DE2056020A1 - Vorrichtung zur Kühlung und Verflüssigung von gasförmigen Gemischen bei niedriger Temperatur - Google Patents

Vorrichtung zur Kühlung und Verflüssigung von gasförmigen Gemischen bei niedriger Temperatur

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DE2056020A1 DE19702056020 DE2056020A DE2056020A1 DE 2056020 A1 DE2056020 A1 DE 2056020A1 DE 19702056020 DE19702056020 DE 19702056020 DE 2056020 A DE2056020 A DE 2056020A DE 2056020 A1 DE2056020 A1 DE 2056020A1
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Description

Affaire: 1571 TP 4
COMPAGNIE FRAHCAISBD»ETUDES ET DE CONSTRUCTION T.E.C.H.N.I.P·
RUEIL-MALMAISON / Prankreich
"Vorrichtung zur Kühlung und Verflüssigung von gasförmigen Gemischen bei niedriger Temperatur"
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur teilweisen oder vollständigen Verflüssigung, gegebenenfalls mit Unterkühlung der so erhaltenen Flüssigkeit von Gasen oder Gasgemischen» von denen gewisse Bestandteile sehr niedrige Siedetemperaturen bei atmosphärischem Druck aufweisen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen im flüssigen Zustand von Gemischen, die leichte Kohlenwasserstoffe, Stickstoff und Helium beispielsweise umfassen und vor allem solche, die ohne Kühlung la flüssigen Zustand nicht In geschlossenen Behältern gehalten werden können; es handelt sich also um solche, deren kritische Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur liegt.
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Die Erfindung läßt sich insbesondere auch anwenden auf Verfahren zur Verflüssigung von Natur- oder Erdgas9 zur Extraktion von Stickstoff, Helium sowie Edelgasen.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die Verflüssigung der vorgenannten Gase beschränkt, ist vielmehr auf jedes zusammengesetzte Gasgemisch anwendbar. Eine besondere Anwendung findet sich dort, wo es unerläßlich" ist, Anlagen zu bauen, welche Gemische variabler und unterschiedlicher Zusammensetzung behandeln sollen, die also eine große Flexibilität bieten müssen. Im übrigen wird es erfindungsgemäß möglich, Anlagen zu bauen, deren Inveetitions- und Betriebskosten gering sind. Ein besonderes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Maßnahme ist die Verflüssigung von Natur- oder Erdgas, welches aus Lagerstätten gewonnen wird, die durch große Wasserflächen von den Verbrauchsstätten getrennt sind, was den Transport durch Pipeline unmöglich oder sehr teuer macht.
In diesem Fall wird das Gas durch Spez^slpcbiffe in flüssiger Form bei seiner Blasentemperatur unter einem Druck transportiert, der ganz wenig über atmosphärischem Druck liegt: die Verdampfung eines Teils der Flüssigkeit setzt Frigorien frei* die notwendig sind, um den Kältezustand der Fracht aufrecht zu erhalten und das so verdampfte Gas kann benutzt werden, um die Antriebsmaschinen des Schiffes zu treiben.
Bisher konnte die Verflüssigung des Erd- oder Naturgases ohne Entspannung unter Lieferung von Arbeit unter anderem nach zwei Verfahren erreicht werden, das erste benutzt mehrere Kühlkreisläufe, wobei jeder Kreislauf ein im wesentlichen reines Kältefluld benutzt, Beispielsweise kann ein solches System Propan für den
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ersten Kreislauf zwischen Umgebungetemperatur υηά - 350C, Äthylen für den »weiten Kreislauf zwischen den Temperaturen von - 350C und - 10O0O, Methan für den dritten Kreislauf zwischen den !Temperaturen τοη - 1OO°0 und-46O0O benützen; gegebenenfalls kann ein vierter Stickstoffkreielauf vorgesehen sein, um Temperaturen unterhalb von - 16O0C su erreichen.
