DE1166798B - Verfahren und Vorrichtung zum Verfluessigen von tiefsiedenden Gasen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zum Verfluessigen von tiefsiedenden GasenInfo
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-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Description
DEUTSCHES
PATENTAMT
AUSLEGESCHRIFT
Internat. KL: F 25 j
Deutsche Kl.: 17g-1
Nummer: 1166 798
Aktenzeichen: U 8065 I a / 17 g
Anmeldetag: 31. Mai 1961
Auslegetag: 2. April 1964
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Verflüssigen eines Gases durch
Wärmeaustausch mit einem Kühlgas, welche Gase einen unter 80° C liegenden Siedepunkt bei Atmosphärendruck
haben, bei dem das Gas und das Kühlgas bei ihrem Eintritt auf einen Druck von mindestens 5 kg/cm2 verdichtet und anschließend
durch das Kühlgas abgekühlt werden, worauf das abgekühlte Gas im Wärmeaustausch mit
dem arbeitsleistend entspannten Kühlgas verflüssigt wird, welches sodann zum Abkühlen des
Gases verwendet und zur Wiederverdichtung zurückgeführt wird.
Es sind bereits Vorrichtungen sowie Verfahren der erwähnten Art bekannt, bei welchen zwischen
aufeinanderfolgenden Wärmeaustauschern in der Leitung des Kühlgases kostspielige arbeitsleistende
Entspannungsmaschinen eingeschaltet sein müssen. Dies ist als wesentlicher Nachteil anzusehen.
Zweck der Erfindung ist die Erzielung einer ins Gewicht fallenden Einsparung hinsichtlich der Anzahl
arbeitsleistender Entspannungsmaschinen. Erreicht wird dies' dadurch, daß das Abkühlen des zu
verflüssigenden Gases und des Kühlgases gemeinsam in zwei hintereinandergeschalteten Wärmeaustauschern
erfolgt, zwischen denen die beiden Gase durch Wärmeaustausch mit einem von außen zugei'ührten
Kühlmittel gekühlt werden.
Ein in einer Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zwischen beiden
Wärmeaustauschern angebrachter Kühler benötigt hierbei zu seinem Betrieb nur einen kleinen Prozentsatz
der gesamten Kühlleistung, was in vielen Fällen durch die mögliche Einsparung der arbeitsleistenden
Entspannungsmaschinen mehr als wettgemacht wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung im Zusammenhang mit den
Zeichnungen. Es zeigt
F i g. 1 ein Flußdiagramm einer Anlage zum Kühlen und Verflüssigen von niedrig siedenden
Gasen gemäß der Erfindung,
F i g. 2 ein Flußdiagramm einer Anlage ähnlich der Fig. 1, aber mit der Abwandlung, daß zwei
Stufen von Arbeitsexpansion vorgesehen sind,
F i g. 3 eine graphische Darstellung, welche die Beziehung zwischen den Fluidumtemperaturunterschieden
und der Erzeugnisfluidumenthalpie für eine und zwei Stufen von Abkühlgasarbeitsexpansion
wiedergibt,
F i g. 4 ein Flußdiagramm einer weiteren Anlage zum Kühlen und Verflüssigen niedrigsiedender Gase
gemäß der Erfindung, bei der sowohl das Zufuhr-Verfahren
und Vorrichtung zum Verflüssigen von tiefsiedenden Gasen
Anmelder:
Union Carbide Corporation, New York, N.Y.
(V. St. A.)
Vertreter:
Dipl.-Ing. H. Görtz, Patentanwalt,
Frankfurt/M., Schneckenhofstr. 27
Als Erfinder benannt:
Helmut Koehn, Tonawanda, N.Y.,
LyIe James LaPlante, Grand Island, N.Y.,
Richard Leroy Shaner, Williamsville,
Rudolph Friedrich Stengel, München
Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 31. Mai 1960 (32 974)
als auch das Kühlgas in derselben Maschine komprimiert werden, und
F i g. 5 ein Flußdiagramm noch einer weiteren Anlage, bei der das Zufuhr- und Kühlgas in derselben
Maschine auf einen Zwischendruck komprimiert und gesondert weiterkomprimiert werden.
