DE2163139A1

DE2163139A1 - Verfahren und Anlage zur Kühlung eines Gasgemisches

Info

Publication number: DE2163139A1
Application number: DE19712163139
Authority: DE
Inventors: Bernard Paris. F 17c 3-08 Darredeau
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-20
Publication date: 1972-07-13
Also published as: GB1373385A; NL7117453A; IT944125B; AU470261B2; FR2123095B1; JPS567148B1; SU645618A3; AU3716971A; CA948098A; US3780535A; DE2163139C2; FR2123095A1

Description

uie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung und Kondensation eines Gasgemisches sowie eine Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens. Insbesondere ist die Erfindung anwendbar auf die Verflüssigung von naturgas.

7uf dem internationalen Kältekongress von 1959 in Kopenhagen hat A. P. Kleomenko (Kongreßbericht Seite 34 bis 39) ein Verfahren zur Abkühlung und Kondensierung eines Gasgemisches mit Hilfe eines Kühlzyklus beschrieben, bei dem ein Kreislaufge-

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I'ostsdietk: Frankfurt/Main 67 63

Bank: Dresdner Bank AG, Wiesbaden, Konto-Nr. 276 807

BAD ORiGINAL

itiisch eingesetzt wird, das mindestens einen Bestandteil des behandelten Gasgemisches enthalten kann. Gemäß diesem Verfahren wird mindestens das Kreislaufgemisch abgekühlt und einer Fraktionierkondensation unter hohem Druck unterzogen, mindestens

kondensierte die bei dieser Fraktionierkondensation erhaltene erste/Fraktion auf einen niedrigen Druck unterhalb des Hochdruckes entspannt, mindestens die entspannte erste Fraktion im Wärmeaustausch mit dem Kreislaufgemisch und dem in Kondensation befindlichen Gasgemisch verdampft und unter dem niedrigen Druck wiedererwärmt, mindestens dfe erste wiedererwärmte Fraktion wieder vom niedrigen Druck auf Hochdruck verdichtet, um mindestens zum Teil das Kreislaufgemisch unter hohem Druck darzustellen, wobei die erste ^kondensierte Fraktion unmittelbar nach der Verdichtung erhalten wird. Außerdem sind zwei bestimmte Funktionsweisen dieses Zyklus dargelegt. Im ersten Fall handelt es sich um einen offenen Kältekreis,und dies Gasgemisch und das Kreislaufgemisch werden vereinigt und zusammen der fraktionierten

Kondensation unterzogen. Im zweiten Fall handel-t es sich um . schlossenen

einen ge-/ -- Kältezyklus, und das Kreislauf gemisch und das Gasgemisch strömen in bestimmten getrennten Leitungen, in denen sie unabhängig voneinander kondensiert werden.

Dieser Kältezyklus, der auch Zyklus mit inkorporierter Kaskade genannt wird, ist heute allgemein bekannt. Gegenüber dem Kaskadenzyklus von Pictet benötigt er nur einen einzigen Kompressor und unterscheidet sich damit von letzterem durch einen geringeren Materialaufwand. Andererseits hat die Anmelderin diesem.

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Zyklus gewisse Verbesserungen hinzugefügt, die Gegenstand der französischen Patentschrift 1 302 989 und ihrer beiden Zusatzpatentschriften 80 294 und 86 485 sind.

Beispielsweise gestattet ein solcher Kältekreis bei Einsatz eines Kreislaufgemisches von folgender volumenmäßiger Zusammensetzung:

Methan 35%

Äthan 40%

Propan 5%

Butan 12%

Pentan 3%

Stickstoff und andere leichte Gase 5%

die Verflüssigung und Unterkühlung eines Naturgases von folgender volumenmäßiger Zusammensetzung:

Methan	88%
Äthan	5%
Propan	3%
Butan	2%

Stickstoff und andere leichte Gase 2%

Wenn das vorstehende nach den genannten Patentschriften verbesserte Verfahren und die entsprechenden Anlagen auch zufrjaäenstellend sind, muß man indessen feststellen, daß der Grad der

