DE1960301B2 - Verfahren und einrichtung zum verfluessigen und unterkuehlen eines methanreichen verbrauchsgasstromes - Google Patents

Verfahren und einrichtung zum verfluessigen und unterkuehlen eines methanreichen verbrauchsgasstromes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen ίο und Unterkühlen eines methanreichen Verbrauchsgasstromes durch Wärmeaustausch mit einer Mehrzahl von flüssigen Kühlmitteln einschließlich eines Mehrkomponenten-Kühlmittels, welches wenigstens zwei Kohlenwasserstoff-Komponenten enthält, sowie wenigstens eine nicht aus einem Kohlenwasserstoff bestehende Komponente, deren Siedepunkt deutlich unter dem von Methan liegt, wobei der Verbrauchsgasstrom und das Mehrkomponenten-Kühlmittel durch Wärmeaustausch mit einem aus einer einzigen Komponente bestehenden Kühlmittel in mehreren Stufen durch Wärmeaustausch auf eine Temperatur wesentlich unter 00C abgekühlt werden, worauf der Verbrauchsgasstrom in Wärmeaustausch mil den aus mehreren Komponenten bestehenden Kühlmittel verflüssigt und unterkühlt wird. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.
Seit vielen Jahren werden Kühlkreisläufe in Kaskaden-Bauart zum Verflüssigen von z. B. Erdgas benutzt. Derartige übliche Kaskaden-Arbeitskreisläufe enthalten gewöhnlich eine Vielzahl von einzelnen, aus nur je einer Komponente bestehenden Kühlmitteln, deren Siedepunkte bei Atmosphärendruck unterschiedlich sind und in einer Reihe abnehmen und von denen jedes in einem geschlossenen Kreislauf in Umlauf gesetzt wird, in welchem Wärmeaustausch mit dem Verbrauchsgasstrom und zwischen den Kühlmittelströmen stattfindet. Nachteiligerweise erfordert jedoch die Verwendung solcher getrennter Kühlmittelströme eine sehr große Anzahl von gesonderten Wärmeaustauschern, Pumpen, Verdichtern und zugehöriger Rohranlagen sowie Ventile für die gesonderten geschlossenen Umläufe an jeder Stufe des Arbeitsganges. Noch wesentlicher fällt es ins Gewicht, daß, wenn nicht eine große Anzahl getrennter Kühlmittelkreisläufe verwendet wird, die charakteristischen Abkühlungskurven der einzelnen Kühlmittel nicht mit der stetig verlaufenden Abkühlungskurve des Verbrauchsgasstromes zusammenfallen. Dieser Umstand spielt insbesondere am kalten Ende der Kaskaden-Einrichtung eine Rolle, wo die Abkühlung um eine vorgegebene Temperatur mehr Energie erfordert als am warmen Ende der Abkühlungskurve, so daß diese Kaskaden-Einrichtungen auch beträchtliche Energiemengen benötigen.
Um die Anzahl der Kaskaden-Kühlmittelkreisläufe und der diesen zugeordneten Kompressoren zu verringern, ist es durch die US-PS 34 18 819 bekannt, die für gewöhnlich voneinander getrennten Kühlmittel Methan und Äthan zu einer binären Kühlmittelmischung in einem einzigen Kühlmittelkreislauf zu kombinieren. Von dem dort beschriebenen Verfahren und der dort gezeigten Einrichtung geht die Erfindung aus. Das Verflüssigen und Unterkühlen des Verbrauchsgasstromes erfolgt dort im Gegenstrom in mehreren, in Serie geschalteten Wärmetauschern im Wärmeaustäusch ir.it dem Mehrkompcr.eriten-Kühlmittel. Nach der vollständigen Verflüssigung des Verbrauchsgasstromes wird dieser entspannt, wobei ein Teil der sich dabei bildenden dampfförmigen Phase in den wärmeren Teil
des Kreislaufs zurückgeleitet wird. Durch das Entspannen wird der flüssige Verbrauchsgasstrom unterkühlt und kann in einen Lagerbehälter gegeben werden. Hierbei bereitet insbesondere die Anpassung der Drücke im kalten Teil des Verfahrens Schwierigkeiten, so daß auch dieses vorbekannte Verfahren relativ viel Energie benötigt bzw. einen nicht zufriedenstellenden Wirkungsgrad hat.