In Fig. 1 sind zwei völlig gesonderte Zufuhrgaskreise dargestellt, wobei z. B. Sauerstoff- und Stickstoffströme
getrennt verarbeitet und verflüssigt werden können. Wird nur eine Zufuhrgaskomponente
verarbeitet, läßt sich ein Teil des Flusses in jedem Kreis verarbeiten, oder wahlweise wird nur ein Kreis
gebraucht. Der Kreislauf wird anfänglich in Begriffen
und Größen des Sauerstoffzufuhrgases geschildert, das durch beide Kreise läuft. Das Sauerstoffzufuhrgas,
über Leitungen 10 und 11 zugeführt, wird auf mindestens 5 atü komprimiert, vorzugsweise auf
etwa 10,5 atü, und zwar in Kompressoren 12 bzw. 13. Dieser Druckpegel ist erwünscht, um eine nachfolgende
Verflüssigung des Zufuhrgases zu gestatten. Das komprimierte Sauerstoffzufuhrgas gelangt dann
durch die Leitungen 14 und 15 zu Nachkühlern und (nicht veranschaulichten) Schmiermittelfallen und
danach durch Abspenventile 14 a und 15 a zu einem warmen Zweigwärmeaustauscher 16 als erste Kühlstufe
auf etwa — 46° C. Das Zufuhrgas fließt dann durch Kanäle 17 und 18 und wird durch im Kanal
im Gegenstrom fließendes Abkühlgas gekühlt.
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Das teilweise gekühlte Sauerstoffzufuhrgas wird aus dem warmen Zweigwärmeaustauscher 16 in Leitungen
20 und 21 entlassen und vorzugsweise zu einem von außen abgekühlten Vorkühler 22 geführt,
um in diesem auf etwa —60° C gekühlt zu werden. Dies bedeutet, daß das teilweise gekühlte Sauerstoffzufuhrgas
in den Leitungen 20 und 21 zu den Kanälen 23 bzw. 24 im Vorkühler 22 geführt und
dann im Gegenstrom durch ein von außen zugeführtes, den Kanal 25 durchfließendes Abkühlmittel
gekühlt wird. Das bevorzugte äußere Abkühlmittel ist Dichlordifluormethan, obwohl Monochlordifluormethan,
Ammoniak oder Stickstoff ebenso zweckentsprechend sind.
Das vorgekühlte Sauerstoffzufuhrgas wird aus dem Vorkühler 22 in die Leitungen 27 und 28 entlassen,
gelangt von dort zu dem kalten Zweigwärmeaustauscher 26, um in den Kanälen 29 bzw. 30 durch
Wärmeaustausch mit dem in Gegenstrom fließenden Abkühlmittel in der Leitung 31 weitergekühlt zu
werden. Das weitergekühlte Sauerstoffgas wird dann aus dem kalten Zweigwärmeaustauscher 26 bei einer
Temperatur von etwa —140° C in die Leitungen 32 und 33 entlassen und einer Verflüssigungsvorrichtung
34 für einen Fluß durch die miteinander in Verbindung stehenden Kanäle 35 bzw. 36 und Verflüssigung
durch im Gegenstrom fließendes gasförmiges Abkühlmittel im Kanal 37 zugeführt. In
der Verflüssigungsvorrichtung 34 wird der Sauerstoffzufuhrstrom zur Sättigung gekühlt, völlig kondensiert
und die Produktflüssigkeit vorzugsweise auf eine Temperatur von etwa —186° C unterkühlt. Die
Flüssigkeit wird als unter Druck gesetztes flüssiges Produkt durch die Leitungen 38 und 39 abgezogen
und gelangt dann durch die Regelventile 40 bzw. 41 zu Speichermitteln oder Verbrauchermitteln, wie es
gewünscht wird. Ein Grund für die Unterkühlung des flüssigen Produkts ist, Funkenbildung bei Expansion
in einem Speichertank, vorzugsweise bei einem Druck von 0 bis 1 atü, zu vermeiden. Jeder aus den
Produktflüssigkeiten stromabwärts der Regelventile 40 und 41 erzeugte Dampf aus der Druckreduzierstufe
wird von der Flüssigkeit in gesonderten Gefäßen 71 und 72 getrennt und durch Leitungen 73
bzw. 74 zu den Zufuhrgasleitungen 11 und 10 zur Neuverarbeitung zurückgeführt. Das restliche flüssige
Produkt niedrigen Drucks wird aus den Gefäßen 71 und 72 durch Leitungen 75 bzw. 76 abgezogen. Es
versteht sich jedoch, daß das flüssige Produkt statt dessen auch bei etwa Zufuhrstromdruck gespeichert
werden kann, falls dies gewünscht wird.
Ist es notwendig, entweder erwärmtes komprimiertes Zufuhrgas oder unterkühlte Produktflüssigkeit
aus einem Kreis zu dem anderen für irgendeinen Zweck zu transportieren, z. B. zur Regelung
des Anteiles des in jedem Kanal verarbeiteten oder behandelten gesamten Zufuhrgases, können passende
Verbindungen und Ventilmittel vorgesehen werden. Beispielsweise können Verbindungsleitungen 42 und
43 mit Abschaltventilen 44 bzw. 45 am warmen Ende des Wärmeaustauschsystems vorgesehen werden.
Außerdem können Verbindungsleitungen 46 und 47 mit Abschaltventilen 48 bzw. 49 plus Abschaltventilen
50' und 51' in den Leitungen 38 bzw. 39 am kalten Ende dieses Systems vorgesehen
werden.
