DE2126561C2

DE2126561C2 - Verfahren zum Verflüssigen von Naturgas

Info

Publication number: DE2126561C2
Application number: DE19712126561
Authority: DE
Inventors: Leonard Kenneth Kansas City Mo. Swenson
Original assignee: PRITCHARD CORP WILMINGTON DEL US; Kobe Steel Ltd; Pritchard Corp Wilmington Del
Current assignee: Pritchard Corp Wilmington Del Us Kabushik
Priority date: 1971-01-14
Filing date: 1971-05-28
Publication date: 1983-04-28
Also published as: JPS5440764B1; NL7104855A; ES390231A1; GB1323831A; NL171624B; NL171624C; CA925786A; FR2121490A1; ES417576A1; DE2126561A1; AU461897B2; FR2121490B1; AU3744971A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen von Naturgas durch Abkühlen auf ^ine mindestens lire tiefere Temperatur durch indirekten Wärmeentzug mit gemischten Kühlmitteln unterschiedlicher Siedepunkte, wobei die Kühlmittel in geschlossenem Kühlmittelkreislauf bei gleichbleibender Zusammensetzung in einem Kompressor verdichtet, anschließend In einem Kühlmittelwärmetauscher gekühlt, In einem von dem Naturgas durchströmten Produktwärmetauscher In einem ersten Durchgang Im Gleichstrom mit dem Naturgas im wesentlichen kondensiert, nach Verlassen des Produktwärmetauschers In einer Entspannungseinrichtung entspannt, in einem zweiten Durchgang im Gegenstrom zum ersten Durchgang und zum Naturgas in dem Produktwärmetauscher vollständig verdampft und wieder dem Kompressor zugeleitet werden, wobei die Kühlmlttel Im Kühlmittelwärmetauscher nur teilweise kondensieren und als Flüssigkelts-Gas-Gemisch dem Produktwärmetauscher zugeführt werden.

In der GB-PS 8 95 094 Ist ein Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas beschrieben, das zwei Kühlkreisläufe enthält, wobei der zweite Kühlkreislauf zur Unterkühlung des Im ersten Kühlkreislauf unter Druck verflüssigkeiten Erdgases dient. Die Temperaturerniedrigung durch einen einzigen Kühlkreislauf reicht nicht aus, um das Gas bei Umgebungsdruck flüssig zu erhalten.

Der Kühlmlttelzyklus läßt nicht nur die Verwendung einer Anlage mit geringstem Aufwand zu, sondern vereinfacht auch die Steuerung.

65 Zum Verflüssigen von Naturgas auf Temperaturen von Hl⁰C bis 166⁰C unterhalb der Ausgangstemperatur wurden bereits wettere Verfahren vorgeschlagen und einige wirtschaftlich verwendet, wobei eine Anzahl von getrennten Kühleinheiten werwendet wurde, üblicherweise als Kaskadensystem, wobei das Produkt, welches gekühlt werden soll, aufeinanderfolgend eine Reihe von Wärmetauschern mit einem Kühlmedium passiert, welches mit zunehmend niedrigerer Temperatur durch die Wärmetauscher zirkuliert.

So ist z. B. in der GB-PS 11 84 854 ein Kaskadenkühlsystem beschrieben, in dem das Kühlmittel nach der teilweisen Kondensation im Kühlmittelwärmetauscher als Flüsslgkelts-Gas-Gemisch dem Produktwärmetauscher zugeführt wird.

Kaskadenkühlsysteme sind vorteilhaft, da das Kühlmittel, welches im höchsten Temperaturbereich arbeitet, gegen Wasser kondensiert werden kann, während die anderen Kühlmittel In der Folge gegen Kühlmittelströme mit höherem Siedepunkt kondensiert werden.

Sie erfordern jsdoch relativ hohe Investitionen für die Anlage, und die Steuerung einer derartigen Anlage ist aufwendig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das bekannte Kaskadenkühlmittelsystem zur Verflüssigung von Naturgas zu verbessern und zu vereinfachen.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Verflüssigung des Naturgases mittels eines einzigen Kühlmittelkreislaufes erfolgt, wobei die Erwärmungskurve des im zweiten Durchgang fließenden Kühlmittels dicht an die sich aus den jeweiligen Abkühlkurven von Kühlmittel und Naturgas ergebende kombinierte Abkühlkurve angepaßt ist.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, daß nicht nur die Leistungserfordernisse der Kompressionsstufe der Kühlmittelschleife, sondern auch die räumliche Abmessung des einzelnen Wärmetauschers verringert werden kann.