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Irreversibilität gewisser Arbeitsphasen des durchgeführten Verfahrens relativ groß bleibt und um so mehr die Gesamt^ energie wächst, die für die Kondensation des behandelten Gasgemisches verbraucht wird. Im Falle der Verflüssigung von Naturgas wurde in diesem Zusammenhang festgestellt, daß der Temperaturabsland zwischen dem Kreis lauf gemisch im Verlauf der Fraktionierkondensation und dem Kreis laufgemisch während der Wiedererwärmung erheblich bleibt, insbesondere in dem ersten oder warmen Austauscher der Anlage, in welchem die Verdampfung der ersten kondensierten Fraktion erfolgt, und insbesondere in der HLtielzone des letzteren. Mit anderen Worten: während des ersten Wärmeaustausches, der eine Senkung der Temperatur des Kreislaufgemisches von Umgebungstemperatur auf einen Temperaturbereich in der Größenordnung von -30 C gestattet, entspricht der Temperaturabstand, der in gewissen Zonen zwischen der Kondensationskurve des Kreislaufgemisches und der Verdampfungskurve des letzteren besteht, einer erheblichen Irreversibilität dieses Wärmeaustausches und erhöhte dem-entsprechend die gesamte von der Anlage verbrauchte Energie.

Dieses festgestellte Temperaturgefälle hängt in der Hauptsache von dem Verhältnis des Hochdruckes,unter dem die fraktionierte Kondensation des Kreislaufgemisches erfolgt, und dem Niederdruck ab, unter dem die Verdampfung der kondensierten Fraktionen dieees Gemisches erfolgen. Gewisse Einschränkungen, die sich außerdem ergeben, verhindern die Modifizierunq des Verhältnisses von Niederdruck und Hochdruck des Kältezyklus,

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um dementsprechend den vorstehend festgestellten Temperaturabstand zu vermindern.

Im Rahmen einer Anlage, die die Durchführung des sogenannten inkorporierten Kaskadenzyklus gestattet/ hat sich die Erfindung daher die Aufgabe gestellt, dieses Temperaturgefälle zu vermindern, das zwischen dem in Kondensation befindlichen Kreislaufgemisch und dem in Verdampfung befindlichen Gemisch im ersten oder warmen Austauscher besteht, um den für die Verflüssigung des behandelten Gasgemisches erforderlichen Energieverbrauch herabzusetzen, ohne als Gegenleistung eine übermäßige Erhöhung der Austauschfläche dieses Austauschers in Kauf nehmen zu müssen.

Dieses Ziel wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren erreicht, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man mindestens einen Teil der kondensierten ersten Fraktion auf einen niedrigen Druck des Kältekreises in mindestens einer Zwischenstufe entspannt, die in der Btspannung dieses Teiles von einem Druck höchstens gleich dem hohen Druck des Kältezyklus auf einen Mitteldruck zwischen dem hohen Druck und dem niederen Druck besteht, um von diesem auf den Mitteldruck entspannten Teil eine Gasfraktion abzutrennen und die abgetrennte Gasfraktion von dem Zwischendruck auf den hohen Druck wieder zu verdichten, um einen anderen Teil des Kreislaufgemisches unter dem hohen Druck darzustellen.

Wenn man vorteilhafterweise mindestens den wiedererwärmten Teil

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der kondensierten ersten Fraktion in mindestens einer Kompressionsstufe auf den hohen Druck wieder verdichtet, die sich von einem Druck mindestens gleich dem niedrigen Druck auf einem mittleren Druck zwischen dem niedrigen und dem hohen Druck vollzieht, wählt man zweckmäßig für den Zwischendruck der Entspannungsstufe diesen mittleren Druck. Dies gestattet, unter dem mittleren Druck die von dem erwähnten TEiI der ersten Fraktion abgetrennte Gasfraktion und mindestens den wiedererwärmten Anteil zu vereinigen und dann sie gemeinsam auf den Hochdruck in mindestens einer anderen Kompressionsstufe wieder zu verdichten, die sich von dem mittleren Druck auf einen Druck höchstens gleich dem hohen Druck vollzieht.

Vorzugsweise wird mindestens der wiedererhitzte Teil der kondensierten ersten Fraktion in zwei Kompressionsstufen wieder verdichtet. In diesem Fall entspannt man diesen kondensierten Teil der ersten Fraktion auf niedrigen Druck in einer einzigen Zwischenstufe und wählt für den Entspannungszwischendruck den Trennungsdruck zwischen den beiden Kompressionsstufen.