Die Regelung der beiden Zufuhrstromdrücke wird am kalten Ende der Verflüssigungsvorrichtung mit
Hilfe der Regelventile 40 und 41 bewirkt. Alle anderen Ventile sowohl am warmen als auch am
kalten Ende werden benutzt, um den Fluß auszugleichen oder abzuschalten, um den Fluß, wo immer
es erwünscht ist, in einen besonderen Speicherbehälter oder zu einem anderen weiteren Gebrauch
abzuziehen oder umzuleiten.
Sauberer trockener Stickstoff kann z. B. mit 0,56 atü und 15C C in der Leitung 50 mit in dieser
ίο befindlichem Regelventil 50a zugeführt und im
Kompressor 51 unter Druck gesetzt werden, der vorzugsweise ein Zentrifugalkompressor ist, wobei eine
Kompression auf mindestens 3,5 atü, vorzugsweise etwa 7,0 atü, erfolgt.
Wahlweise kann der Kühlgaseinlaßfluß durch (nicht veranschaulichte) Einlaßführungsflügel innerhalb
des Kompressors 51 statt durch ein Ventil 50 a bewirkt werden. Das komprimierte Stickstoffkühlgas
wird in die Leitung 52 entlassen und im Kanal 53 auf eine Temperatur unterhalb etwa 40° C durch
Wärmeaustausch mit einem zweckentsprechenden Fluidum, wie Wasser, in einem thermisch zugeordneten
Kanal 54 nachgekühlt. Das nachgekühlte Stickstoffgas wird dann in dem Turbinenladekompressor
55 auf einen Druck von mindestens 5 atü, vorzugsweise etwa 10,2 atü, weiterkomprimiert und von dort
in die Leitung 56 ausgetragen. Das weiterkomprimierte Stickstoffgas wird hiernach in dem Kanal 57
wieder auf eine Temperatur unterhalb etwa 40° C durch Wärmeaustausch mit einem passenden Fluidum,
wie Wasser, in dem thermisch zugeordneten Kanal 58 nachgekühlt.
Der weiterkomprimierte, nachgekühlte Stickstoff wird zuerst über die Leitung 56' dem warmen Ende
des warmen Zweigwärmeaustauschers 16 zum Abkühlen in diesem auf etwa — 46° C durch Fluß
durch den Kanal 57' im Gegenstromwärmeaustausch zum Kühlmittel im Kanal 19 geleitet. Das teilweise
gekühlte, komprimierte Stickstoffgas wird hierauf durch die Leitung 58' zum Kanal 59 im Vorkühler
22 für weitere Kühlung in diesem auf etwa — 60° C
geleitet. Der vorgekühlte, komprimierte Stickstoff wird hierauf in den Kanal 60 ausgetragen und dem
warmen Ende des kalten Zweigwärmeaustauschers 26 für Fluß durch den Kanal 61 im Gegenstromwärmeaustausch
mit dem Kühlmittel im Kanal 31 zugeleitet.
Das komprimierte Stickstoffgas wird im Austauscher 26 auf eine Temperatur von etwa —141° C
gekühlt und in die Leitung 62 zu einer Arbeitsexpansionsvorrichtung, z. B. der Turbine 63 ausgetragen.
An dieser Stelle wird der Stickstoff auf einen niedrigen Druck, vorzugsweise im Bereich von 0,4
bis 0,7 atü expandiert, obwohl der Austrag bei Unteratmosphärendruck vorgenommen werden kann,
wenn es gewünscht wird, die Kondensationstemperaturen zu erniedrigen. Die Verflüssigung des Kühlgases
wird indessen vermieden, um eine verminderte Leistungsfähigkeit und mögliche Erosion der Teile
der Expansionsvorrichtung zu verhindern, sowie um einen Zweiphasenfluß in den Wärmeaustauschern
mit der sich hierzu ergebenden zusätzlichen Ausrüstung, wie Mitreißscheider, Flüssigkeitsdämme
u. dgl., zu vermeiden. Das Stickstoffgas wird durch die Arbeitsexpansion auf etwa —187° C gekühlt und
die in der Expansionsturbine erzeugte Arbeit vorzugsweise unmittelbar auf den höchsten Druckpegel
der Abkühlkompressionsstufe übertragen. Dies ge-
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schieht durch Anwendung einer Welle 64, welche halb der Wärmeaustauscher gewährleistet und außerdie
Turbine 63 mit dem Aufladekompressor 55 ver- dem eine höchste Ausnutzung der äußeren Vorkühbindet.