Das gemischte Kühlmittel besteht aus einer Mischung von Kohlenwasserstoffen und wahlweise einer Stickstoffmenge, wodurch die Kosten für das Kühlmittel verringert werden, eine leichte Erhältlichkeit der Bestandteile der Kühlmittelzusammensetzung sichergestellt ist und eine Zusammensetzung ermöglicht ist, die aus dem Naturgasstrom zum größten Teil erhalten werden kann.

Die Wirksamkeit der Produktkühlung kann dadurch auf ein Maximum gebracht werden, daß die Erwärmungskurve des kalten Kühlmittels, welches durch den Produktwärmetauscher hindurchgeführt wird, bestimmt wird, und dann diese Kurve mit einer kombinierten Kurve des Stromes aus Naturgas und warmem Kühlmittel verglichen wird. Eine möfeHchst wirksame Kühlung des Produkts kann erhalten werden, indem die Erwärmungs- und Abkühlungskurven so dicht aneinander angepaßt werden, daß die Kurven bei den untersten Temperaturpegeln In dichte Nachbarschaft gebracht werden und dann dafür gesorgt wird, daß sie langsam und relativ gleichförmig bei Annäherung an die höchsten Temperaturpunkte divergieren. Ebenso soll bei dem er-1 flndungsgemäßen Verfahren die kombinierte Abkühlkurve des Stromes aus Naturgas und warmem Kühlmit-1 tel durch den Produktwärmetauscher In einem Fall und ι die Erwärmungskurve des kalten Kühlmittelstromes im I anderen Fall in im wesentlichen angepaßte, langsam divergierende Beziehung gebracht werden, Indem einfach I die Menge der jeweiligen Kühlmittel-Bestandteile auf! einer Auswahlbasis erhöht oder verringert wird, wie esl erforderlich sein kann, um den Abstand zu vergrößern,!

wenn die Kurven zu dicht beieinander liegen oder den Abstand zwischen diesen enger zu machen, wenn es erforderlich 1st. Die Bestandteile des gemischten Kühlmittels haben aufeinanderfolgend niedrigere Siedepunkte, so daß durch Hinzufügen oder Entnehmen von Teilen der Bestandteile, welche die obengenannten Abkühl- und Erwärmungskurven beeinflussen, an solchen Punkten, wo die Kurven entweder zu dicht beieinander oder zu weit beabstandet sind, eine langsame und gleichförmige Divergenz von diesen bei Näherung an die oberen Enden der Kurven einfach erreicht und aufrechterhalten werden kann.

Die gemischte Kühlmittelzusammensetzung weist solche Eigenschaften r,uf, daß sie gegen Gefrieren am abschließenden niedrigen Temperaturpegel, der erreicht wird, beständig ist, wobei wenigstens einer der Bestandteile einen Siedepunkt unter dem Punkt hat, auf den das Material abgekühlt werden soll, und wenigstens ein anderer Bestandteil einen Siedepunkt hat, der genügend hoch liegt, um seine Kondensation gegen ein Medium von wenigstens etwa IM⁰C höherer Temperatur als der Temperatur zu ermöglichen, auf der das Material abgekühlt werden soll, und wobei das Kühlmittel in der Lage 1st, eine vollständige Verflüssigung einzugehen und dann zu verdampfen, wenn es gegen sich selbst In einem einzigen Produktwärmetauscher geführt wird, nachdem der Druck zwischen den warmen und kalten Kühlmittelströmen abgesenkt wurde.

Ein Gefrieren von Bestandteilen mit hohem Siedepunkt in dem Naturgas in dem Produktwärmetauscher kann einfach vermieden werden, Indem man das Naturgas von dem Produktwärmetauscher an einem Punkt abzieht, wo die Verflüssigung der hochsiedenden Bestandteile beginnt. Aus dem abgezogenen Material werden dann die Bestandteile entfernt, welche bei der endgültigen Temperatur gefrieren würden, auf die das Naturgas innerhalb des Produktwärmetauschers gebracht wird.

Der Produktwärmetauscher liegt Im wesentlichen in horizontaler Anordnung, so daß dort eine gleiche Verteilung von Flüssigkelten und Dämpfen über die Breite des Austauschers vorliegt, wobei alle Oberflächen während des Betriebs der Anlage kontinuierlich in Benutzung sind.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Flg. la und Ib In Kombination schematisch eine Anlage, die zum Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann,

Flg. 2 eine graphische Darstellung der Kühlkurve für ein Naturgas, welches In der Einrichtung nach FI g. 1 a und 1 b verflüssigt werden kann, und

Flg. 3 eine graphische Darstellung der Wärmekurve des kalten gemischten Kühlmittels, welches von rechts nach links in dem Produktwärmetauscher der 'n Fl g. 1 a dargestellten Kühlanlage strömt, verglichen mit der Abkühlkurve des warmen Kühlmitteis und des Naturgasstromes, der von links nach rechts in dem Produktwärmetauscher nach Fig. 1 a strömt.