Die FR-PS 15 57019 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verflüssigen und Unterkühlen von Erdgas im Wärmeaustausch lediglich mit einem Mehrkomponenten-Kühlmittel, bestehend aus sechs oder mehr Komponenten. Dieses Kühlmittel wird einer mehrfachen Teilkondensation unterworfen, wobei das Kondensat jeder Teilkondensation einem Wärmetausch mit dem Verbrauchsgasstrom unterworfen wird. Hierfür werden aber große und komplizierte Wärmetauscher benötigt, da für jedes dieser vielen Kondensate, Dampffraktionen und Verbrauchsgasteile getrennte Rohrbündel erforderlich sind. Der Wärmetauscher wird, bedingt durch die notwendige Hintereinanderanordnung dieser Stufen, so lang und schwer, daß allein sein Transport Schwierigkeiten bereitet. Hinzu kommt, daß derart komplizierte Anlagen in der Regel zur Gänze beim Hersteller fertig gestellt werden müssen, weil hierfür bei den Erdgasquellen selbst nicht genügend geschultes Personal zur Verfügung steht.
Ferner sind viele Phasenseparaloren und Sprühköpfe notwendig, mit denen die einzelnen Fraktionen behandelt werden, die aus den mehrfachen Teilkondensationen resultieren. Außerdem ist die Verweisung eines Kühlmittels mit sechs oder mehr Komponenten bezüglich des Wirkungsgrades sehr nachteilig, da der Abgabedruck des Kühlmittelkompressors einen Kompromiß zwischen den sich stark voneinander unterscheidenden optimalen Drücken für die Komponenten des Mehrkomponenten-Kühlmittels darstellen muß, und zwar bezüglich des höchsten und des niedrigsten Siedepunktes.
Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen eines methanreichen Verbrauchsgasstromes vorzuschlagen, welches weniger Energie als die bekannten Verfahren erfordert, in seinem Aufbau einfacher ist und insbesondere weniger Einzelkomponenten und diese verbindende Rohrleitungen erfordert.
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art gelingt dies gemäß der Erfindung dadurch, daß das Mehrkomponenten-Kühlmittel in Wärmeaustausch mit dem aus einer Komponente bestehenden Kühlmittel teilweise kondensiert und anschließend in eine an leichteren Komponenten reichere dampfförmige Fraktion und in eine an schwet eren Komponenten reichere flüssige Fraktion getrennt wird, worauf die flüssige Fraktion expandiert und durch Wärmeaustausch mit der expandierten Fraktion unterkühlt wird zur Bildung einer ersten unterkühlten Fraktion, und die dampfförmige Fraktion expandiert und durch Wärmeaustausch mit der expandierten Fraktion verflüssigt und unterkühlt wird zur Bildung einer zweiten unterkühlten Fraktion, und daß der vorgekühlte Verbrauchsgasstrom durch Wärmeaustausch mit der ersten und der zweiten unterkühlten Fraktion vollständig verflüssigt und unterkühlt wird. Der damit erzielte technische Fortschritt liegt in der Lösung der Erfindungsaufgabe. Bevorzugte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Mit den Maßnahmen nach Anspruch 2 wird die Erfindungsaufgabe bei besonders geringem Aufwand gdöst. Die Maßnahmen der Ansprüche 3 und 4 geben bevorzugte Zusammensetzungen des Mehrkomponenten-Kühlmittels an. Anspruch 5
charakterisiert eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit einem bevorzugten konstruktiven Aufbau von Wärmetauschern, in denen der Verbrauchsgasstrom verflüssigt und unterkühlt wird. Nach Anspruch 6 können die beiden in Anspruch 5 angesprochenen Wärmetauscher in einem einzigen Mantel untergebracht sein und einen zweistufigen Wärmetauscher bilden, wodurch ebenfalls der apparative Aufwand in einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes weiterhin verringert wird.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt ein Fließdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens und der Einrichtung nach der Erfindung.