Es können schnellaufende Wellen, welche die lung, wenn diese angewendet wird. Die Wirkung der
wirtschaftlichste Ausbildung der Turbine gestatten, Steigerung des Kondensationsdrucks des Zufuhrwirksam genutzt werden, um die Arbeit durch zentri- 5 gasstromes ist, seine latente Wärme zu vermindern
fugale Kompression einer äquivalenten Masse eines und den gewünschten Unterkühlungsgrad zu er-Gasstromes
höherer Dichte bei höheren Drücken höhen. Mithin wird der Zufuhrgasdruck so gewählt,
und kleineren Volumina aufzunehmen, statt einen daß günstigste Wirschaftlichkeit zwischen der laten-Gasstrom
großen Volumens bei niedrigerem Druck ten Wanne und den Unterkühlungsbedürfnissen aufzu
komprimieren, wie dies in der ersten Kompres- io rechterhalten wird, um einen flüssigen Strom vorsionsstufe
geschieht. Statt dessen kann mindestens zugsweise bei im wesentlichen Umgebungsdruck zu
ein Teil der Arbeit der Arbeitsexpansionsvorrichtung schaffen.
durch andere Mittel, z. B. einen (nicht veranschau- Es wurde weiter gefunden, daß eine Temperaturlichten)
elektrischen Generator aufgenommen und einschnürung im Verflüssigungswärmeaustauscher 34
zur Verminderung des Nettoleistungsbedarfs des 15 an der Stelle auftritt, wo die Kondensation beginnt,
Kreises verwendet werden. d. h., die Temperatur des in den Kanälen 35 und 36
Der arbeitsexpandierte Stickstoff wird aus der gerade gekühlten Produktzufuhrstromes wird an
Turbine 63 in die Leitung 65 ausgetragen und gelangt dieser Stelle fast auf die Temperatur des expandierten
vom kalten Ende zum warmen Ende der Zufuhrgas- Rückflußkühlstromes herabgesetzt, der im Gegenwärmeaustauschanlage,
um letztere abzukühlen. 20 strom zu ihm in der Leitung 37 fließt. Wird das
Insbesondere wird der arbeitsexpandierte Stickstoff Kühlrückflußverhältnis auf etwa 7,2 in Größen des
zuerst zum kalten Ende der Verflüssigungsvorrich- Volumens des im Kreislauf geführten Stickstoffs pro
tung 34 für Fluß durch den Kanal 37 geleitet, wo- Volumen verflüssigter Sauerstoff herabgesetzt, indem
durch der Produktsauerstoff in thermisch zugehöri- äußere Vorkühlung auf — 60° C stattfindet, wird
gen Kanälen 35 und 36 abgekühlt, kondensiert und 25 diese Temperatureinschnürung so ernst, daß sie die
vorzugsweise unterkühlt wird. Der Stickstoff wird Ausnutzung irgendeiner zusätzlichen Abkühlung aus
gleichzeitig auf etwa —156° C erwärmt und danach dem Vorkühler beschränkt.
durch die Anschlußleitung 66 dem Kanal 31 des Günstigste Durchführung (mit Vorkühlung auf
kalten Zweigwärmeaustauschers 26 für weitere Ab- — 60° C) wird indessen mit einem Rücklaufverhältkühlung
der teilweise gekühlten Sauerstoffzufuhr- 30 nis von etwa 8,5 erzielt. Dieses Verhältnis öffnet die
ströme zugeleitet. Schließlich wird das teilweise Temperaturdifferenz am Einschnürungspunkt auf
wiedererwärmte Stickstoffkühlgas durch eine Ver- etwa 6° C und öffnet außerdem die Temperaturdiffebindungsleitung
67 dem warmen Zweigwärmeaus- renz am warmen Ende der Verflüssigungsvorrichtung
tauscher 16 und dem Kanal 19 in diesem zugeleitet, 34 auf etwa 16° C, um einen wirksamen Betrieb der
um nahe an die Umgebungstemperatur erwärmt zu 35 Verflüssigungsvorrichtung zu erreichen. Obwohl
werden. auch ein Rücklaufverhältnis von mehr als 8,5 an-
Das anfallende erwärmte Stickstoffkühlgas wird wendbar ist, führt dies zu mehr verfügbarer Abdurch
die Leitung 68 aus der Wärmeaustauschanlage kühlung an dem niedrigsten Temperaturpegel, als
ausgetragen und der Anschlußleitung 50 im Kreis- wirksam ausgenutzt werden kann. Dies verursacht
lauf wieder zugeführt, um zur Innenseite des Korn- 40 wiederum erhöhte Temperaturdifferenzen innerhalb