In den Flg. 1 a und 1 b 1st die Anlage 10 zur Durchführung des Verfahrens dargestellt. Die Hauptkomponenten der Anlage 10 bilden eine Kühlanlage mit geschlossenem Kühlmittelkreislauf 12 für gemischtes Kühlmittel, eine Speichereinheit 14 für das abgekühlte Produkt und eine Fraktioniereinheit 16 zum Entfernen des schwersiedenden Anteils aus dem Zufuhrstrom des Naturgases, bevor diese Produkte In dem Produktwärmetauscher des Kühlsystems 12 gefrieren können.

Obgleich die Anlage 10 für das Abkühlen verschiedener Arten von flüssigen und gasförmigen Materialien über einen Temperaturbereich geeignet ist, der über etwa 166⁰C hinausgeht, soll zur Vereinfachung der Beschreibung des Verfahrens angenommen werden, daß die Anlage 10 für die Verflüssigung eines trockenen natürlichen Gases angepaßt ist, das hauptsächlich Methan, jedoch auch geringere Mengen an Stickstoff und C₂- bis Cg-Kohlenwasserstoffen enthält. Die genaue Zusammensetzung eines typischen Naturgases, das einer Verflüssigung bedarf, wird nachstehend in der Beschreibung eines normalen Betriebszyklus der Anlage 10 im einzelnen angegeben.

Der geschlossene Kühlmittelkreislauf 12 enthält ein einziges gemischtes Kühlmittel. Aus der F i g. 1 a ist zu ersehen, daß der Ausgang von dem Kühlmittelkompressor 18 zu dem Kühlmittelwärmetauscher 20 über eine Leitung 22 geführt wird, um das Kühlmittel mit dem Kühlwasser zu kühlen, welches durch die Wasserversorgung- und Rückführungsleitung 23 strömt. Aus dem Kühl mittel wärmetauscher 20 wird die gemischte Kühlmittelzusammensetzung in eine horizontale Kühlmitteltrommel 24 über eine Leitung 26 eingeführt. Eine Anzahl von verschiedenen Arten von Wärmetauschern können verwendet werden, um das Verfahren auszuführen, die besten Ergebnisse wurden jedoch mit einem minimalen Leistungsverbrauch der Anlage erhalten, wenn ein Wärmetauscher aus gelötetem Metall (beispielsweise Aluminium) in dem Kühlsystem 12 benutzt wird.

Bevorzugt wird ein einziger Produktwärmetauscher 30 verwendet, die Wärmeaustauschzone der Kühlschleife kann aber alternativ auch aus einer Anzahl von Wärmetauschern In Reihe oder einer Anzahl von Wärmetauschern in Parallelschaltung aufgebaut sein. Eine Dampfleitung 32 dient zur Verbindung des oberen Teils der Trommel 24 mit Einlassen 28 de:s Produktwärmetauschers 30 für gemischten Dampf und Flüssigkeit. Eine Flüssigkeitsleitung 34 erstreckt sich von dem Bodenteil der Kühlmttteltrommel 24 und führt zu einem Einlaß 28 des Produktwärmetauschers 30. Sie. enthält eine Pumpe 36 sowie ein Steuerventil 38 stromab der Pumpe 36 und gesteuert von einer Pegelsteuereinrichtung 40, die der Kühlmitteltrommel 24 betriebsmäßig zugeordnet Ist.

Das Kühlmittel, bestehend aus der Zusammensetzung von Dampf und Flüssigkeit, die dem Produktwärmetauscher 30 über die Einlasse 28 zugeführt wird, fließt über den Produktwärmetauscher 30 von links nach rechts, wie In Fl g. la angedeutet, entlang eines mit 42 bezeichneten ersten Durchgangs, der wiederum direkt mit einer U-förmigen Leitung 44 in Verbindung steht, welche eine Entspannungseinrichtung 46 aufweist. Das Kühlmittel, welches von der Entspannungseinrichtung 46 ausgeht, fließt Im Gegenstrom zurück durch den Produktwärmetauscher 30 entgegen dem ersten Durchgang 42 entlang eines In der Zeichnung von rechts nach links führenden zweiten Durchgangs 48. Der Ausfluß von dem zweiten Durchgang 48 über den Produktwärmetauscher 30 wird über eine Leitung 52 zu einer Kühlmittelsaustrommel 50 gefördert. Die Flüssigkeit, welche In der Saugtrommel 50 gesammelt wird, wird über eine Leitung 54 mit einer Pumpe 56 umgewälzt. Für den Fall, daß die Flüssigkeitsmenge beginnt, sich In der Trommel 50 anzusammeln, kann der Überschuß aus der Leitung 54 über einen Auslaß (nicht dargestellt) abgelassen werden. Eine Flüsslgkeltasteuerelnrichtung für die Trommel 50 kann, wenn erwünscht, vorgesehen sein, um ein übermäßiges Ansammeln von Flüssigkeit im Inneren der Kühlmlttelsaugtrommel zu verhindern. Der obenliegende Dampf

wird aus der Kühlmitteltrommel 50 über eine Leitung 58 zu dem Kompressor 18 geführt. Der Kompressor 18 kann entweder vom Axialflußtyp oder vom Zentrifugaltyp sein.