TJm den Energieverbrauch zu vermindern, umfaßt jeder Kreislauf dieses Systems selbst mehrere Temperaturstufen, Stufen die erhalten werden, indem man auf unterschiedlichen Hiveaus den Siededruck des Kühlfluide regelt; hieraus folgt eine kostspielige Tervielfachung der Aggregate: Wärmeaustauscher, Rohrleitungen, Regelvorrichtungen und Verdichter. Diese Kompliziertheit bringt somit erhöhte Investitionskosten mit sich. Im übrigen ist eine solche Anlage venig elastisch und läßt sich nur mit Schwierigkeiten anpassen, sobald die realen Bedingungen sich zu sehr von den Grundbedingungen entfernen.
Das zweite Verfahren heiratet das Gas selbst al HhIfluid; diese OriginallÖBung erfordert jedoch erhebliche üü*jj" ^hen oder Zusatzeinrichtungen die in beachtlicher Weise d_e Kompliziertheit des Systeme und die Leistung vergrößern, die erforderlich ist, um die Verflüssigung bu erreichen·
Erfindungegemäß soll vor allem eine Maschine geschaffen werden, die es ermöglicht, kontinuierlich die totale oder teilweise Verflüssigung gegebenenfalls mit Unterkühlung der so erhaltenen !Flüssigkeit von Gasgemischen su erreichen, deren kritische Temperatur unter Umgebungstemperatur liegt.
Auch soll erf indungegeaäö eine Vorrichtung vorgeschlagen werden, die es ermöglicht, kontinuierlich die Verflüssigung von Qftsgemiechen vorzunehmen, deren Zusammensetzung von einer Periode zur nächsten variieren kann, und zwar unter Bedingungen,
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die nahe am Optimum für einen ziemlich großen Variationsbereich liegen. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung, die es ermöglicht, kontinuierlich die Verflüssigung von Gasgemischen mit minimalen Investitions- und Betriebskosten zu erreichen.
Erfindungsgemäß soll zudem eine Vorrichtung geschaffen" werden, die es ermöglicht, die Verflüssigung von Gasgemischen zu erreichen, in denen die Zusammensetzung des Ktihlfluids modifiziert werden kann, um die Arbeitsbedingungen nahe äem Optimum zu halten. Auch soll eine Vorrichtung vorgeschlagen werden; die kontinuierlich die totale oder teilweise Verflüssigung von Gasgemischen gegebenenfalls mit Unterkühlung der so erhaltenen Flüssigkeit durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit einem Ktihlfluid ermöglicht, dessen Zusammensetzung an mehreren Stellen des Kühlkreislaufs variiert, wobei das Ktihlfluid selbst bei der Verdichtung ein Gasgemisch ist, welches sich von dem zu verflüssigenden Gemisch unterscheidet, wobei dieses Fluid kontinuierlich rezirkuliert wird, während das zu verflüssigende Gas nur ein einziges Mal ein System von .Austauschern durchströmt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung soll auch kontinuierlich die Kühlung und die Kondensation unter einem beliebigen Druck von Erdgas ebenso wie seine Unterkühlung im flüssigen Zustand ermöglichen, und zwar bis auf eine Temperatur bis in der Nähe oder gleich seiner Blasentemperatur bei atmosphärischem Druck durch indirekten Austausch von Wärme im Gegenstrom zwischen diesem Erdgas und den Fraktionen eines Ktthlfluids, welches hauptsächlich aus Methan, A'than, Propan, Butanen und Pentanen besteht, das aber auch geringe Mengen flüchtigerer Stoffe wie Stickstoff und Helium und weniger flüchtige wie Hexane, Heptane und Oktane beispielsweise enthalten kann; dieses KühlfluId 1st preiswert und läßt sich leicht erhalten, da es aus den Kohlenwasserstoffen oder Gasen besteht, die im Erdgas oder in der dem Erdgas Im allgemeinen zugeordneten
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flüssigkeit vor βeiner Behandlung an der Lagerstätte su* Traneport über dt« Pipeline enthalten sind.
obengenannt· Aufgabe sowie weitere Vorteile werden durch die erfindungegeate vorgeschlagene Lösung erfüllt, wobei die Beschreibung anhand der Verflüssigung eineajjBrdga'ses su dessen See- oder FluBtranaport erfolgen wird.