pressors 51 zurückzukehren. Aufbereitungsstickstoff- der verschiedenen Wärmeaustauscher und gestattet
gas aus einer passenden Quelle wird der Leitung 50 außerdem die Anwendung einer geringeren äußeren
durch die Leitung 69 und das in dieser angeordnete Vorkühlung, wodurch ein verminderter Gesamt-Regelventil
70 zugeleitet, um Anlagenverluste durch leistungsgrad des Kreises bewirkt wird. Kompressordichtungen u. dgl. zu überwinden. 45 Während der Anlauf- und Abkühlphase des Be-
Die Anlage nach Fig. 1 läßt sich außerdem zur triebes der Verflüssigungsvorrichtung tritt ein ZuVerflüssigung
von Stickstoff statt von Sauerstoffzu- stand auf, bei dem die durch die Arbeitsexpansionsfuhrgas
verwenden. Es sei bemerkt, daß es wegen vorrichtung 63 entwickelte Arbeit diejenige überdes
Unterschiedes der normalen Siedepunkte von steigt, welche im Aufladekompressor 55 aufgenom-Sauerstoff
und Stickstoff notwendig ist, den Stick- 50 men werden kann, was zu einer übergroßen Arbeitsstoff auf einen höheren Druck als den Sauerstoff zu geschwindigkeit dieses Kompressors führt. Um dieses
komprimieren, um dieselben Kreislaufleistungsgrade Problem zu beheben, kann eine Nebenschlußleitung
zu erzielen. Der Zufuhrgasstrom muß immer bei ge- mit einem Regelventil 71' zwischen der Leitung 62,
nügendem Druck bereitgestellt werden, um eine Ver- in der das komprimierte und gekühlte Stickstoffgas
flüssigung durch den niedrigsten Temperaturpegel zu 55 behandelt wird, und der Leitung 66 vorgesehen wergestatten,
der durch den Abkühlstrom erreicht wird. den, die das teilweise erwärmte, arbeitsexpandierte
Wenn sowohl Sauerstoff- als auch Stickstoffzufuhr- Stickstoffgas am warmen Ende der Verflüssigungsgasverflüssigung gewünscht wird, kann ein weiterer vorrichtung 34 transportiert. Eine genügende Menge
Kanal in den warmen und kalten Zweigwärmeaus- Gas wird durch die Leitung 62 zur Leitung 66 abgetauschern
16 und 26, sowie ein Vorkühler 22 ver- 60 zweigt, um das gewünschte Energiegleichgewicht
wendet werden, oder jede Zufuhrgaskomponente zwischen der Arbeitsexpansionsvorrichtung 63 und
kann durch einen der vorhandenen, veranschau- dem Aufladekompressor 55 aufrechtzuerhalten. Wahllichten
Kreise hindurchgeleitet werden. weise kann diese Nebenschlußleitung nebst Ventil
Für eine spezielle Vereinigung von Kühlmittel und am warmen Ende der Wärmeaustauschanlage zwi-Zufuhrgas
wird günstigste Durchführung durch sorg- 65 sehen den Leitungen 56 und 68 angeordnet sein,
fältige Auswahl des Zufuhrgasdrucks erzielt, die im Wenn indessen die Expansionsvorrichtung 63 mit
Verein mit dem Kühlgasdruck und der Rücklauf- einem elektrischen Generator verbunden ist, um im
geschwindigkeit kleine Temperaturdifferenzen inner- wesentlichen konstante Geschwindigkeit zu be-
wahren, ist die Nebenschlußleitung nicht vorteilhaft.
In F i g. 2 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht, bei der an Stelle von
einer Stufe zwei Arbeitsexpansionsstufen verwendet werden. Bei der in F i g. 1 veranschaulichten Einstufenausführung
wird fast die ganze Niedertemperaturabkühlung durch die Arbeitsexpansion aufgebracht,
und die erstrebenswerte und billige Vorstrom wird dann einer zweiten Arbeitsexpansionsvorrichtung
83 für weitere Expansion auf etwa 0,7 atü und Abkühlung auf etwa —187° C zuge
leitet. Das anfallende kalte Stickstoffkühlgas nied-5
rigen Druckes wird in die Leitung 65 für anschließenden Fluß durch die Verflüssigungsvorrichtung 34,
den kalten Wärmeaustauscher 26, den Vorkühler 22 sowie den warmen Wärmeaustauscher 11 ausgetragen.