Der Kompressor 18 wird beispielsweise von einer üblichen Dampfturbine 60 angetrieben, welche mit der Welle des Kompressors 18 wirksam gekoppelt und von Dampf über eine Zufuhrleitung 62 betrieben Ist, welche an die Turbine angeschlossen Ist, während die Rückführungsleitung zurück zu dem Dampfgenerator führt, nachdem der Dampf dem Kühlwasser von der Versorgungs- und Rückführungsleitung 66 ausgesetzt wurde, die mit dem Dampfkondensator 68 verbunden Ist.

Das trockene Naturgas, welches verflüssigt werden soll, wird über eine Leitung 70 zugeführt, welche an die Einlaßdurchlässe 72 des Produktwärmetauschers 30 angeschlossen ist, gleichlaufend zu dem warmen Kühlmittel, welches entlang des ersten Durchgangs 42 läuft, und im Gegenstrom zu der Kühlmittelströmung entlang dem zweiten Durchgang 48 des kalten Kühlmittels.

Während der anfänglichen Strömung des Naturgases durch den Produktwärmetauscher 30 entlang eines Weges 74a wird das Naturgas in einem Maß gekühlt, daß eine Verflüssigung wenigstens eines bestimmten Anteiles der schweren Bestandteile in dem Gas bei dem Druck des zugeführten Produktes erfolgt, worauf der natürliche Gasstrom dann von dem Produktwärmetauscher 30 über eine Leitung 76 abgeführt und einem aufrechten Zufuhrgasfraktlonator 78 zwischen dessen Enden eingeführt wird. Der gasförmige oben befindliche Anteil des Fraktlonators 78 wird über eine Leitung 80 zu dem Produktwärmetauscher 30 zur Strömung entlang eines Weges 74fc zurückgeführt, der wiederum gleichlaufend Ist mit dem warmen Kühlmittelstrom und gegenläufig zu dem kalten Kühlmittelstrom. Der Naturgasstrom wird wiederum von dem Produktwärmetauscher 30 über eine Leitung 82 zu einer Fraktionatorrückflußtrommel 84 abgezweigt. Die Flüssigkeit von der Trommel 84 wird In den oberen Teil des Fraktionators 78 eingeführt, während der gasförmige oben befindliche Anteil von der Fraktionatorrückflußtrommel zum Wärmeaustauscher 30 zurückströmt oder alternativ über eine Versorgungsleitung 94 zu dem Brennstoffgasaustauscher 92, der einen Teil der Speichereinheit 14 bildet.

Der Debutanislerabschnltt der Fraktioniereinheit 16 ist ein fakultatives System, um eine Rückführung von C₄- und darunterliegenden Kohlenwasserstoffen zu dem Naturgasstrom zu ermöglichen und um sicherzustellen, daß nur C₅- und darüberliegende Kohlenwasserstoffe von der Naturgaszufuhr abgetrennt werden.

Der Verflüssigungsweg 74c des Produkt Wärmetauschers 30 ist an eine Flüssigproduktleitung 142 angeschlossen, die ein Entspannungsventil 144 enthält und zu einem Speichertank 146 für verflüssigtes Naturgas führt. Der abdampfende Teil von dem Tank 146 wird vorzugsweise als Brennstoff der Anlage verwendet und wird über den Brennstoffgastauscher 92 sowie den Brennstoffgaskompressor 150 zur Dampfturbine 152 geführt.

Trockenes Naturgas, welches zuvor zur Verflüssigung durch Reinigung von Säuregasen, Wasser und anderen unerwünschten Verunreinigungen vorbereitet wurde, wird durch die Leitung 70 bei einer Temperatur von etwa 3O⁰C und einem Druck von etwa 402 N/cm² zugeführt, und der geschlossene Kühlmittelkreislauf 12 ist in Zusammenwirkung mit der Fraktioniereinheit 16 in der Lage, das Naturgas durch Abkühlen des Stromes auf eine Temperatur von etwa -154° C bei einem Druck von etwa 376 N/cm² während eines einzigen Durchgangs durch den Produktwärmetauscher zu verflüssigen, während zur gleichen Zeit die schweren Bestandteile des Naturgases entfernt werden, die In dem Produktwärmetauscher 30 gefrieren würden. Darüber hinaus können alle außer den C₅- und höheren Kohlenwasserstoffen zu dem Naturgas zur Steuerung des Heizwertes des Produktes, das dem Speichertank 146 zugeliefert wird, zurückgeführt werden Wenn dementsprechend das Naturgas nach dem