Gegenüber" dem vorbekannten und vorstehend beschriebenen Verfahren gestattet die Erfindung insbesonder^die erste kondensierte Fraktion des Kreislaufgemisches an schweren Bestandteilen, d.h. an Bestandteilen von hohem Siedepunkt, anzureichern. Zum Ausgleich nimmt man die Verdampfung der ersten kondensierten Fraktion in dem ersten oder warmen Austauscher bei

vor
einer Temperatur* die in jedem Punkt höher ist als die vorher

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erhaltene. xVaf der Höhe des ersten Wärmeaustauschers vermindert man also die Temperaturspanne zwischen der Verdampfungskurve und der Eondensationnkurve des Kreislauf gemisches, ilan verbessert damit den thermodynamischen Leistuiigsgrad dieses ersten Austausches, und infolgedessen 'vird der Energieverbrauch der entsprechenden Anlage vermindert.

Gegenüber der bekannten Anlage mit inkorpo-rierter Kaskade benötigt die Anlage für das Verfahren gemäß der Erfindung nur einen geringen zusätzlichen Aufwand. Einerseits ist nämlich festzustellen, daß zwar die ursprünglich in dem warmen Austauscher angetroffenen Teiaperaturspannen ziemlich groß sind, aber ihre gemäß der Erfindung erzielte relative Verminderung gering bleibt. Es ergibt sich also, daß die für den ersten Austauscher erforderliche Austauschflache nur sehr schwach anwachst. Da andererseits in gewissen Fällen die Plrfindung gestattet, die Verdampfungsund Kondensationskurven des Kreislaufgemisches wesentlich zu harraonisieren, die Erfindung sich also auf eine bessere Homogenisierung der Temperaturspannen längs des warmen Austauschers heschränkt,kann die Austauschoberfläche in solchen Fällen unverändert bleiben. Andererseits ist zu bemerken, daß, da die von der ersten kondensierten Fraktion unter dem Zwischendruck abgetrennte Gasfraktion nicht sehr groß ist, der entsprechende iiwischenabscheider mäßige Abmessungen behält.

Bei einer Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist außerdem die in der letzten Komprespionsstufe behandelte Strömungsmenge immer größer als diejenige der ersten

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Stufe. Daraus folgt dann immer gemäß der Erfindung eine bessere Adaption der gesamten Kompression. Dieser Vorteil ist besonders bemerkenswert im Falle eines einzigen Kompressors vom Axialtyp.

Andere Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt eine Anlage zur Durchführung des bekannten Zyklus mit inkorporierter Kaskade.

P¹Ig. 2, 3 und 4 zeigen drei Anlagen zur Durchführung des selben, jedoch gemäß der Erfindung verbesserten Zyklus.

Fig. 5 enthält Wärmeaustauschdiagramme zur Erläuterung der vorstehend dargelegten theoretischen Überlegungen. In diesen Diagrammen sind die Abkühlungs- und Erwärmungskurven für den ersten oder warmen Austauscher einer Kälteanlage mit inkorporierter Kaskade eingetragen. Die Wärmemengen (Q) sind in Kilokalorien auf der Ordinate und die Temperaturen T in ⁰C auf der Abszisse aufgetragen. Die voll ausgezogenen Kurven entsprechen dem Austauschdiagramm eines warmen Austauschers einer Anlage gemäß Fig. 1, also einer bekannten Anlage mit inkorporierter Kaskade. Die gestrichtelt dargestellten Kurven entsprechen dem Austauschdiagramm eines warmen Austauschers einer gemäß der Erfindung verbesserten Anlage nach Fig. 2 unter Strömungsdruck-bedingungen des Kompressors behandelter Strömunqs-

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menge an Gasgemisch (Naturgas)und Drücken, die identisch mit den bei Fig. 1 in Betracht gezogenen sind.

Fig. 6 zeigt ausgedrückt in relativen Werten (d. h. zur Verflüssigung von 1 Nm Naturgas) die gesamteWärmeaustauschoberfläche S (wobei die Austauschfläche des letzten hinter dem Kompressor angeordneten Kondensators nicht eingeschlossen ist), die in den Fällen der Fig. 1, 2 und 4 als Funktion der an das Kreislaufgemisch abzugebenden Leistung P erforderlich ist.

Eine bekannte Anlage mit inkorporierter Kaskade, welche die Abkühlung und Kondensation eines solchen Gasgemisches wie Naturgas gestattet, umfaßt eine Kühleinheit, wie sie inFig. 1 dargestellt und für die Umwälzung eines Kreislaufgemisches bestimmt ist, das gegebenenfalls mindestens einen Bestandteil des behandelten Gasgemisches enthält. Im Falle der Verflüssigung von Naturgas enthält das Kreislaufgemisch eine bestimmte Anzahl von Kohlenwasserstoffen des zu verflüssigenden Gases, wie Methan, Äthan, Propan usw. und gegebenenfalls Stickstoff in Funktion der erwünschten Abkühlung.