So kann beispielsweise das Gas die folgende Zusammensetzung aufweisen und bei einen absoluten !Druck von beispielsweise 39 Bar tür Verfügung stehen:
Stickstoff * 1,6 Volumen-* Bethan l87,0 Volueen-* Ithan »7,3 Voluaen-*
WtopBa t 2,5 Voluaen-*
Butane ι 1,2 Volueen-*
*entane und weni-
fer flüchtige toffe ι 0,2 Volunen-Ji
Die erfindungsgeisäSe Vorrichtung, die die vorgenannten ver-•chiedanen Siele au erreichen gestattet, unfaSt einen Oaskoepreesor, aehrere Behälter zur Trennung von Gasen und Flüssigkeit und swei Reihen von Gegenstronaustaueehern, naelich eine Reihe stm Iflhlen des Xühlfluids und eine Reihe sun
des su verflüeeigenden Oaegeeiechee, wobei die K&lte Üllfji|tattt8htr auf mnehsend größeren Höhen angeordnet t m il# Sorrft-sirkulation des lühlfluide, weichet» m topf }«4φ» Äiwe» Anstauscher eingespritzt wird, sowie Atmita TttBischung «it den lühlgaeen »u erttöglichen.
ι Tjitw^ailf Hftlflttid oder Ealtwittel ist ein Qevisoh nit Kuttpon«nten, welches la aufeinanderfolgenden frak-1» einer der Reihen von Wlreeaus-teisehern, den sogenannten
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Kälteaustauscher)! bei immer tieferen Temperaturen verflüssigt und benutzt wirä, um das gasförmige Gemisch in einer AiÄauscherkolonne au kühlen und zu verflüssigen, die durch die andere Reihe von Wärmeauetaueehern, den sogenannten Yerflttssigungsaustauschern gebildet wird.
Dadurch, daß ein und dieselbe Anordnung benutzt wird, die die Zirkulation infolge Schwerkraft des Kältemittels in den Verfltissigungsaustauschern ermöglicht, ergibt dies eine Zunahme der durch die zur Kühlung und Verflüssigung des gasförmigen Gemisches bestimmten Austauscherkolonne gehenden Kühlgasmenge im absteigenden Sinne dieser Kolonne aufgrund des progressiven Siedens der Kühlflüssigkeitefraktionen, Somit muß der Durchmesser der AuBtauscherkol^nne größer an der Basis als am Kopf sein, was die Konstruktion stabiler und steifer und auch kompakter macht. In übrigen ist die obere Zone der Kolonne, die die kälteste ist, die jenige, die am weitesten vom Erdboden entfernt ist, vas deren Wärmeisolierung erleichert.
Man hat jedoch überraschend festgestellt, daß die Zirkulation des Gases und der Kühlflüssigkeit während des Siedens im ansteigenden Sinne zu besseren Austauschkoeffizienten führt als wenn die Zirkulation im absteigenden Sinne erfolgt.
Man kann glauben, daß dieses Phänomen auf die Tatsache zurückzuführen wäre, daß der Strom aufsteigenden Gases Pltlaelgkeitetröpfchen bei seiner aufsteigenden Bewegung mitreißt und ein intensiveres Durchrühren dieser Tröpfchen mit de« (tee hervorruft .
Die·· letztgenannte Lösung hat jedoch den Nachteil, 4Uft sie eine ertt^re flaeaene· erfordert, vm Ale Ktthlflüesigkeit«tröpfchen mlteureifen, ohne aber darum die Torteile der abettigendtn Zirkulation aufzuweisen.
