DE2056020C3 - Einrichtung zur Kühlung und Verflüssigung eines Gasgemisches durch ein Mehrkomponentenkältemittel - Google Patents

Einrichtung zur Kühlung und Verflüssigung eines Gasgemisches durch ein Mehrkomponentenkältemittel

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung und Verflüssigung eines Gasgemisches durch ein Mehrkomponentenkältemittel, mit einem Kältemittelkompressor und einer ersten Reihe von Wärmetauschern, in denen das Kältemittel im Gegenstrom zu bereits verflüssigtem Kältemittel gekühlt und verflüssigt wird und jedem Wärmetauscher Abscheider zur Trennung von gasförmigem und flüssigem Kältemittel nachgeschaltet sind, sowie einer zweiten Reihe von Wärmetauschern zur stufenweisen Kühlung und Verflüssigung des Gasgemisches durch verflüssigtes Kältemittel im Gegenstrom, wobei bei einem Teil der Wärmetauscher, zumindest bei den Wärmetauschern, die bei den beiden niedrigsten Temperaturen arbeiten, Einrichtungen zur Kältemittelströmung von oben nach unten vorgesehen sind.
Eine solche Einrichtung ist aus der FR-PS 1516728 bekannt.
Bei der bekannten Einrichtung erfolgt die Kältemittelströmung in den Wärmeaustauschern, die nicht bei den niedrigsten Temperaturen arbeiten, von oben nach unten.
Eine Einrichtung der eingangs genannten Art soll so weitergebildet werden, daß sie auch beispielsweise auf Spezialschiffen mit Erfolg arbeiten kann, wobei insbesondere der Energieverbrauch vermindert werden soll: Kontinuierlich soll eine vollständige oder teilweise Verflüssigung - gegebenenfalls mit Unterkühlung der so erhaltenen Flüssigkeit - von Gasgemischen erreicht werden, deren kritische Temperatur unter Umgebungstemperatur liegt.
Allgemein betrifft die Erfindung die Behandlung von Gasgemischen variabler und unterschiedlicher
ίο Zusammensetzung, bei denen einerseits die Anlage eine große Flexibilität bieten muß, bei denen andererseits die Investitions- und Betriebskosten niedrig liegen sollen. Hier ist besonders an die Verflüssigung von Erdgas zu denken, welches aus Lagerstätten gewonnen wird, die durch große Wasserflächen von den Verbrauchsstätten getrennt sind, was den Transport über Pipelines praktisch ausschließt. Eingesetzt werden hier im allgemeinen Spezialschiffe, auf denen das Gas in flüssiger Form bei seiner Siedetemperatur unter einem Druck transportiert wird, der nur wenig über dem atmosphärischen Druck liegt: Die Verdampfung eines Teils der Flüssigkeit setzt Kälte frei, die notwendig ist, um den Kältezustand der Fracht aufrechtzuerhalten, wobei das so verdampfte Gas benutzt werden kann, die Antriebsmaschinen des Schiffes zu treiben. Mehrere Temperaturstufen werden zur Kühlung eingesetzt, um den Energieverbrauch zu vermindern.
Die Verflüssigung von Gasgemischen, deren Zusammensetzung von einer Periode zur nächsten variieren kann, soll unter Bedingungen durchgeführt werden, die nahe dem Optimum liegen, und zwar bei einem ziemlich großen Schwankungsbereich der Zusammensetzung. Die Verflüssigung der Gasgemische soll im Gegenstrom mit einem Kühlfluid ermöglicht werden, dessen Zusammensetzung an mehreren Stellen des Kühlkreislaufs variiert, wobei das Kühlfluid selbst bei der Verdichtung ein Gasgemisch ist - jedoch unterschiedlich zu dem zu verflüssigenden Gemisch - und in einem Kreislauf umläuft, während das zu verflüssigende Gas nur ein einziges Mal die Austauscher durchströmt.
Gelöst wird diese komplexe Aufgabe überraschend dadurch, daß eine Einrichtung zur Kühlung und Verflüssigung eines Gasgemisches durch ein Mehrkomponentenkältemittel der eingangs genannten Art so weitergebildet wird, daß bei dem anderen Teil der Wärmeaustauscher die Wärmeaustauscher Kältemitteleinspritzeinrichtungen für eine Kältemittelströmung von unten nach oben aufweisen.
Beispielsweise kann Erdgas kontinuierlich gekühlt und unter einem beliebigen Druck kondensiert werden, wobei die Unterkühlung im flüssigen Zustand, bis in die Nähe seiner Siedetemperatur bei atmosphärischem Druck durch indirekten Austausch von Wärme im Gegenstrom zwischen dem Erdgas und den Fraktionen eines Kühlfluids vorgenommen wird. Dieses besteht hauptsächlich beispielsweise aus Methan, Äthan, Propan, Butanen und Pentanen, kann aber auch geringe Mengen flüchtigerer Stoffe wie Stickstoff und Helium und weniger flüchtige wie Hexane, Heptane und Oktane enthalten.