Ein Verbrauchsgasstrom aus Erdgas tritt in die Einrichtung durch die Leitung 10 ein, nachdem er zuvor von im wesentlichen aus KobJendioxyd bestehenden Verunreinigungen befreit worden ist; er kann einen absoluten Druck von 51,5 kg/cm2 und eine Temperatur von ungefähr 41,7° C haben. Der Verbrauchsgasstrom wird durch einen Wärmetauscher 12 hindurchgeleitet, der der erste von drei, eine Kaskade bildenden Wärmetauschern ist, die mit einem aus einer einzigen Komponente bestehenden Kühlmittel gespeist werden, z. B. Propan, Propylen oder Freon, d. h. einem niedrigsiedenden Kohlenwasserstoff, wie nachstehend ausführlicher beschrieben wird. Der Verbrauchsgasstrom wird im Wärmetauscher 12 auf eine Temperatur in der Größenordnung von 200C gekühlt und durch eine erste Phasentrennvorrichtung 14 hindurchgeleitet, aus dem durch eine Leitung 16 kondensiertes Wasser entfernt und abgeführt wird. Der teilweise getrocknete Verbrauchsgasstrom wird dann durch eine Leitung 18 zu dem einen oder dem anderen von zwei Trocknern 20 geführt, die den Rest der Feuchtigkeit aus dem Gasstrom abscheiden. Die Trockner enthalten ein übliches zweckentsprechendes Trocknungsmittel und sind mittels Rohren und Ventilen so angeschlossen, daß sie in bekannter Weise abwechselnd regeneriert werden können.
Der getrocknete Verbrauchsgasstrom wird dann durch eine Leitung 22 einem weiteren Wärmetauscher 24 zugeführt, der mit einem aus einer einzigen Komponente bestehenden Kühlmittel arbeitet und in welchem der Gasstrom auf ungefähr 00C gekühlt wird.
Der gekühlte Verbrauchsgasstrom strömt dann durch eine Leitung 26 zu einer mit Benzol arbeitenden Waschkolonne 28, aus der das Benzol und andere schwere Kohlenwasserstoffe als Kondensate durch eine Leitung 30 abgeführt werden. Eine kleinere, aus
SS leichteren Kohlenwasserstoffen, wie Methan, Äthan und Propan bestehende oder diese Stoffe enthaltende Menge wird gleichfalls abgeführt und zu einer nicht gezeichneten Fraktionierungsanlage geführt, um darin in der nachstehend beschriebenen Weise Kühlmittel wieder zu gewinnen. Ein größerer Teil des aus dem 3oden der Kolonne 28 abgeleiteten Stroms wird durch einen Wiederverdampfer 32 so zurückgeführt, daß
Dampf in den Bodenteil der Kolonne 28 eingeführt wird. Der Gasstrom verläßt die Kolonne 28 an deren
oberem Teil und strömt durch eine Leitung 34 zu einem weiteren Wärmetauscher 36, der mit einem aus einer einzigen Komponente bestehenden Kühlmittel arbeitet und in dem das Gas auf ungefähr -340C gekühlt wird.
Der Verbrauchsgasstrom wird dann einer zweiten Phasentrennvorrichtung 38 zugeführt, aus der weitere kondensierte Kohlenwasserstoffe abgeführt und durch eine Leitung 40 mittels einer Pumpe 42 und einer Leitung 44 zu der Benzolwaschsäule 28 zurückgeführt werden, um einen Rückstrom für diese Kolonne herzustellen. Der Gasstrom verläßt den oberen Teil der Phasentrennvorrichtung 38 als Dampf und kann aus mehr als 90% Methan bei einem absoluten Druck von ungefähr 493 kg/cm2 und bei einer Temperatur in der Größenordnung von —34°C bestehen.