Trocknen und Reinigen dem Wärmetauscherweg 74a mit der angegebenen Temperatur und dem angegebenen Druck auf der Leitung 70 von Fig. la zugeführt wird und das Naturgas die folgende Zusammensetzung hat. kann die Verflüssigung mit den Temperatur- und Druck-Parametern, die auf den Figuren der Zeichnung angegeben sind, solange erreicht werden, wie das gemischte Kühlmittel eine Zusammensetzung hat, die angenähert der unten angegebenen entspricht:

Zusammensetzung

Tabelle I Naturgas Mol-% (angenähert)

Tabelle II
Kühlmittel
Mol-% (angenähert)

Helium	0,2
Stickstoff	5,8
Methan	83,2
Athan	7,1
Propan	2^25
Isobutan	0,4
Normalbutan	0.6
Isopentan	0,12
Normalpentan	0,15
Hexan	0,1
C7-Kohlenwasserstoffe
und höher	0,08

Die gemischte Kühlmittelzusammensetzung ist vorzugsweise derart, daß ihre Bestandteile aus der Naturgaszufuhr erhalten werden können und auch bewirken, daß die Abkühlkurve des warmen Kühlmittelstroms entlang des ersten Durchgangs 42 des Produktwärmetauschers 30 kombiniert mit der Abkühlkurve des Naturgasstromes Spuren
10,6
35,6
28.2

3,4

2,1
11,4

0,7
Spuren

Spuren

entlang den Wegen 74a bis 74c dicht an die Erwärmungskurve des kalten Kühlmittels entlang des zweiten Durchgangs 48 des Produktwärmetauschers 30 angepaßt ist, wie in der Fig. 3 der Zeichnung dargestellt. Die Abkühlkurve des Naturgases mit einer Zusammensetzung, wie sie in Tabelle I angegeben ist, sieht wie die in Fig. 2 dar-

gestellte aus. Der Buckel in der Kurve Ist bedingt durch die zusätzliche Wärme, die abgeführt werden muß, um die schwersiedenden Bestandteile des Naturgaszufuhrstromes zu verflüssigen. Um die Kurve zu glätten oder auszustrecken, so daß sie dichter an die Form der Erwärmungskurve der Kühlmittelzusammensetzung angepaßt Ist, sind die Bestandteile und relativen Mengen des gemischten Kühlmittels sorgfältig ausgewählt und gesteuert, so daß eine dichte Anpassung zwischen der Erwärmungskurve des kalten Kühlmittels und der Kurve des heißen Kühlmittels plus Zufuhrstrom vorliegt, wie In FI g. 3 graphisch dargestellt.

Wenn die Menge des Zufuhrgases, welche in Wärmeaustauschbeziehung zu dem kalten entlang des zweiten Durchgangs 48 fließenden Kühlmittelstrom geführt wird, als geringer Bruchteil der Kühlmlttelsirömung aufrechterhalten wird, so neigt die kombinierte Abkühlkurve des Zufuhrgases plus warmen Kühlmittels dazu, die gleiche Gestalt wie die Abkühlkurve des warmen Kühlmittels für dieses bestimmte Kühlmittel anzunehmen. Wenn dann das Kühlmittel Bestandteile hat, die dem Produktstrom, welcher abgekühlt werden soll, gleichen oder ähnlich sind, 1st die Abkühlkurve des warmen Kühlmittelstromes ähnlich der Abkühlkurve des abzukühlenden oder zu verflässlgenden Produktes. Um jedoch die Kurve zu glätten oder auszustrecken, werden die relativen Mengen der Kohlmittelbestandteile erhöht oder verringert, wie es notwendig Ist, um relativ gerade Kurven zu erhalten, die ziemlich gut aneinander passen. Da das Erhalten eines Kühleffektes bei der niedrigsten Temperatur kostspieliger Ist als bei der höchsten Temperatur, wo das Abkühlen beginnt, ist es erwünscht, daß die Kurven in dichter Nachbarschaft an der untersten Temperatur liegen, um eine Temperaturannäherung von etwa 1,1 bis 3,3° C vorzusehen. Dann soll eine allmähliche und relativ gleichförmige Abweichung vorliegen, wenn die höchsten aufgetragenen Tempersturpegel erreicht werden, so daß die Annäherung beim oberen Teil der Abkühl- und Erwärmungskurven in der Größenordnung von 11 ,i bis 22,2° C Hegt. Angesichts der Tatsache, daß die Drücke zwischen dem warmen Kühlmittel- und kalten Kühlmittelstrom variieren, muß berücksichtigt werden, daß ein gemeinsames Verschieben der Abkühlkurven oder ein Auseinanderschieben an einer beliebigen Temperatur eine Erhöhung oder eine Verringerung in bezug auf einen Bestandteil erfordert, dessen Siedepunkte bei den Drilkken an den jeweiligen Seiten der Kühlschleife eine relative Verschiebung der Abkühlkurve bei dem bestimmten Temperaturpegel hervorrufen.