Vorzugsweise sind Wärmeaustauscher zur Verflüssigung des Gasgemisches mit gleicher Strömungsrich-
tung zu jeweils einer Kolonne zusammengefaßt.
Zweckmäßig geht man so vor, daß die Kolonnen mit den zugehörigen Wärmeaustauschern an ihrer Basis miteinander verbunden sind.
1,8 Volumen % 87,0 Volumen% 7,3 Volumen% 2,5 Volumen % 1,2 Volumen%
0,2 Volumen %
Das Gasgemisch kann beispielsweise die folgende Zusammensetzung aufweisen und unter einem absoluten Druck von zum Beispiel 39 bar zur Verfügung stehen:
Stickstoff:
Methan:
Äthan:
Propan:
Butane:
Pentane und weniger
flüchtiger Stoffe:
Die Maßnahme nach der Erfindung nutzt das Phänomen aus, daß die Zirkulation des Gasgemisches und der Kühlflüssigkeit während des Siedens im ansteigenden Sinne zu besseren Austauschkoeffizienten führt, als wenn die Zirkulation im absteigenden Sinne erfolgt.
Durch die Maßnahme nach der Erfindung wird zusätzlich auch das Problem, daß Kältemitteltröpfchen mitgerissen werden, wirksam gelöst, und trotzdem eine ausreichende Wärmeisolation der Austauscherzone bei der niedrigsten Temperatur garantiert.
Die Erfindung soll nun anhand der Zeichnung näher erläutert werden, die schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Verflüssigungsvorrichtung von Gasgemischen nach der Erfindung zeigt.
Die dargestellte Verflüssigungseinrichtung umfaßt einen Kältemittelkompressor 1, in dem ein Mehrkomponentenkältemittel komprimiert wird; sowie einen Kondensator 2, in dem das komprimierte Fluid teilweise kondensiert wird, um in einen Abscheide! 3 geleitet zu werden, in dem Flüssigkeits- und Dampfphase getrennt werden. Der Dampf wird in einen Kälteaustauscher 4 gegeben, während das mit L1 bezeichnete Kondensat zum einen Teil zum Kopf des Austauschers 4 und zum anderen Teil in die zentrale Zone einer als Verflüssigungskolonne ausgebildeten Wärmeaustauscheranordnung 5 geschickt wird. Die Flüssigkeit L1 wird in diese Kolonne in aufsteigender Richtung durch einen Einspritzkopf 6 eingespritzt. Ein Ventil 7 ermöglicht es, die Menge dieser Flüssigkeit am Eintritt in die Kolonne S zu regeln, während ein Ventil 8 die zum Austauscher 4 gehende Flüssigkeitsmenge regelt.
Das zu verflüssigende Gasgemisch, welches in die Kolonne 5 über den oberen Teil eintritt, wird in einer ersten Austauschzone dieser Kolonne gekühlt, die ein vom Gemisch dvrchströmtes Austauscherrohr 9 umfaßt.
Das im Austauscher 4 teilweise kondensierte Kältemittel wird in einen Abscheider 10 geleitet, in dem die flüssige und die dampfförmige Phase dieses Fluids voneinander getrennt werden. Die aus dem Austauscher 4 an der Basis austretenden Dämpfe weiden zum Kompressor 1 zurückgeschickt.
Die in dem Abscheider 10 enthaltene Flüssigkeit L2 wird einerseits zum Kopf eines Wärmeaustauschers 11, in dem der aus dem Abscheider 10 austretende Dampf teilweise kondensiert wird, und andererseits zur Basis der Verflüssigungskolonne 5 geleitet, wo sie in aufsteigender Richtung durch einen Einspritzkopf
12 eingespritzt wird, um noch das ein Austauschrohr
13 in einer zweiten Austauscherzone durchströmende Gasgemisch zu kühlen. Ventile bzw. Schieber 14 und 15 ermöglichen es, die Flüssigkeitsmenge L2 bei Eintritt in die Kolonne 5 bzw. in den Austauscher 11 zu regeln. Die aus dem Austauscher 11 an seiner Basis austretenden Dämpfe werden gemeinsam mit der Flüssigkeit L1 in den Kopf des Austauschers 4 eingeführt.
Das im Austauscher 11 teilweise kondensierte Kältemittel wird in einen Abscheider 16 geleitei, in dem die flüssige und dampfförmige Phase des Fluids getrennt werden.