Werden aber die kältesten flüssigen Fraktionen des Kühlfuide, die In die Austauecherkolonne eingespritzt werden, etärk uifer-
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kühlt, so ist die Gasmenge, die im Augenblick ihres Einspritzen in den jeweiligen Wärmeauntauscher gebildet wird, zu gering, um dieses Mitreißen sicherzustellen. Dies ist der Pail, wenn eine starke Unterkühlung dee Kältemittels notwendig iet, um sehr niedrige Temperaturen zu erreichen, die unerläßlich für die vollständige Verflüssigung des zu verflüssigenden Gases sind.
Un diesem Nachteil abzuhelfen, kann man daran denken, eine Gashilfszirkulation einzurichten, die In der kältesten Zone der Austauscherkolonne, d.h. dem tiefen Teil, für das gewünschte Mitreißen sorgt. Eine solche Auebildung führt jedoch dasu, In beachtlicher Welse die Torrichtung sowie den Betrieb der Anordnung su verkomplizieren.
Brfindungegeeäß wird das Problem, welches sich infolge des Mitreißene der Kältemitteltröpfchen stellt, In einfacher und wirksamer Weise gelöst« Indem eine zufriedenstellende Värmeisolation der Austaueeherζone bei der niedrigsten Temperatur garantiert wird.
Die Vorrichtung nach der Erfindung zur Kühlung und Verflüssigung von Gasgemischen mittels eines Kältemittels mit mehreren Komponenten umfaßt einen Gaskompressor, mehrere Behälter zur Trennung του das und flüssigkeit und swei Reihen von Gegen- βtromvärmeaustaueehern, wobei eine der Austauscherreihen aas« dient, aufeinanderfolgend irüktlonsweise bei immer tieferen Temperaturen das Kältemittel eu verflüssigen, das turn Iuiiltii und Verflüssigen des Qaegevisoaee in der anderen Auetauaeherreihe Verwendung findet· Diese Torrichtung zeichnet eich la übrigen dadurch aus, OaB in wenigstens einer 4·* Austausoherreihen die beiden bei den tiefsten Temperaturen arattenden Austauscher wenigstens in eine einsige Anordattfl« susammtengefaftt sind, wo die iirkulation des Kälte mittels -von oben naoh unten erfolgt, während in dee oder den
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anderen Austaueehern die Zirkulation des Kältemittels in entgegengesetzter Richtung vor sich geht.
Sank dieser Ausbildung werden die Vorteile aufgrund der Berieselung und der Wärmeisolation in der Anordnung, die bei den tiefsten Temperaturen arbeitet, beibehalten und der Austausohkoeffisient in den bei den höchsten !Temperaturen arbeitenden Zonen wird verbessert.
Sie Erfindung soll nun anhand der beillegenden Zeichnung näher erläutert werden, die schematisch ein Ausführungsbeiepiel für eine Yerflüsslgungevorrichtung von Gasgemischen nach der Erfindung zeigt.
Die dargestellte Verflüsslgungsvorrlchtung uafafit einen Ko·- pressor 1, in dem ein Kältemittel mit mehreren Komponenten komprimiert wird; aowle einen Kondensator 2, in dem das komprimierte Fluid teilweise kondensiert wird, um In einen Behälter 3 geleitet zu werden, wo die Flüssigkeit β- und Dampfphasen getrennt werden* Der Dampf wird in einen Kälteaustauscher 4 gegeben, während das L1 bezeichnete Kondensat sum einen Teil zum Kopf des Austauscher» 4 und zum anderen Teil in die zentrale Zone einer Verfltissigkungskolonne 5 geschickt wird, die eine einzige Austauscheranordnung bildet. Die Flüssigkeit L1 wird in diese Kolonne in aufsteigender Richtung durch einen EInspltzkopf 6 eingespritzt. Ein Heitll 7 ermöglicht es, die Menge dieser Flüssigkeit am Eintritt in die Kolonne 5 zu regeln, während ein Ventil 8 die zum Austauscher 4 gehende IKissigkeitemenge regelt.