Der Verbrauchsgasstrom wird dann durch eine Leitung 46 in den einen aus einem Rohr bestehenden Umlauf 48 eines weiteren zweistufigen Wärmetauschers 50 eingeleitet In dem Umlauf 48 strömt der Verbrauchsgasstrom nach oben und wird dabei durch einen Gegenstrom einer ersten Fraktion eines aus mehreren Komponenten zusammengesetzten Kühlmittels gekühlt, die über das Rohrbündel von einem Sprühkopf 52 aus herabgesprüht wird. Dieser Teil des Kreislaufes des Mehrkomponenten-Kühlmittels wird weiter unten im einzelnen beschrieben; der Verbrauchsgasstrom wird hier auf ungefähr —112° C in der Zeitspanne gekühlt, in der er das obere Ende des aus einem Rohr bestehenden Umlaufs 48 in der ersten Stufe des Wärmetauschers erreicht. Hier tritt der Verbrauchsgasstrom unmittelbar in einen zweiten rohrförmigen Umlaufteil 54 der zweiten Stufe des Wärmetauschers ein und strömt durch diesen Teil nach oben, wobei er im Gegenstrom durch eine zweite Mehrkomponenten-Kühlmittelfraktion gekühlt wird, die von einem Sprühkopf 56 nach unten gesprüht wird.
Der am oberen Ende des Rohres 54 abgezogene Strom ist vollständig verflüssigt und unterkühlt und besitzt eine Temperatur in der Größenordnung von — 163° C und einen absoluten Druck in der Größenordnung von 45,5 kg/cm2.
Der verflüssigte und tief unterkühlte Strom expandiert dann in einem Ventil 58 auf einen absoluten Druck in der Größenordnung von 4,5 kg/cm2 und eine Temperatur in der Größenordnung von — 161°C. Wegen der starken Unterkühlung tritt kein Druckschlag auf und kann die Flüssigkeit unmittelbar in einen Speicherbehälter überführt werden, in dem sie bei atmosphärischem Druck und bei einer Temperatur in der Größenordnung von -1610C gespeichert wird.
Betrachtet man nun wieder die Wärmetauscher 12,24 und 36, so ist hier folgendes zu sagen: Das Propan oder ein sonstiges aus nur einer Komponente bestehendes Kühlmittel wird in einem Kompressor verdichtet, der eine erste Stufe 60 und eine zweite Stufe 62 besitzt. Das verdichtete Propan wird gekühlt und in einem Wasserkühler 64 vollständig kondensiert; es expandiert in einem Ventil 66, bevor es in den Wärmetauscher 12 als Flüssigkeit mit einer Temperatur in der Größenordnung von 183° C und einem absoluten Druck von ungefähr 8,1 kg/cm2 eintritt. Der Wärmetauscher 12 und ebenso die übrigen mit Propan als Kühlmittel arbeitenden Wärmetauscher können in einer üblichen Bauart, z. B. als U-förmige Röhren, ausgebildet sein, die in das flüssige Propan eintauchen. Somit wird ein Teil des flüssigen Propans beim Kühlen des in den U-förmigen Röhren strömenden Verbrauchsgasstromes verdampft; dieser Propandamp! wird durch eine Leitung 68 einer Zwischenstufe des Kompressors 62 zugeführt. Das verbleibende flüssige, vom Wärmetauscher 12 abgeführte Kühlmittel wird durch eine Leitung 70 dem Teil 72 einer Zweigleitung 90,72 zugeführt. Der in der Zweigleitung 72 strömende Teil des flüssigen Kühlmittels expandiert in einem Ventil 74 auf einen absoluten Druck in der Größenordnung von 43 kg/cm2 und wird von da dem Wärmetauscher 24 bei einer Temperatur in der Größenordnung von -40C zugeführt. Beim Kühlen des im Wärmetauscher 24 strömenden Verbrauchsgasstromes wird das flüssige Kühlmittel verdampft und kehrt durch eine Leitung 76 zur Saugseite des Kompressors 62 zurück. Der übrige Teil des vom Wärmetauscher 24 abgeführten flüssigen Propans wird durch eine Leitung 79 geleitet und expandiert in einem Ventil 80 auf einen absoluten Druck in der Größenordnung von 13 kg/cm2; er wird dann dem Wärmetauscher 36 bei einer Temperatur in der Größenordnung von —37° C zugeführt. Beim Kühlen des Verbrauchsgasstromes in diesem Wärmetauscher wird dieser Teil des Kühlmittels verdampft; der Kühlmitteldampf strömt durch die Leitungen 82 und 84 zur Saugseite des Kompressors 60 zurück. Es ist also ersichtlich, daß der Verbrauchsgasstrom aufeinanderfolgend in den drei Wärmetauschern gekühlt wird, die alle mit dem aus einer einzigen Komponente bestehenden Kühlmittel betrieben werden, wobei ein und dasselbe Kühlmittel bei fortschreitend abnehmenden Drücken und Temperaturen in einem dreistufigen Kaskaden-Kühlmittelkreislauf eingesetzt wird.