Die in Fig. 1 dargestellte Kälteanlage besitzt einen Kompressor 2, dessen Ansaugung und Förderung unter Drücken arbeiten, die nachstehend als "Niederdruck" bzw. "Hochdruck" bezeichnet sind. Der Kompressor 2 besitzt eine erste Kompressionsstufe 2¹, die unter Niederdruck ansaugt und unter Mitteldruck zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck abgibt, eine zweite und letzte

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Stufe 2", die unter dem I4itteldruck ansaugt und unter dem Hochdruck abgibt. Ein Endkondensator 3", dessen Eintrittsöffnung mit dem Austritt des Kompressors 2 verbunden ist, ist letzterem zugeordnet. Er besitzt Mittel zum Umlauf eines Kühlmittels außerhalb der Kälteanlage, wie Wasser. Ein erster oder warmer •Austauscher 10, ein zweiter Austauscher 20, ein dritter Aus tauscher 30, ein erster Abscheider 3, ein zweiter Abscheider 13, ein erstes Entspannungsventil 4', ein zweites Ventil 14¹, ein drittes Ventil 15'. gestatten, die fraktionierte Kondensation jl des Kreislauf gemisches durchzuführen, die im Kondensator 3" beginnt. Der Eintritt des ersten Abscheiders 3 steht mit dem Austritt des Kondensators 3" in Verbindung. Jeder Austauscher 10 und 20 besitzt einen ersten Durchlaß 51, der am einen Ende mit dem Gasaustritt eines Abscheiders 3 oder 13 und am anderen Ende mit dem Eintritt des zweiten Abscheiders 13 (vergl. Austauscher 10) oder mit dem dritten Entspannungsventil 15' (vergl. Austauscher 20) verbunden ist. Ein zweiter Durchlaß 52, der aus dem Inneren jedes Austauschers 10 und 20 besteht, ist in Wärmeaustauschbeziehung mit dem ersten Durchlaß 51 und ist mit der Ab-

stromseite eines Entspannungsventiles 4¹ bzw. 14' und mit der Ansaugseite des Kompressors 2 durch die Leitung 6 bzw. durch die Leitungen .16 und 6 verbunden. Ein dritter Durchlaß 53 für das zu kühlende und zu verflüssigende Gasgemisch steht in Wärmeaustauschbeziehung mit dem zweiten 52, ein vierter Durchlaß 54, dessen eines Ende mit dem Flüssigkeitsausgang eines Abscheiders 3 oder 13 und dessen anderes Ende mit der Aufstromseite eines Entspannungsventiles 4¹ oder 14' verbundervist, steht in Wärmeaustauschbeziehung mit dem zweiten Durchlaß 52. Jede Entspannungseinrichtung, die jedem Abscheider 3 oder 13 zugeordnet ist,besjtzt

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ein Entspannungsventil 4 bzw.. 14' und steht damit an setem Aufstromteil mit dem Flüssigkeitsaustritt eines Abscheiders 3 bzw. 13 vermittels eines vierten Durchganges 54 eines Austauschers 10 bzw. 20 und in seinem Abstromteil mit einem zweiten Durchgang 52 eines Austauschers 10 oder 20 in Verbindung. Der Austauscher 30 unterscheidet sich von denbeiden anderen Austauschern 10 und 20 darin, daß er keinen vierten Durchgang 54 besitzt und daß sein erster vorstehend definierter Durchgang 51 unmittelbar am einen Ende mit dem dritten Entspannungsventil 15' ohne Zwischenschaltung eines den Abscheidern 3 und 13 analogen Abscheiders und mit seinem anderen Ende mit dem ersten Durchgang 51 des zweiten Austauschers 20 verbunden ist.

Gemäß dem zu Fig. 1 beschriebenen Kältezyklus wird im Betrieb das vorstehend definierte Kreislauf gemisch, das aus dem Κοπίτ pressor 2 unter Hochdruck von 40 bar austritt, gekühlt und einer Fraktionierkondensation unterzogen. Zu diesemZweck wird es mittels Durchganges durch den Kondensator 3" zunächst teilweise kondensiert. Beim anschliessenden Eintritt in den ersten Abscheider 3 wird die erste kondensierte Fraktion aus dem Kondensator 3" von dem Rest des Kreislaufgemisches abgetrennt. Die erste kondensierte Fraktion wird aus dem Abscheider 3 durch Leitung 4 abgezogen, beim Durchfluß durch den vierten Durchgang 54 des Austauschers 10 unterkühlt, in einer Entspannungseinrichtung mit dem ersten Entspannungsventil 4' auf Niederdruck (2,5 bar) entspannt, durch Leitung 4" in den Austauscher 10 geld±et, beim Durchgang durch den zweiten Durchlass 52 die-