Das atu rerflüsslgende Gasgemisch, welches in die Kolonne 5 Über den oberen Teil eintritt, wird in einer ersten Austauechzone, dieser Kolonne gekühlt, die ein Austauscherrohr 9 umfaBt, welches das Gasgemisch durchsetzt.
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Das teilweise Im Austauscher 4 kondensierte Kältemittel wird In einen Bebälter 10 geleitet, In dem die flüssigen und dampfförmigen Phasen dieses . . fluids getrennt werden. Die aus dt» Auetaueeher 4- an der Basla auetretenden Dämpfe werden sum Kompressor 1 zurückgeschickt.
Die In dem Behälter 10 enthaltene Flüssigkeit L2 wird einerseits zum Kopf eines Wärmeaustauschers 11 (frans·: Kälteaustauscher) indem der aus dem Behälter 10 austretende Dampf teilweise kondensiert wird und andererseits bus Basis der Verflttesigkungekolonne 5 geleitet, wo sie in aufsteigender Richtung durch einen Einepritzkopf 12 elngespritftt wird, um noch das ein Austauscherrohr 13 in einer «weiten Auetauschersone durchsetzende Gasgemisch zu kühlen. Ventile bsw·. Sehleber 14 und 15 ermöglichen es, die flüsslgkeitsmenge 1*2 bei Eintritt In die Kolonne 5 bzw. in den Austauscher 11 zu regeln. Die aus dem Austauscher 11 an seiner Basis auetretenden Dampfe werden gemeinsam mit der Flüssigkeit L1 In den Kopf des Austauschers 4 eingeführt*
Das Im Austauseher 11 teilweise kondensierte Kältemittel wird in einen Behälter bew. ein GefäB 16 geleitet, in dem die flüssigen und dampfförmigen Phasen dieses Fluide getrennt werden.
Die im Behälter 16 enthaltende flüssigkeit wird bum einen Teil sum Kopf des Värmeaus taue obers 17, In dem der aus dem Behälter 16 austretende Dampf völlig kondensiert und sum anderen fell in die sentrale Zone einer VerflussIg-ungskolonne 18 gleitet, die eine andere einheitliche Austauscheranordnung bildet· Die Flüssigkeit It 3 wird in diese Kolonne in absteigender Richtung durch einen Slneprltskopf 19 elngespritst, die aus dem Austauscher 17 austretende flüssigkeit 14 wird am Kopf dieser Kolonne ebenfalls in abstelgenderRichtung durch einen EInspritskopf 20 elngespritst. Das su verflüssigende gasförmige
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Gemlsoh, welches aus der Kolonne 5 in die Kolonne 18 gegeben wird, durchsetzt die Wärmeauetauscherrohre 21, 22, welche in der Kolonne 18 die beiden Austauscherzonen Mit den niedrigsten Temperaturen definieren. Pas verflüssigte gasförmige Geilsch tritt aus der Kolonne 18 aus, um zu Lagerbehältern geleitet zu werden; sein Durchsatz wird duroh ein Tent11 oder einen Sohieber 23 geregelt. Das im gasförmigen Zustand befindliche Kältemittel, das von oben nach unten in der Kolonne 18 zirkuliert, wird alt der restlichen Kältemittelflüssigkeit vermittele einer Leitung 24 aufgenommen und an ter Basis der Kolonne 5 eingeführt. Der aus der Kolonne 18 austretende Gasstrom 1st dann ausreichend groß um in der Kolonne 5 das Mitreißen in aufsteigender Richtung der Tröpfchen der reetlichen Kältemittelflüesigkeit sicherzustellen, die sowohl aus der Kolonne 18, wie aus der Kolonne 5 stammt·
Ventile 25» 26 ermöglichen es, den Durchsatz der. Kühlflüeelgkeiten L3 bzw. L4 am Eintritt in die Kolonne 18 zu regeln und ein Ventil 27 regelt den Durchsatz der flüssigkeit L3 am Eintritt in den Wärmeaustauscher 17.