Zusätzlich zur Kühlung des Verbrauchsgasstromes in dem vorstehend beschriebenen Kaskaden-Kreislauf wird das aus einer einzigen Komponente bestehende Kühlmittel auch noch dazu verwendet, das Mehrkomponenten-Kühlmittel zu kühlen und teilweise zu kondensieren, das anschließend zur Verflüssigung und zur Unterkühlung des Verbrauchsgasstromes im Wärmetauscher 50 dient. Diese Kühlung des Mehrkomponenten-Kühlmittels miP Hilfe eines aus einer einzigen Komponente bestehenden Kühlmittels wird in Wärmetauschern 86 und 88 durch denjenigen Teil des vom Wärmetauscher 12 kommenden flüssigen Propans bewirkt, der durch die Hauptleitung 70 und deren Zweigleitung 90 strömt. Dieser Teil des aus Propan bestehenden Kühlmittels expandiert in einem Ventil 92 auf einen absoluten Druck in der Größenordnung von 4,3 kg/cm2 und wird in den Wärmetauscher 86 mit einer Temperatur in der Größenordnung von -3,90C eingeführt. Beim Kühlen des Mehrkomponenten-Kühlmittels in dem Wärmetauscher 86 wird ein Teil des Propans verdampft und durch eine Leitung 87 abgezogen, durch die er der Saugseite des Kompressors 62 zugeführt wird. Das übrige flüssige Propan wird vom Wärmetauscher 86 dem Wärmetauscher 88 mittels einer Leitung 93 und über ein Expansionsventil 94 zugeführt, so daß das Propan in den Wärmetauscher 88 mit einem absoluten Druck in der Größenordnung von 1,3 kg/cm2 und mit einer Temperatur von ungefähr -370C eintritt. Dieser Teil des Propans wird verdampft, während er das Mehrkomponenten-Kühlmittel teilweise kondensiert, und der dabei entstehende Propandampf wird abgezogen und über Leitung % und 84 der Saugseite des Kompressors 60 zugeführt. Somit bildet der mit Propan als Kühlmittel betriebene Teil des Systems einen geschlossenen Kreislauf, in welchem der Verbrauchsfasstrom durch das Propan in den Wärmetauschern 12, 2< und 36 gekühlt wird, während das Mehrkomponenteiv Kühlmittel in den Propan-Wärmetauschern 86 und 88 teilweise kondensiert wird. Um etwaigen Verlust an Kühlmittel in dem Propan-Kreislauf auszugleichen, kann eine Auffüll-Leitung 97 an der Abströmseite des Ventils 66 angeschlossen sein, so daß erforderlichenfalls
flüssiges Propan dem Kreislauf zugesetzt werden kann. Statt dessen kann gasförmiges Propan an der Saugseite der Kompressoren zugesetzt werden, wenn flüssiges Propan nicht zur Verfügung steht
Nachstehend wird der Mehrkomponenten-Kühlmittelteil der Einrichtung beschrieben. Zwar könnte in der Einrichtung eine große Anzahl unterschiedlicher Mehrkomponenten-Mischungen verwendet werden; es wurde aber gefunden, daß man einen sehr hohen Wirkungsgrad erhält, wenn die Mischung nur aus 4 ]0 Komponenten besteht, nämlich Stickstoff, Methan, Äthan und Propan. Es wurde ferner gefunden, daß eine optimale Zusammensetzung dieser vier Komponenten 10 Mol-% Stickstoff, 40Mol-% Methan, 35Mol-% Äthan und 15Mol-% Propan enthalten sollte. Diese Kühlmittelmischung wird in einem Kompressor