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ses Austauschers infolge Wärmeaustausches im Gegenstrom mit mindestens der auf dem Wege der Unterkühlung kondensierten er-

und verdampft sten Fraktion wiedererwärmt/und schließlich aus dem Austauscher 10 durch Leitung 6 abgeführt. Der Rest des Kreislaufgemisches wird vom -ersten Abscheider 3 abgezogen,und seine fraktionierte Kondensation vollzieht sich beim Durchfluß durch den ersten Durchgang 51 des Austauschers 10 infolge Wärmeaustausches in dem Gegenstrom mit der ersten kondensierten Fraktion im Verlauf der Verdampfung und Wiedererwärmung im zweiten Durchlass 52. Anschliessend wird das Kreislaufgemisch aus dem Austauscher durch Leitung 5¹ abgezogen und in den zweiten Abscheider 13 gebracht, in welchem man eine zweite kondensierte Fraktion des Kreislaufgemisches abtrennt. Was die zu kühlende und zu kondensierende Gasmischung (Naturgas) betrifft, so vird diese durch Leitung 1 in den dritten Durchgang 53 des Austauschers 10 eingeführt. Das Gasgemisch wird dann durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit der ersten kondensierten und auf Niederdruck entspannten Fraktion im Verlauf der Verdampfung, die in dem zweiten Durchlass 52 des Austauschers 10 umläuft, gekühlt.

Die zweite kondensierte Fraktion wird aus dem Abscheider 13 durch Leitung 14 abgezogen, beim Durchfluß durch den vierten Durchlass 54 des Austauschers 20 unterkühlt, in einer Entspannungseinrichtung mit dem zweiten Entspannungsventil 14' auf Niederdruck entspannt,durch die Leitung 14" in den Austauscher 20 geführt, beim Durchfluß durch den zweiten Durchlass 52 dieses Austauschers mittels Wärmeaustausch im Gegenstrom mit mindestens der zweiten im Verlauf der Unterkühlung kondensierten

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Fraktion verdampft und wiedererwärmt und schließlich aus dem Austauscher 2O durch Leitung 16 abgezogen. Das im gasförmigen Zustand bleibende Kreislaufgemisch wird aus dem zweitenAbscheider 13 durch Leitung 15 abgezogen, und seine fraktionierte Kondensation erfolgt beim Durchfluß durch den ersten Durchlass 51 des zweiten Austauschers 20 mittels Wärmeaustausch im Gegenstrom mit der zweiten im Verlauf der Verdampfung und Wiedererwärmung in dem zweiten Durchlass 52 kondensierten Fraktion. Das Kreislaufgemisch wird dann vom Austauscher 20 zum ersten Durchlass 51 des dritten Austauschers 30 abgezogen. Das Gasgemisch (Naturgas) vollzieht also seine Kondensation auf einem tieferen Temperaturniveau als dasjenige des ersten Austauschers 10 in dem dritten Durchlass 53 des zweiten Austauschers 20 durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit der zweiten kondensierten und auf Wiederdruck entspannten Fraktion im Verlauf der Verdampfung in dem zv/eiten Durchlass 52 des Austauschers 20.

Das Kreislaufgemisch vollzieht seine Kondensation und wird beim Durchfluss durch den ersten Durchlass 51 des dritten Austauschers 30 unterkühlt. Die dritte so erhaltene kondensierte und unterkühlte Fraktion wird in dem dritten Entspannungsventil 15' auf Niederdruck entspannt und in dem zweiten Durchgang 52 des dritten Wärmeaustauschers mittels Wärmeaustausch im Gegenstrom mit mindestens dem Rest des Kreislaufgemisches am Schluß der fraktionierten Kondensation verdampft und wiedererwärmt, die in dem ersten Durchlaß 51 umläuft, und wird aus dem Austauscher 30 durch Leitung 26 abgeführt. Das Gasgemisch selbst