Da die Anwendung von zwei einander folgenden kühlung kann dann als zusätzliche Kühlquelle nur zu io Arbeitsexpansionsstufen gegenüber der Ausführung
einem begrenzten Ausmaß angewendet werden. Dies mit einer einzigen Expansionsstufe Vorteile bietet,
ist eine Beschränkung, wenn zusätzliche Abkühlung stellt sich die Frage, ob drei Arbeitsexpansionsstufen
benötigt wird, z. B. falls Stickstoff sowohl als Zu- sogar noch höhere Leistungsgrade und bessere Wirtfuhrgas
als auch als Abkühlgas verwendet wird. schaftlichkeit gewährleisten würden. Die Antwort
Wird Sauerstoff als Zufuhrgas und Stickstoff nur als 15 auf diese Frage ergibt sich durch eine nähere Be-Abkühlgas
eingespeist, kann ihre Siedepunktdifferenz trachtung der graphischen Darstellung der F i g. 3,
vorteilhaft in der Verflüssigungsvorrichtung genutzt welche die Beziehung zwischen örtlichen Tempewerden,
da das Sauerstoffzufuhrgas auf wesentlich raturunterschieden (JT) zwischen dem Kühlzufuhrhöherem
Druck als das arbeitsexpandierte Stickstoff- oder Produktrluidum und dem sich erwärmenden
kühlgas liegt. Wenn indessen das Zufuhrgas und das ao Abkühlgas in den verschiedenen Wärmeaustauschern
" Abkühlgas dieselbe chemische Zusammensetzung sowie den Wärmeinhalt des Produktfluidums an diehaben,
geht der Vorteil unterschiedlicher Siede- sen speziellen Stellen zeigt. Die Darstellung für
punkte verloren, und eine zusätzliche Abkühlung bei Betrieb mit einer Expansionsstufe ist durch eine
niedriger Temperatur muß aufgebracht werden, gebrochene Linie veranschaulicht, während der Bewenn
alles Zufuhrgas verflüssigt werden soll. Eine 25 trieb mit zwei Arbeitsexpansionsstufen durch eine
Lösung dieses Problems ist, den Zufuhrgaseinlaß- ausgezogene Linie dargestellt ist. Die Buchstaben a,
druck z. B. von 10,2 atü auf 21,1 atü zu erhöhen. b, c, d und a', b', c, d' auf den jeweiligen gra-Dies
bietet allerdings ernste Nachteile, wie z. B. phischen Darstellungen zeigen in ihrer Reihenfolge
höheren Kraftbedarf und teuere Wärmeaustauscher. die Änderung des Wärmeinhalts, die in dem warmen
Mit der Erfindung wird auch dieses Problem ge- 30 Zweigwärmeaustauscher, dem Vorkühler, dem kalten
löst, indem zwei Arbeitsexpansionsstufen in Reihe Wärmeaustauscher und der Verflüssigungsvorrichangeordnet
werden und das teilweise expandierte tung auftritt. Bemerkt sein, daß allgemein eine
Kühlgas in Wärmeaustausch mit dem kondensieren- plötzliche Änderung des A T-Verlaufs nur beim
den Zufuhrfluidum in der Verflüssigungsvorrichtung Transport von Gasen aus einem Wärmeaustauscher
gebracht wird. Das wieder erwärmte, teilweise expan- 35 zum nachfolgenden Wärmeaustauscher auftritt, daß
dierte Kühlgas wird dann weiter auf den niedrigen aber in der Verflüssigungsvorrichtung drei solche
Enddruck expandiert und wieder in Wärmeaustausch Änderungen mit den Indexzahlen 1, 2 und 3 aufmit
dem kondensierenden Zufuhrfluidum in der Ver- treten, welche die Abkühlung auf Kondensationsflüssigungsvorrichtung
gebracht. Somit wird dieselbe temperatur bzw. die Kondensation, bzw. die Unterrückgeführte
Menge kalten Kühlgases zweimal ver- 40 kühlung des Produktfluidums anzeigen. Man sieht
f ügbar, um das kondensierende Zufuhrfluidum in der ohne weiteres, daß das örtliche A T am warmen
Verflüssigungsvorrichtung zu kühlen, so daß eine zu- Ende des kalten Zweiges in der Größenordnung von
sätzliche Abkühlung bei niedrigerer Temperatur er- 13° C bei der einstufigen Ausführung liegt und daß
folgt. der Vorkühler nur einen kleinen Prozentsatz der
Ein weiterer Vorteil der Zweistufenausführung ist, 45 gesamten Kühlbelastung übernimmt. Bei der Ausdaß
das Temperaturbild innerhalb der anderen führung mit zwei Arbeitsexpansionsstufen wird an-Wärmeaustauscher
so verschoben wird, daß größerer nähernd dieselbe Menge der Abkühlung bei nied-Vorteil
aus der bevorzugten Vorkühlstufe gezogen riger Temperatur erzeugt. Indessen wird eine therwerden
kann, in der ein äußeres Kühlfluidum ausge- mische Einschnürungsstelle am warmen Ende des
nutzt wird. Insbesondere kann der Kühlbereich der 50 kalten Zweigwärmeaustauschers mit einem örtlichen
Vorkühlstufe von etwa 2,5 auf 14° C verbreitert AT von nur etwa I0C hervorgerufen und eine zuwerden,
so daß der Vorkühler etwa ein Drittel der sätzliche billige Abkühlung im Vorkühler entwickelt.