verdichtet, der eine erste Stufe 100 und eine zweite Stufe 102 sowie einen Zwischenkühler 104 und einen Nachkühler 106 besitzt. Wenn das Mehrkomponenten-Gemisch den Nachkühler 106 verläßt, befindet es sich vorzugsweise bei einem absoluten Druck von 42,8 kg/cm2 und bei einer Temperatur in der Größenordnung von 41,7° C. Es wird dann durch eine Leitung 108 dem Wärmetauscher 86 zugeleitet, in welchem es durch das Propan auf ungefähr 0°C gekühlt wird. Hiernach wird es unmittelbar durch den zweiten mit Propan betriebenen Wärmetauscher 88 hindurchgeleitet, von dem es mit einer Temperatur in der Größenordnung von —34,8° C abgeführt und durch eine Leitung 109 einer Phasentrennvorrichtung 110 zügeführt wird. An dieser Stelle ist das Mehrkomponenten-Kühlmittel zum Teil derart kondensiert, daß das flüssige Kondensat im unteren Teil der Trennvorrichtung 110 vorzugsweise etwa 2 Mo!-% Stickstoff, 24 Mo!-% Methan, 48Mol-% Äthan und 26 Mol-% Propan enthält Diese flüssige Fraktion des Mehrkomponenten-Kiihlmittels wird dann durch eine Leitung 112 einem rohrförmigen Teil 114 des Wärmetauchers 50 zugeführt, in welchem es auf eine Temperatur in der Größenordnung von — 112°C unterkühlt wird. Diese unterkühlte Flüssigkeit läßt man in einem Ventil 116 auf einen absoluten Druck in der Größenordnung von 3,4 kg/cm2 expandieren, wobei ein kleiner Teil der Flüssigkeit schlagartig in Dampf übergeht und ihre Temperatur auf -1190C abnimmt Diese Flüssigkeit und der daraus entstandene Dampf werden über eine Leitung 118 in den Wärmetauscher 50 wieder eingeführt und durch einen Sprühkopf 52 versprüht, so daß das Kühlmittel über die rohrförmigen Wärmetauscherteile 48,122 und 114 herabströmt.
An der Phasentrennvorrichtung 110 hat der an seiner Obenseite vorliegende Dampf vorzugsweise eine Zusammensetzung von 20 Mol-% Stickstoff, 58 Mol-% Methan, 19 Mol-% Äthan und 3 Mol-% Propan. Dieser Dampf wird durch eine Leitung 120 eines rohrförmigen Wärmetauscherteils 122 zugeführt, in welchem der Dampf durch die Einwirkung der nach unten gesprühten Kühlmittelfraktion gekühlt und kondensiert wird. Das kondensierte Mehrkomponenten-Kühlmittel geht von dem rohrförmigen Wärmetauscherteil 122 unmittelbar in einen zweiten rohrförmigen Wärmetauscherteil 124 über, in welchem es auf eine Temperatur in der Größenordnung von -1630C unterkühlt wird. Diese flüssige unterkühlte Kühlmittelfraktion läßt man in einem Ventil 128 auf einen absoluten Druck in der <\s Größenordnung von 3,6 kg/cm2 expandieren, wobei ein kleiner Teil der Flüssigkeit schlagartig in Dampf überßeht und ihre Temperatur auf etwa -1670C absinkt. Die Flüssigkeit und der daraus entstandene Dampf werden über eine Leitung 130 wieder in den Wärmetauscher 50 und einem Sprühkopf 56 zugeführt, so daß das Kühlmittel über die rohrförmigen Wärmetauscherteile 54 und 124 herabströmt. Beim Herabströmen über diese zwei rohrförmigen Wärmetauscherteile wird