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(Naturgas) beendet seine Kondensation auf einem niedrigeren Temperaturniveau als dasjenige des zweiten Austauschers 20 beim Durchfluss durch den dritten Durchgang 53 des Austauschers 30 aufgrund Wärmeaustausches im Gegenstron mit der kondensierten letzten Fraktion des Kreislaufgeraisches im 3uge der Verdampfung. Es wird schließlich im dritten Austauscher 30 unterkühlt. Das kondensierte und gegebenenfalls unterkühlte Gasgemisch wird aus der Kälteanlage abgezogen und auf seinen Gewinnungsdruck im Entspannungsventil 56 entspannt. Was die drei kondensierten Fraktionen des Kreislaufgemisches betrifft, die in den Austauschern 10, 2O bzw. 30 verdampft worden sind, so vereinigen sie sich vermittels der Leitungen 6, 16 und 26 und werden zur Ansaugseite des Kompressors 2 zurückgeschickt, nachdem sie durch einen Sicherheitsabscheider 55 hindurchgegangen sind. Sie v/erden dann vom Niederdruck (2,5 bar) auf Hochdruck (40 bar) des Zyklus wieder verdichtet, um wieder das Kreis lauf gemisch unter Hochdruck darzustellen. Ihre Verdichtung erfolgt auf ein erstes Niveau in der ersten Stufe 2¹ von Niederdruck auf einen Mitteldruck und auf ein zweites und letztes Niveau in der zweiten Stufe 2¹¹ von .Mitteldruck auf Hochdruck.

Fig. 2 zeigt eine ähnliche Kälteanlage wie vorstehend beschrieben, jedoch gemäß der Erfindung abgewandelt. Unter Bezugnahme auf die vorstehenden Darlegungen betrifft diese Abwandlung lediglich die Entspannungseinrichtung, die einem Abscheider des Teils der KälteanTag^zugeordnet ist, in dem die fraktionierte Kondensation des Kreislaufgemisches erfolgt. Gemäß Fig. 2 ent

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hält die dem ersten Abscheider 3 zugeordnete Entspannungseinrichtung außer dem Entspannungsventil 4' eine einzelne Zwischenstufe. Letztere besteht aus einem Entspannungszwischenventil 104, das zwischen dem Hochdruck des Kältezyklus und dem Mitteldruck der Schnittstelle des Kompressors 2 arbeitet und mit seiner Aufstromseite durch Leitung 56 mit dem Flüssigkeitsauslaß des ersten Abscheiders 3 verbunden ist. Ein Zwischenabscheider 103, dessen Eintrittsseite mit der Abstrom seite des Entspannungszwischenventiles 104 verbunden ist und dessen Gasaustritt mit der Druckseite der ersten Kompressorstufe 2¹ des Kompressors 2 durch Leitung 105 in Verbindung steht, während sein Flüssigkeitsauslass durch Leitung 114 mit der Aufstromseite des ersten Entspannungsventiles 4' verbunden ist.

Die Arbeitsweise der Anlage nach Fig. 2 unterscheidet sich von derjenigen, wie sie für Fig. 1 erläutert wurde, lediglich durch die Art und Weise der Entspannung, der ersten Kondensierten und im Abscheider 3 aufgefangenen kondensierten Fraktion auf Niederdruck. Nach Fig. 2 entspannt man die kondensierte erste Frdtion, die vom Abscheider 2 durch Leitung 56 abgezogen wurde, in einer einzigen Zwischenstufe, Diese Stufe bestäit darin, daß man die aus Leitung 56 kommende kondensierte erste Fraktion in dem Zwischenventil 104 auf einen Zwischendruck gleich dem Verdichtungsmitteldruck der ersten Stufe des Kompressors 2' entspannt. Dann trennt man im Abscheider 103 eine Gasfraktion von der ersten auf Mitteldruck entspannten Frak-

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tion ab. Letztere wird durch Leitung 105 abgezogen, unter Mitteldruck an der Stauseite der ersten Kompressionsstufe 2' mit den wiedererwärmten Teilen des Kreislaufgemisches vereinigt und zusammen mit diesen auf Hochdruck in der zweiten Kompressionsstufe 2" von Mitteldruck auf Hochdruck verdichtet, um einen anderen Teil des Hochdruckkreislaufgemisches wieder herzustellen.

Außer den vorstehend genannten Vorteilen, die zur Verminderung des Energieaufwandes für die Kondensation des behandelten Gasgemisches beitragen, führt die Ausführungsweise nach Fig. 2 auch zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Kältezyklus, und zwar aus folgenden Gründen: Einerseits bleibt die Gesamtmenge des Kreislaufgemisches auf der Druckseite des Kompressors 2 praktisch unverändert: die Massenbilanz ist praktisch dieselbe, bis auf die Gasfraktion, die man im Abscheider 103 unter 3ii schöndruck erhält, und die bei tieferer Temperatur in die zweite Kompressionsstufe 2" geschickt wird. Andererseits erspart man die Kompression der gesamten bei Twischaidruck erhaltenen Gasfraktion in der ersten Stufe 2¹ des Kompressors Wenn beispielsweise der Verdichtungsgrad in den beiden Stufen des Kompressors 2 derselbe ist, kann diese Gasfraktion IO bis 12% des Krefelaufgemisches darstellen. IrySiesem Fall beträgt der Energiegewinn 5 bis 6%.