Wenn beispielsweise das zu kühlende Produkt ein trockenes Naturgas ist und die Temperatur dieses Gases auf einen Pegel abgesenkt werden soii, um eine Verflüssigung bei dem Zufuhrdruck zu erreichen, kann der Bereich der Bestandteile eines Kühlmittels, das von dem Naturgas abgeleitet ist, voraussichtlich in die folgenden Bereiche fallen.

Tabelle III
Kühlmittel-Bestandteile

Mol-%

0-12

20-36

20-40

2-12

6-24

2-14

In der zuvor stehenden Tabelle stellt C) Methan dar. C₂ stellt entweder Äthylen oder Äthan und C3 entweder Propylen oder Propan dar. C₄ soll sowohl Isobutan als auch Normalbutan und ungesättigte Kohlenwasserstoffäquivalente umfassen. Ähnlich soll C₅ Isopentan und Normalpentan zusammen mit olefinischen Äquivalenten davon darstellen. Die ausgewählten Kohlenwasserstoffe sollen in Beimischung bei der niedrigsten Temperatur nicht gefrieren, auf die das Kühlmittel in dem Zyklus gebracht wird. In seiner bevorzugten Form soll ein gemischtes Kühlmittel zur Verwendung bei der Verflüssigung von Naturgas In einem einzigen Wärmetauscher die folgenden Molprozentanteile haben: 0-15 für Stickstoff, 20-40 für Methan, 20-36 für Äthan, 2-12 für Propan, 5-16 für Isobutan, 1-8 für Normalbutan, 1,5-16 für Isopentan und 0,5-4 für Normalpentan. Tatsächlich 1st die genaue Kühlmittelzusammensetzung notwendigerweise unterschiedlich in Abhängigkeit von der Natur des zu kühlenden Produktes, wobei darauf geachtet wird, daß eine relativ dichte Anpassung zwischen den Abkühl- und Erwärmungskurven, wie In Fig. 3 dargestellt, erhalten wird. Optimale Ergebnisse werden bei dem niedrigsten Temperaturpegel erhalten, wenn die Kurven am dichtesten liegen und langsam und gleichförmig divergieren, während sie sich höheren aufgetragenen Temperaturen nähern. In allen Fällen sollen starke Störungen oder sehr dichte Abstände der Kurven, wenn möglich, vermieden werden.

Wenn ein Naturgasprodukt der Zusammensetzung entsprechend der Tabelle I abgekühlt werden soll, so ergibt sich aus Tabelle II, daß eine bevorzugte gemischte Kühlmittelzusammensetzung die folgenden Molprozent-Anteile enthalten sollte: etwa 10,6% Stickstoff, 35,6% Methan, 28,2% Äthan, 3,4% Propan, 8% Isobutan, 2,1% n-Butan, 11,4% Isopentan und 0,7% n-Tentan. Darüber hinaus sollte die Strömungsrate des Naturgases oder eines anderen flüssigen oder gasförmigen Produktes, das abgekühlt werden soll, so einreguliert werden, daß die Abgabe des gasförmigen Materials an den Produktwärmetauscher 30 bei etwa 60 bis 110 Mol-% der Menge des kondensierten Kühlmittels Hegt, das den Durchgängen 28 des Produktwärmetauschers 30 zugeführt wird, die den Eingang zu dem ersten Durchgang 42 bilden. Die Leistungserfordernisse des Verfahrens steigen signifikant an, wenn dieser Bereich auf der niedrigsten Seite überschritten wird, und zwar wegen des erhöhten Dampfes, der komprimiert und zurückgeführt werden muß. An der hohen Seite muß ein Kühlmittel mit niedrigerem Temperaturpegel für den Kühlmittelwärmetauscher vorhanden sein als Im Fall des üblichen Kühlwassers.