Die aus dem Wärmeaustauscher 17 an der Basis auetretenden Dämpfe werden gemeinsam mit der Flüssigkeit L2 sram Kopf dee Wärmeaustauschers 11 geführt.
Außer den vorher beschriebenen Vorteilen, die auf der Trennung der beiden Verflüsalgungswärmeauetausohergruppen 5 und 18 beruhen, ermöglicht es die erflndungsgemäfie Ausführungeform in beachtlicher Weise das Ingangsetzen der Vorrichtung iu vereinfachen. Um in der Leitung 24 nämlich eine Gaemenge benachbart de« minimalen Durchsatz zu erhalten, der für einen lormalbetrieb notwendig ist, genügt es, zunächst die Plüssigkelten L4 und L3 , einzuspritzen; die Ventile 7 und 14 bleiben geschlossen. Sobald; diese Menge erreicht ist, kann «an die Flüssigkeiten LI und L2 einspritzen; die aufsteigende Bewegung der Kühlflüsslgkeits-
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tröpfchen in der Kolonne 5 wird so vom Gasstrom sichergestellt. Hierdurch fällt die Notwendigkeit fort, sekundäre Gaszirkulationen beim Anfahren zu benutzen.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellte AuafÜhrungeform beschrieben.
Die gleiche Ausbildung kann für die kihlenden Wärmeaustauscher benutzt werden, die zur Verflüssigung des Kältemittels in aufeinanderfolgenden Fraktionen dienen, im übrigen können die Kolonnen 5 und 18 durch einzelne gesonderte Wärmeaustauscher ersetzt werden, in denen die Zirkulation des Kältemittels in aufsteigender Richtung vor sich geht. Im ttrigen kann die Zahl der kühlenden Wärmeaustauscher und der Verflttssigungswärmeaustauscher variabel sein, sei es, daß diese nun einzeln oder integriert in Form von Austauscteerkolonnen vorgesehen sind, wenn man die Zusammensetzung des Kältemittels und des zu verflüssigenden gasförmigen Gemisches berücksicht.
Patentansprüche
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Claims (3)

  1. 2055020
    Patentansprüche
    Vorrichtung zur Kühlung und Verflüssigung von Gasgemischen mittels eines Kältemittels mit mehreren Komponenten mit einem Gaskorapressor, mehreren Behältern zur Trennung zwischen Gas und nÜBsigkeit und zwei Reihen von Gegenstromwänaeaustauschern, wobei das Kältemittel durch aufeinanderfolgende Fraktionen bei immer tieferen Temperaturen in einer der WärmeaustauscherieLhen verflüssiger ist und henutzbar. ist um das gasförmige Gemisch in der anderen Wärmeaustauscherreihe zu kühlen und zu verflüssigen, dadurch gekennzeichnet, daß in wenigstens einer der Wanneaustauscherreihen ein Teil der Wärmeaustauscher aber wenigstens die, die "bei den beiden niedrigsten Temperaturen arbeiten, mit Einrichtungen ausgestattet 3ind, die für die Zirkulation des Kältemittels von oben nach unten sorgen; und daß die übrigen Wärmeaustauscher an ihrem unteren Teil mit Kältemitteleinspritzeinrichtungen, die für dessen Zirkulation von unten nach oben sorgen, versehen sind,
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, mit vier Austauschern zur Verflüssigung des gasförmigen Gemisches* dadurch gekennzeichnet, daß diese Auatauscher in zwei einheitlichen Anordnungen mit jeweils zwei Austauschern angeordnet sind.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Austauscheranordnungen in Form von miteinander an ihrer Basis verbundenen Kolonnen ausgebildet sind.
    10983Λ/1008
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