Die in Fig. 3 dargestellte Kälteanlage unterscheidet sich von der in Fig. 2 dargestellten durch die Tatsache, daß die zur Fig. 2 beschriebene Entspannungszwischenstufe außerdem gemäß

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Fig. 3 einen Zwischenkälteaustauscher 200 aufweist. Dieser Austauscher besitzt einen ersten Durchlaß 57, der aus dem Austausciierinneren besteht und mit der Abstromseite des Entspannungszwischenventils 104 und mit der Eintrittsseite des Zwischenabscheiders 103 in Verbindung steht. Ein zweiter Durchgang 58 ist am einen Lnde/tiit dem FlüspigkeitsaustcLtt des ersten Abscheiders 3 und am anderen T'nde mit der Aufstroraseite des Entspannungszwischenventiles 104 verbunden und steht in Würmeaustauschbeziehung mit dem ersten Durchgang 57. Ein dritter Durchgang 59 steht in Färmeaustauschbeziehung mit dem ersten Durchgang 57 und ist am einen Ende mit dem Flüssigkatsaustritt des Zwischenabscheiders 103 und am anderen Ende mit der Auf Stromseite des ersten Entsnannungsventil.es 4' vermittels des vierten Durchlass 54 des ersten /Abscheiders 10 verbunden. Ein anderer Durchlass 60 für den gesamtei in der Abkühlung befindlichen Strom steht in Wärmeaustauschbeziehung mit dem ersten Durchlass 57.

Die Arbeitsweise der Kälteanlage nach Fig. 3 unterscheidet sich von derjenigen der vorstehend beschriebenen Anlage lediglich durch den Wärmeaustausch, der in dem Austauscher 200 erfolgt. In letzterem, und zwar in dem ersten Durchlass 57, verdampft man zumindest teilweise die kondensierte erste im Ventil 104 auf den Zwischendruck entspannte und in den Austauscher durch Leitung 204" eintretende Fraktion. Die erforderliche Verdampfung sv/ärme gewinnt man durch Wärmeaustausch in erster Linie mit der kondensierten ersten Fraktion im Verlauf der Unterkühlung vor deren Entspannung 104 auf den Zwischendruck, die in

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dem zweiten Durchlass 58 umläuft und aus dem ersten Abscheider 3 stammt, in zweiter Linie mit der ersten kondensierten Fraktion, die von der Gasfraktion abgetrennt ist, von dem Zwischenabscheider 103 durch Leitung 114 ankommt und in dem dritten Durchlass 59 des Austauschers fließt, um vor ihrer Entspannung auf einen niedrigeren Druck gleich demtäederdruck im ersten Entspannungsventil 4' unterkühlt zu v/erden, und drittens mit einem in Kühlung befindlichen Strom der durch Leitung 201 in den Austauscher 200 eintritt und in dem ande-' ren Durchlass 60 fließt.

Dieser andere Strom kann das Kreislaufgemisch, das vom Gasaustritt des ersten»Abscheiders 3 stammt, das zu kühlende und zu kondensierende Gasgemisch (z. B. Naturgas) oder jedes andere Strömungsmittel von einer Temperatur nahe der Umgebung sein, das gekühlt werden muß.

Es ist festzustellen, daß die Kälteanlage nach Fig. 3 gegenüber derjenigen nach Fig. 1 die Erzielung eines gegenüber der Anlage nach Fig. 2 noch gesteigerten Energiegewinns gestattet. Da nämlich die erste kondensierte Fraktion des Kreislaufgemisches mindestens teilweise in dem Zwischenwärmeaustauscher verdampft wird, erhöht man einerseits beträchtlich den Prozentsatz der im Abscheider 103 abgetrennten Gasfraktion,und andererseits wird die erste kondensierte Fraktion noch stärker an schweren Bestandteilen angereichert.