Abkühlleistung trägt. Dies führt letztlich zu etwa 39% mehr flüssigem
An Hand der F i g. 2 sollen nunmehr die Unter- Produkt, als sich bei der einstufigen Ausführungsschiede
gegenüber der Ausführungsform nach der 55 form erreichen läßt. In Anbetracht des äußerst
F i g. 1 beschrieben werden. Das komprimierte Stick- kleinen A T, das am warmen Ende des kalten Zweigstoffgas,
im kalten Wärmeaustauscher 26 auf eine austauschers erzielt wird, leuchtet ohne weiteres ein,
Temperatur auf etwa —150° C gekühlt, wird in die daß die größte Abkühlbelastung des Vorkühlers beLeitung
62 zu der ersten Arbeitsexpansionsvorrich- reits bei zwei Arbeitsexpansionsstufen erreicht worden
tung, z. B. der Turbine 80 ausgetragen. Das Stick- 60 ist, und zusätzliche Stufen keine weitere Steigerung
stoffgas wird hierin auf einen Zwischendruck von der Produktverflüssigungskapazität ergeben,
etwa 2,16 atü expandiert und gleichzeitig auf etwa Ein weiteres Merkmal der Ausführungsform nach
etwa 2,16 atü expandiert und gleichzeitig auf etwa Ein weiteres Merkmal der Ausführungsform nach
-1810C für Austrag durch die Leitung 81 zum der Fig. 2 ist ein Scheider am kalten Ende der
Kanal 82 in der Verflüssigungsvorrichtung 34 ge- Verflüssigungsvorrichtung zur Wiedergewinnung von
kühlt. Das kalte Stickstoffgas im Kanal 82 fließt im 65 verdampftem flüssigen Produkt und Rückführung
Gegenstromwärmeaustausch zum kondensierenden eines solchen Verdampfungsgases zum arbeitsexpan-Zufuhrgas
in den Kanälen 35 und 36 und wird hier- dierten Kühlgasstrom. Es versteht sich indessen, daß
bei auf etwa —171° C wieder erwärmt. Dieser Gas- diese Maßnahme nur zweckmäßig ist, wenn minde-
stens ein Teil der Produktflüssigkeit vom Zufuhrgasdruck auf einen verhältnismäßig niedrigen Druck für
Speicherzwecke gedrosselt wird und der gedrosselte Teil dieselbe chemische Zusammensetzung wie das
Kühlgas hat. F i g. 2 zeigt weiter, daß das flüssige Stickstoffprodukt in der Leitung 38 durch das Regelventil
41 auf einen niedrigen Druck von 0,7 atü gedrosselt und dem Scheider 72 zur Abtrennung des
verdampften Gases vom flüssigen Teil zugeleitet wird. Letzterer wird durch die Leitung 76 als flüssiges
Produkt niedrigen Drucks abgezogen, während das Gas durch die Leitung 84 zur Vereinigung mit
dem arbeitsexpandierten Stickstoffkühlgas niedrigen Drucks in der Leitung 65 abgeführt wird. Der zusammengesetzte
kalte Strom wird dann durch die Wärmeaustauscherreihe hindurchgeleitet.
F i g. 4 und 5 veranschaulichen zusätzliche Ausführungsformen der Erfindung, die Vorteile bieten,
wenn das Zufuhr- und das Kühlgas dieselbe chemische Zusammensetzung haben. Anstatt gesonderte
Kompressoren für die zwei Gase zu verwenden, kann derselbe Kompressor benutzt werden, um
gleichzeitig beide Ströme unter Druck zu setzen. Wahlweise können die Ströme in einem ersten Kompressor
auf einen Zwischendruck komprimiert, wieder getrennt und in Aufladekompressoren gesondert
komprimiert werden. Die Ausführungsformen nach F i g. 4 und 5 werden lediglich mit Bezug auf diese
Merkmale und Maßnahmen geschildert, da sie sonst der Anlage nach F i g. 1 gleich sind.
F i g. 4 läßt erkennen, daß das erwärmte Kühlgas niedrigen Drucks, das aus dem warmen Ende des
warmen Wärmeaustauschers 16 in die Leitung 68 ausgetragen ist, in der Leitung 10 mit dem Zufuhrgas
gemischt wird, und die Mischung dem Kornpressor 51 bei etwa 0,56 atü zugeleitet wird, um in
diesem auf einen Zwischenpegel, z. B. 6,9 atü komprimiert zu werden. Das komprimierte Gemisch wird
aus dem Kompressor in die Leitung 52 entlassen und im Kanal 53 durch Wärmeaustausch mit einem
kälteren Fluidum in dem thermisch zugeordneten Kanal 54 nachgekühlt. Das nachgekühlte Gasgemisch
wird hierauf im Aufladekompressor 55 auf einen Druck von vorzugsweise etwa 10,2 atü weiterkomprimiert
und aus dem Kompressor in die Leitung 56 ausgetragen.