die vom Sprühkopf 56 kommende flüssige Mehrkomponenten-Fraktion vollständig verdampft und unterkühlt daher sowohl den Verbrauchsgasstrom im Wärmetauscherteil 54 als auch die flüssige Mehrkomponenten-Fraktion im Wärmetauscherteil 124. Ebenso wird die flüssige Mehrkomponenten-Fraktion, die vom Sprühkopf 52 ausgesprüht wird, im Wärmeaustausch mit den rohrförmigen Wärmetauscherteilen 48,122 und 114 verdampft. Demzufolge sind alle Teile des Mehrkomponenten-Kühlmittels in ihrer dampfförmigen Phase an der Unterseite des Wärmetauschers 50 wieder miteinander vereint, und sie werden hier über Leitungen 136 und 138 abgezogen und der Saugseite des Kompressors 100 zugeführt Somit bildet der mit dem Mehrkomponenten-Kühlmititel betriebene Teil der Einrichtung einen gesonderten, geschlossenen Kreislauf, durch den der Verbrauchsgasstrom äußerst wirksam von dem Kühlniveau des Propans auf die abschließende Unterkühlungstemperatur von —163° C herabgekühlt wird.
Eine Fülleitung 140 und ein Ventil 142 können dazu dienen, eine solche Menge an Mehrkomponenten-Kühlmittel zuzuführen, wie es erforderlich ist, um unvermeidliche Verluste auszugleichen. Wie oben ausgeführt wurde, kann man die Aufbereitung dieses Kühlmittels dadurch durchführen, daß man die Kohlenwasserstoffe fraktioniert, die durch die Leitung 30 von der Benzol-Kolonne 28 abgeführt werden, und zusätzlicher Stickstoff zuführt.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich daß die Erfindung einen Kühlmittel-Umlauf schafft durch welchen der Verbrauchsgasstrom fortschreitend zuerst durch eine Mehrzahl von eine Kaskade bildender Wärmetauschern und anschließend durch einen ir einem einzigen Mantel untergebrachten, zweistufiger und mit einem Mehrkomponenten-Kflhlmittel betriebenen Wärmetauscher gekühlt wird, in dessen Kühlstufer der Verbrauchsgasstrom durch fortschreitende Verdampfung zweier flüssiger Mehrkomponenten-Fraktionen gekühlt wird. Ferner ist ersichtlich, daß ir Verbindung mit diesem mit einem Mehrkomponenten-Kühlmittel betriebenen Zwei-Zonen-Wärmetauschei das Mehrkomponenten-Kühlmittel lediglich einer teil weisen Kondensation unterzogen wird, ähnlich dei teilweisen Kondensation, die in den Wärmetauschern 8t und 88 auftritt. Somit wird lediglich das in dieser Wärmetauschern gebildete und in der Phasentrennvor richtung 110 abgetrennte Kondensat zunächst unter kühlt und in den Hauptwärmetauscher 50 eingespritzt während der unkondensierte Teil in dem Hauptwärme tauscher gekühlt und unterkühlt wird, bevor er an oberen Ende des Wärmetauscherrnentels in dieser eingespritzt wird. Es ist daher ersichtlich, daß sich eir absolutes Minimum der Anzahl an rohrförmiger Umläufen, an Phasentrennvorrichtungen und an züge hörigen Rohrleitungen und Ventilen ergibt, wahrem gleichzeitig alle Vorteile einer Kühlung mit Mehrkom ponenten-Kühlmittel bei der Verflüssigung und Unter kühlung des Verbrauchsgaseis erreicht werden.