Entlang des ersten Durchgangs 42 muß eine vollständige Verflüssigung des Kühlmittels sichergestellt sein, gekoppelt mit einer vollständigen Verdampfung des Kühlmittels, welches entlang des zweiten Durchgangs 48 von der Entspannungseinrichtung 46 zu der Trommel 50 fließt. Das Oberflächengebiet des zweiten Durchgangs 48 sollte etwa 64%, das Oberflächengebiet des ersten Durchgangs 42 etwa 35% und das kombinierte Oberflächengebiet der Wege 74a bis 74c etwa 5% des gesamten thermischen Austauschoberflächengebietes des Produktwärmetauschers 30 betragen. Darüber hinaus sollte die Kühlmittelzusammensetzung Bestandteile aufweisen, die nicht frieren, wenn das gesamte Kühlmittel auf seine Verflüssigungstemperatur abgesenkt wird, und wenigstens einige der Bestandteile sollten teilweise flüssig werden, wenn der Druck vermittels der Expansion über die Entspannungseinrichtung 46 abgesenkt wird, oder wenn das Kühlmittel in das Innere des Produktwärmetauschers

30 zur Strömung entlang des zweiten Durchgangs 48 geführt wird. Abschließend Ist eine vollständige Verdampfung der Kühlmittelzusammensetzung entlang des zweiten Durchgangs 48 bevorzugt, so daß das Ansaugen des Kompressors 18 jederzeit während des kontinuierlichen Betriebs der Anlage 10 bei oder nahezu an dem Taupunkt liegt.

Unter normalerweise herrschenden Bedingungen muß die gemischte Kühlmittelzusammensetzung Bestandteile aufweisen, die bei dem Ausgangsdruck von dem Kühlmittelkompressor 18 bei einer Temperatur von mehr als etwa Hl⁰C oberhalb der Verflüssigungstemperatur des Produktes kondensierbar sind. Vorzugswelse wird ein einfach erhältliches, kostensparendes Kondensiermittel, beispielsweise Kühlwasser, verwendet. (Bei dem beispielsweise dargestellten Verfahren ist ein Kühlwasser bei 25⁰C ein typisches Kühlmedium, das in den meisten Fällen erhältlich ist, obwohl zu bemerken ist, daß die Temperatur dieses Kühlwassers von Ort zu Ort notwendigerweise schwankt und daß die Betriebsparameter des Verfahrens dementsprechend eingestellt werden müssen, einschließlich der Veränderung der Zusammensetzung des gemischten Kühlmittels, wenn notwendig.)

Der Anteil des gemischten Kühlmittels, welcher in flüssiger Form in dem Kühlmittelwärmetauscher 20 kondensierbar 1st, sollte etwa ein Fünftel bis ein Viertel des Kühlmitteldampfes darstellen, welcher dem Kühlmittelwärmetauscher 20 von dem Kompressor 18 zugeführt wird. Bei dem speziellen In den Fig. 1 a und 1 b dargestellten Verfahren wird unter Verwendung einer Kühlmittelzusammensetzung entsprechend der Tabelle II zum Kühlen eines Naturgasproduktes entsprechend der Tabelle I unter den Betriebsparametern, die in der schematischen Zeichnung angegeben sind, etwa 20% der Kühlmittelzusammensetzung in flüssiger Form kondensiert, während 80% im Dampfzustand bleiben.

Nachdem alle Anfangsvorgänge vollendet sind, befindet sich die Anlage 10, welche in den Fig. 1 a und 1 b gezeigt ist, im kontinuierlichen Betrieb. Das gemischte Kühlmittel fließt durch den geschlossenen Schleifenweg, der von dem Kühlmittelkreislauf 12 gebildet wird; es enthält Flüssigkeit bei etwa 32° C und 199 N/cm² sowie Dampf bei gleicher Temperatur und Druck, welche in die Durchlässe 28 des Produktwärmetauschers 30 von den Leitungen 34 und 32 zur Strömung entlang des ersten Durchgangs 42 eingeführt werden. Die Temperatur des warmen Kühlmittelstromes, der entlang des ersten Durchgangs 42 geführt wird, wird kontinuierlich abgesenkt, während sich das warme Kühlmittel in Wärmeaustauschbeziehung zu dem kalten Kühlmittel bewegt, welches entlang des zweiten Durchgangs 48 strömt. Wie zuvor erwähnt, ist der Produktwärmetauscher 30 so bemessen, daß das Kühlmittel, weiches entlang des ersten Durchgangs 42 strömt, einer vollständigen Verflüssigung unterliegt und dadurch aus dem Produktwärmetauscher 30 bei einer Temperatur von etwa -154⁰C austritt. Der Druckabfall darin ist bedingt durch die Strömung durch die Tauscherdurchlässe.

Der Druck des Kühlmittels wird durch die Entspannungseinrichtung 46 und die Öffnungen des Tauschers abgesenkt, und zwar in einem Maß, daß der Ausgangsdruck des Kühlmittels, das aus dem Produktwärmetauscher 30 austritt, bei etwa 40 N/cm² liegt, wodurch die Temperatur der Kühlmittelzusammensetzung, die entlang des zweiten Durchgangs 48 eintritt, bei etwa -156" C liegt (was eine Verdampfung von etwa 3% des Kühlmittels bewirkt), während die Temperatur des Kühlmittels,

ίο das aus dem zweiten Durchgang 48 abgegeben wird, bei etwa 15,5⁰C liegt (in vollständig verdampftem Zustand zur Abgabe an die Trommel 50 über die Leitung 52).