Das weiterkomprimierte Gasgemisch wird dann im Kanal 57 wieder auf eine Temperatur unterhalb
etwa 40° C durch Wärmeaustausch mit einem passenden Fluidum, z. B. Wasser, im thermisch zugeordneten
Kanal 58 nachgekühlt.
Das nachgekühlte und weiterkomprimierte Gasgemisch in der Leitung 56' wird sodann am warmen
Ende des warmen Zweigwärmeaustauschers 16 in zwei Teile unterteilt. Der eine Teil bildet das Zufuhrgas,
das dem Kanal 17 zur Kühlung mit anschließender Kühlung im Vorkühler 22, dem kalten
Wärmeaustauscher 26 und der Verflüssigungsvorrichtung 34 zugeleitet wird. Der andere Teil des
komprimierten Gasgemisches wird als rückgeführtes Kühlgas dem Kanal 57' zugeleitet.
F i g. 5 zeigt, daß sowohl das Zufuhrgas als auch das rückgeführte Kühlgas in einem ersten Kompressor
51 auf einen Zwischendruck komprimiert und im Kanal 53 nachgekühlt werden. Das nachgekühlte,
teilweise komprimierte Gasgemisch wird indessen in zwei Teile unterteilt. Der eine Teil wird
als rücklaufendes Abkühlgas durch den Aufladekompressor 55 hindurchgeleitet und anschließend
dem Kanal 57' des wärmen Zweigwärmeaustauschers zugeführt. Der andere Teil des nachgekühlten,
teilweise komprimierten Gasgemisches wird als Zufuhrgas von der Leitung 52 durch die Zweigleitung
abgezweigt und in einem gesonderten Aufladekompressor 91 auf einen Druck von z. B. 21 atü
weiterkomprimiert. Dieses weiterkomprimierte Zufuhrgas wird von dort in die Leitung 92 ausgetragen,
im Kanal 93 durch Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel, z. B. Wasser, in einem thermisch zugeordneten
Kanal 94 nachgekühlt und dem Kanal 17 am warmen Ende des warmen Zweigwärmeaustauschers
16 eingegeben.
Claims (8)
1. Verfahren zum Verflüssigen eines Gases durch Wärmeaustausch mit einem Kühlgas,
welche Gase einen unter — 80° C liegenden Siedepunkt bei Atmosphärendruck haben, bei
dem das Gas und das Kühlgas bei ihrem Eintritt auf einen Druck von mindestens 5 kg/cm2 verdichtet
und anschließend durch das Kühlgas abgekühlt werden, worauf das abgekühlte Gas im
Wärmeaustausch mit dem arbeitsleistend entspannten Kühlgas verflüssigt wird, welches sodann
zum Abkühlen des Gases und des Kühlgases verwendet und zur Wiederverdichtung zurückgeführt
wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Abkühlen des Gases und des Kühlgases gemeinsam in zwei hintereinandergeschalteten
Wärmeaustauschern erfolgt, zwischen denen die beiden Gase durch Wärmeaustausch mit einem von außen zugeführten Kühlmittel
gekühlt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bei einer Entspannung des
verflüssigten Gases entstehende Dampf wieder dem Strom des zu verflüssigenden Gases zugeführt
wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleicher Zusammensetzung
vom Kühlgas und zu verflüssigendem Gas vor dem Eintritt in die Wärmeaustauscher beide Komponenten gemeinsam verdichtet
und danach als zu verflüssigendes Gas bzw. als Kühlgas in zwei Ströme geteilt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Komponenten gemeinsam
vorverdichtet, in zwei getrennte Ströme geteilt und als zu verflüssigendes Gas bzw. als
Kühlgas endverdichtet werden (Fig. 5).
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der zu verflüssigenden
und der als Kühlgas verwendeten Gasanteile erst nach gemeinsamer Endverdichtung erfolgt (Fig. 4).
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet
durch einen zwischen den Wärmeaustauschern (16, 26) liegenden Kühler (22), welcher
neben dem zu verflüssigenden Gas sowie dem Kühlgas zusätzlich von einem von außen zugeführten
Kühlmittel durchströmt ist.
7. Anordnung nach Ansprach 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kühlgasverdichtung zwei
hintereinandergeschaltete Kompressoren (51, 55)
409 557/113
vorgesehen sind und daß eine arbeitsleistende Expansionsmaschine (63, 80, 83) mit dem den
Enddruck erzeugenden Kompressor (55) gekuppelt ist.
8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung
des zu verflüssigenden Gases hinter den Wärmeaustauschern (16, 26) eine Verflüssigungsvorrich-
tung (34) vorgesehen ist, welche in Gegenrichtung zu dem zu verflüssigenden Gas von dem
arbeitsleistend entspannten Kühlgas durchflossen ist.
In Betracht gezogene Druckschriften: Schweizerische Patentschrift Nr. 344 435.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
409 557/113 3.6+ © Bundesdruckerei Berlin
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