Schließlich ist darauf hinzuweisen, daß die Sprühköp fe 52 und 56 so ausgebildet sein sollen, daß sich eint gleichmäßige Verteilung der Mehrkomponenten-Flüs
sigkeiten und der aus diesen entwickeltem Dämpfe über die rohrförmigen Wärmetauscherteile des Wärmetauschers 50 ergibt. Statt dessen kann eine Phasentrennvorrichtung zwischen das Ventil 116 und den Sprühkopf 52 und zwischen das Ventil 128 und den Sprühkopf 56 zur jeweiligen Trennung der beiden Phasen der Medien eingesetzt werden. In diesem Falle können die im Unterteil dieser Trennvorrichtungen vorliegenden abgetrennten Flüssigkeiten zu dem jeweils zugehörigen
Sprühkopf geleitet und können die abgeschiedener Dämpfe in den Wärmetauscher 50 durch nich gezeichnete Leitungen eingespritzt werden, die in dei Wärmetauscher unmittelbar benachbart zu dem Sprüh kopf 52 bzw. 56 eintreten. In beiden Fällen wird sowoh das flüssige Kühlmittel als auch der kleine Teil an darau; entstandenem Dampf in die Kolonne jeweils an dei Stelle des Sprühkopfes 52 bzw. 56 eingespritzt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen eines methanreichen Verbrauchsgasstromes durch Wärmeaustausch mit einer Mehrzahl von flüssigen Kühlmitteln einschließlich eines Mehrkomponenten-Kühlmittels, welches wenigstens zwei Kohlenwasserstoff-Komponenten enthält, sowie wenigstens eine nicht aus einem Kohlenwasserstoff bestehende Komponente, deren Siedepunkt deutlich unter dem von Methan liegt, wobei der Verbrauchsgasstrom und das Mehrkomponenten-Kühlmittel durch Wärmeaustausch mit einem aus einer einzigen Komponente bestehenden Kühlmittel in mehreren Stufen durch Wärmeaustausch auf eine Temperatur wesentlich unter 0°C abgekühlt werden, worauf der Verbrauchsgasstrom in Wärmeaustausch mit den aus mehreren Komponenten bestehenden Kühlmittel verflüssigt und unterkühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrkomponenten-Kühlmittel in Wärmeaustausch mit dem aus einer Komponente bestehenden Kühlmittel teilweise kondensiert und anschließend in eine an leichteren Komponenten reichere dampfförmige Fraktion und in eine an schwereren Komponenten reichere flüssige Fraktion getrennt wird, worauf die flüssige Fraktion expandiert und durch Wärmeaustausch mit der expandierten Fraktion unterkühlt wird zur Bildung einer ersten unterkühlten Fraktion, und die dampfförmige Fraktion expandiert und durch Wärmeaustausch mit der expandierten Fraktion verflüssigt und unterkühlt wird zur Bildung einer zweiten unterkühlten Fraktion, und daß der vorgekühlte Verbrauchsgasstrom durch Wärmeaustausch mit der ersten und der zweiten unterkühlten Fraktion vollständig verflüssigt und unterkühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vollständige Verflüssigung und Unterkühlung des Verbrauchsgasstromes durch das Mehrkomponenten-Kühlmittel in lediglich zwei Wärmetauschstufen erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrkomponenten-Kühlmittel ein Gemisch aus vier Komponenten ist, das aus Methan, aus einer Komponente, die kein Kohlenwasserstoff ist und deren Siedepunkt deutlich unter demjenigen von Methan liegt, und aus zwei weiteren Kohlenwasserstoff-Komponenten besteht, deren Siedepunkte über demjenigen von Methan liegen.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrkomponenten-Kühlmittel etwa lOMol-% Stickstoff, etwa 40Mol-% Methan, etwa 15 Mol-% Propan und etwa 35 Mol-% Äthan enthält.
5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wärmetauscher (48, 122) zur Verflüssigung des vorgekühlten Verbrauchsgasstromes und zum Kondensieren der Dampffraktion durch Wärmeaustausch mit der flüssigen Fraktion nach deren Unterkühlung und Expansion und ein zweiter Wärmetauscher (54,124) zum Unterkühlen des Verbrauchsgasstromes durch Wärmeaustausch mit der kondensierten Dampffraktion nach deren Unterkühlung und Expansion vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Wärmetauscher (48,122; 54,124) die erste und die zweite Stufe eines in einem einzigen Mantel untergebrachten zweistufigen Wärmetauschers bilden.
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