die benötigte Schiffstonnage erhöht werden kennzeichnet, daß das flüssige Hilfsgas auf einen müßte. Diese Feststellung trifft besonders auch des- 25 Druck oberhalb des kritischen Druckes gepumpt halb zu, weil die durch die Turbine 36 gewinnbare wird.
    Energie praktisch ausreicht, um die für die Pumpe 28 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch und die Kühlvorrichtung 26 notwendige Energie zu gekennzeichnet, daß die Entspannung des Hilfsliefern. Die zusätzliche äußere Kühlung kann wegen gases unter Arbeitsleistung erfolgt,
    des erforderlichen Temperaturniveaus in wirtschaft- 30 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gelicher Weise erfolgen. kennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Arbeits-Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung von leistung zur Druckerhöhung des flüssigen HilfsStickstoff als Hilfsgas und Methan als zu verflüssigen- gases verwendet wird.
    dem Gas beschränkt. Es können auch andere Gase 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch verwendet werden, sofern in flüssigem Zustand das 35 gekennzeichnet, daß wenigstens ein Teil der Ar-Hilfsgas kälter ist als das zu verflüssigende Gas. Bei- beitsleistung zur zusätzlichen Kühlung des zu spiele hierfür sind: verflüssigenden Gases verwendet wird.
    Zu 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch
    Hilfsgas verflüssigendes gekennzeichnet, daß das Hilfsgas bei Atmo-
    Gas 40 sphärendruck einen niedrigeren Siedepunkt als
    Wasserstoff Stickstoff das zu verflüssigende Gas aufweist.
    Luft Methan 7- Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch
    Methan Äthylen gekennzeichnet, daß das zu verflüssigende Gas
    Methan Propan Erdgas oder Naturgas ist.
    Methan Butan 45 8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch
    Stickstoff Sauerstoff gekennzeichnet, daß das Hilfsgas Stickstoff oder
    Aus dem Vorstehenden geht hervor, daß das Ver- Luft ist.
    fahren die Kälteenergie erhöht, die aus einem anfangs
    flüssigen Hilfsgas erhalten werden kann. Durch In Betracht gezogene Druckschriften:
    Druckerhöhung des flüssigen Hilfgases kann es in 50 Deutsche Patentschrift Nr. 539 478;
    Wärmeaustausch mit dem zu verflüssigenden Gas ge- deutsche Auslegeschrift Nr. 1 036 884.
    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
    © 209 557/104 3. 62
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