Das verdampfte Kühlmittel gelangt zu dem Kompressor 18, wo der Druck auf etwa 204 N/cm² erhöht wird,

υ wodurch seine Temperatur auf etwa 100⁰C ansteigt. Das Kühlwasser von 25° C, welches durch den KühlmittelwSrmetauscher 2ö über die Leitung 22 fließt, verringert die Temperatur des Kühlmittels, welches aus dem Kühlmittelwärmetauscher austritt, auf etwa 32° C. Somit kondensleren etwa 20% der gesamten Kühlmittelzusammensetzung.

Das trockene Naturgas, welches dem Produktwärmetauscher 30 zur Einführung in die Durchlässe, die den Weg 74a bilden, zugeführt wird, wird mit den Kühlmittelströmen, welche von den Durchgängen 42 und 48 gebildet werden, gekühlt, um allmählich die Temperatur des Gases abzusenken. Da die Strömungsrate des Naturgases in bezug auf die Kühlmittelströmung innerhalb des Bereiches von 60 bis 110% auf einer Mol-Prozentbasis In bezug auf die Menge des verflüssigten Kühlmittels liegt, welches den Einlaßdurchlässen 28 des Produktwärmetauschers 30 zugeführt wird, findet ein Hauptwärmeaustausch zwischen dem warmen Kühlmittel, welches entlang des ersten Durchgangs 42 strömt, und dem kalten Kühlmittel, welches entlang des zweiten Durchgangs 48 entgegenströmt, statt, und somit wird eine sehr geringe oder gar keine Temperaturdifferenz zwischen den Naturgas- und Kühlmittelströmen sichergestellt. Der Kühlzyklus ist somit tatsächlich unempfindlich gegen Abkühlung des Naturgasstroms und macht eine relativ dichte Anpassung der Erwärmungskurve des kalten Kühlmittels an die kombinierte Abkühlkurve des kalten Kühlmittels und des Zufuhrgases möglich.

Das Fraktioniersystem 16, welches in Fig. 1 b dargestellt Ist, ist ein fakultativer Teil der Anlage 10 und, wenn erwünscht, kann das Naturgas einfach entlang eines kontinuierlichen Weges 74 von genügender Länge gefördert werden, um eine Verflüssigung des Gases bei dessen Zufuhrdruck sicherzustellen, so daß das Produkt der Speicherung zugeführt werden kann, entweder nach Expansion auf Im wesentlichen Umgebungsdruck oder bei einem hohen Druckpegel, wenn eine geeignete Speichereinrichtung zur Aufrechterhaltung des Gasdrucks vorhanden ist.

Der Brennstoffgaszufuhrteil der Anlage 10 ist ebenfalls fakultativer Art und kann zur Verwendung des abgedampften Anteils des Speichertanks 146 als Quelle für Brennstoff zum Betrieb der Anlage dienen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verflüssigen von Naturgas durch Abkühlen auf eine mindestens 111° C tiefere Temperatur durch Indirekten Wärmeentzug mit gemischten Kühlmitteln unterschiedlicher Siedepunkte, wobei die Kühlmittel In geschlossenem Kühlmittelkreislauf (12) bei gleichbleibender Zusammensetzung In einem Kompressor (18) verdichtet, anschließend In einem Kühlmittelwärmetauscher (20) gekühlt, in einem von dem Naturgas durchströmten Produktwärmetauscher (30) in einem ersten Durchgang (42) Im Gleichstrom mit dem Naturgas im wesentlichen kondensiert, nach Verlassen des Produktwärmetauschers In einer Ent-Spannungseinrichtung (46) entspannt, in einem zweiten Durchgang (48) im Gegenstrom zum ersten Durchgang und zum Naturgas in dem Produktwärmetiuscher (30) vollständig verd-unpft und wieder dem Kompressor (18) zugeleitet werden, wobei die Kühlmittel Im Kühlmittelwärmetauscher (20) nur teilweise kondensieren und als Flüssigkeits-Gas-Gemisch dem Produktwärmetauscher (30) zugeführt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung des Naturgases mittels eines einzigen Kühlmittelkreislaufes (12) erfolgt, wobei die Erwärmungskurve des im zweiten Durchgang (48) fließenden Kühlmittels dicht an die sich aus den jeweiligen Abkühlkurven von Kühlmittel und Naturgas ergebende kombinierte Abkühlkurve angepaßt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz im Produktwärmetauscher (30) höher ist als der Naturgasdurchsatz.

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