Die im Abscheider 16 enthaltene Flüssigkeit wird zum einen Teil zum Kopf des Wärmeaurtauschers 17,
ίο in dem der aus dem Abscheider 16 austretende Dampf völlig kondensiert wird, und zum anderen Teil in die Mitte einer als Verflüssigungskolonne betriebenen Wärmeaustauscheranordnung 18 geleitet. Die Flüssigkeit L3 wird in die Kolonne 18 in absteigender
Richtung durch einen Einspritzkopf 19 eingespritzt. Die aus dem Austauscher 17 austretende Flüssigkeit L4 wird am Kopf dieser Kolonne ebenfalls in absteigender Richtung durch einen Einspritzkopf 20 eingespritzt. Das zu verflüssigende gasförmige Gemisch,
welches aus der Verflüssigungskolonne 5 in die Verflüssigungskolonne 18 gegeben wird, durchströmt die Wärmeaustauscherrohre 21, 22. welche in der Kolonne 18 die beiden Austauscher/onen mit den niedrigsten Temperaturen darstellen. Das verflüssigte
Gasgemisch tritt aus der Kolonne 18 aus, um zu Lagerbehältern geleitet zu werden; der Durchsatz wird durch ein Ventil oder einen Schieber 23 geregelt. Das im gasförmigen Zustand befindliche Kältemittel, das von oben nach unten in der Verflüssigungskolonne 18 zirkuliert, wird mit der restlichen Kältemittelflüssigkeit mit einer Leitung 24 aufgenommen und an der Basis der Verflüssigungskolonne 5 eingeführt. Der aus der Verflüssigungskolonne 18 übertretende Gasstrom ist dabei ausreichend groß, um in der Verflüssigungskolonne 5 in aufsteigender Richtung das Mitreißen der Tröpfchen der restlichen Kältemittelflüssigkeit sicherzustellen, die sowohl aus der Verflüssigungskolonne 18 wie aus der Verflüssigungskolonne 5 stammt.
Ventile 25 bzw. 26 ermöglichen es, den Durchsatz der Kühlflüssigkeiten L3 bzw. L4 am Eintritt in die Verflüssigungskolonne 18 zu regeln; ein Ventil 27 regelt den Durchsatz der Flüssigkeit Lj am Eintritt in den Wärmeaustauscher 17.
Die an der Basis des Wärmeaustauschers 17 austretenden Dämpfe werden gemeinsam mit der Flüssigkeit L2 zum Kopf des Wärmeaustauschers 11 geführt.
Außer der Trennung der beiden Kolonnen 5 und
so 18 und damit der geringeren Flächenbelastung, z. B. auf Schiffen, ermöglicht es die erfindungsgemäße Ausführungsform, das Ingangsetzen der Vorrichtung zu vereinfachen. Um in der Leitung 24 nämlich eine Gasmenge in der Nähe des minimalen Durchsatzes
zu erhalten, der für einen Normalbetrieb notwendig ist, genügt es, zunächst die Flüssigkeiten L4 und Ly einzuspritzen; die Ventile 7 und 14 bleiben geschlossen. Sobald diese Menge erreicht ist, kann man die Flüssigkeiten L, und L2 einspritzen; die aufsteigende
Bewegung der Kühlflüssigkeitströpfchen in der Verflüssigungskolonne 5 wird so vom Gasstrom sichergestellt. Hierdurch fällt die Notwendigkeit fort, Gashilfskreisläufe beim Anfahren zu benutzen.
Die Ausbildung der Kolonnen für das zu verflüssi-
gend° Gasgemisch kann auch für die Kältemittel-Wärmeaustauscher benutzt werden, die zur Verflüssigung des Kältemittels in aufeinanderfolgenden Fraktionen dienen. Im übrigen können die Verflüssi-
gungskolonnen 5 und 18 durch einzelne gesonderte Wärmeaustauscher ersetzt werden, in denen die Zirkulation des Kältemittels in aufsteigender Richtung vor sich geht. Die Zahl der Kältemittel-Wärmeaustauscher und der Verflüssigungswärmeaustauscher
kann variabel sein, wobei diese einzeln oder integriert in Form von Austauscherkolonnen vorgesehen sind, wodurch die Zusammensetzung des Kältemittels und des zu verflüssigenden gasförmigen Gemisches berücksichtigt wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Einrichtung zur Kühlung und Verflüssigung eines Gasgemisches durch ein Mehrkomponentenkältemittel, mit einem Kältemittelkompressor und einer ersten Reihe von Wärmetauschern, in denen das Kältemittel irn Gegenstrom zu bereits verflüssigtem Kältemittel gekühlt und verflüssigt wird und jedem Wärmetauscher Abscheider zur Trennung von gasförmigem und flüssigem Kältemittel nachgeschaltet sind, sowie einer zweiten Reihe von Wärmetauschern zur stufenweisen Kühlung und Verflüssigung des Gasgemisches durch verflüssigtes Kältemittel im Gegenstrom, wobei bei einem Teil der Wärmetauscher, zumindest bei den Wärmetauschern, die bei den beiden niedrigsten Temperaturen arbeiten, Einrichtungen zur Kältemittelströmung von oben nach unten vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem anderen Teil der Wärmetauscher die Wärmetauscher Kältemitteleinspritzeinrichtungen für eine Kältemittelströmung von unten nach oben aufweisen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit vier Wärmetauschern zur Verflüssigung des Gasgemisches, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscher zur Verflüssigung des Gasgemisches mit gleicher Strömungsrichtung zu jeweils einer Kolonne zusammengefaßt sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolonnen mit den zugehörigen Wärmetauschern an ihrer Basis miteinander verbunden sind.
DE2056020A 1970-02-12 1970-11-13 Einrichtung zur Kühlung und Verflüssigung eines Gasgemisches durch ein Mehrkomponentenkältemittel Expired DE2056020C3 (de)

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