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Außerdem ist die im Wärmeaustauscher 200 erzeugte Kälte zweifach billiger an Energie, weil die Verdichtung an dem Kreislaufgemisch auf die Hälfte reduziert werden kann. Natürlich ist die notwendige Austauschfläche um so viel größer, wie die Verdampfung der ersten kondensierten Fraktion größer ist.^ Daraus ergibt sich eine Graaze für den Energiegewinn, den man erzielen kann. Er kann jedoch in der Größenordnung von 10% liegen.

Die in Fig. 4 dargestellte Kälteanlage unterscheidet sich lediglich von derjenigen nach Fig. 3 durch die Tatsache, daß der Zwischenaustauscher 200 noch einen vierten Durchlasskanal 61, der am einen Ende mit dem Gasauslass des ersten Abscheiders 3 und am anderen Ende mit dem Eintritt des zweiten Abscheiders 13 über den ersten Durchlass 51 des ersten Abscheiders 10 verbunden ist, und einen fünften Durchlass 62 besitzt, der den Beginn der Kühlung des zu behandelnden Gasgemisches gestattet und am einen Ende mit dem dritten Durchlass 53 des erstenMstauschers 10 verbunden ist. Infolgedessen wird gemäß Fig. 4 die für die Verdampfung der ersten kondensierten Fraktion im Austauscher 200 erfoderliche Wärme in gleicher Weise durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit dem Kreislaufgemisch, das aus dem ersten Abscheider 3 stammt, und in dem vierten Durchlass 61 strömt, während der fraktionierten Kondensation und ■durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit dem Gasgemisch (Naturgas) , das im fünften Durchlass 62 des Austauschers 200 strömt und zu den Austauschern 10, 20 und 30 cpLeitet wird und im Verlauf der Küh Inner -steht, dem Gegenstrom zugebracht.

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Eine Betrachtung der in Fig. 5 wiedergegebenen Austauschdiagramme gestattet, die vorstehend dargelegten theoretiechen Überlegungen zu erläutern. In dieser Figur stellen die Abkühlungskurven (abwärts gerichtete Pfeile) die Summe der Wärmemengen dar, die von dem Gasgemisch 1 (Naturgas) auf dem Wege der Abkühlung und Kondensation, von dem Kreislaufgemisch 5 im Wege der fraktionierten Abkühling und Kondensation und von der aus dem ersten Abscheider 3 stammenden kondensierten ersten Fraktion auf dem Wege der Unterkühlung ausgetauscht werden. Die Erwärmungskurven (nach oben gerichtete Pfeile) stellen dagegen die Wärmemenge dar, die von der Kreislauf mischung auf dem Wege der Wiedererwärmung ausgetauscht wird,welche durch die Leitungen 16 und 4" ankommt und welche die kondensierte erste Fraktion im Verlaufe der Verdampfung und Wiedererwärmung unter Niederdruck enthält.

Was die voll ausgezogenen Kurven betrifft, so ist für den Fall der bekannten Anlage mit inkorporierter Kaskade nach Fig. 1 festzustellen, daß die Abkühlungskurve eine im wesentlichen lineare Funktion der Temperatur ist und daß die Erwärmungskurve, einen Knickpunkt aufweist, der einer schafen Gefälleänderung entspricht und in der mittleren Zone des asten Austauschers 10 bemerkbar ist. Daraus ergibt sich eine große Temperaturspanne im wesentlichen in dieser Zone des Austauschers, welche den thermodynamischen Leistungsgrad des Kältekreises verändert.

Bei Betrachtung der gestrichelten Kurven, d. h. im Falle einer

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gemäß der Erfindung verbesserten Kälteanlage (Fig. 2) stellt man einerseits fest, daß die Erwärmungskurve sich der Abkühlungskurve nähert und andererseits, daß die Erwärmungskurve viel mehr abgeflacht ist als in dem vorhergehenden Fall. Man hat also die Temperaturspanne auf der ganzen Länge des ersten oder warmen Austauschers vermindert, und zwar im wesentlichen in der mittleren Zone des letzteren. Damit ist die Reversibilität des ersten Wärmeaustauschers erhöht, und man trägt somit zur Verminderung der für die Verflüssigung des beandelten Gasgemisches verbrauchten Energie bei.

Die Kurven der Fig. 6 zeigen den gemäß der Erfindung verwirklichten Gewinn bei gleicher Austauschfläche oder gleichem Energieaufwand.

Die Kurven VAl, VA2 und VA4 beziehen sich auf die Fälle der Fig. 1, 2 bzw. 4. Aus dem Vergleich dieser Kurven läßt sich folgendes feststellen:

Gegenüber der Fig. 1 bringt Fig. 2 Energiegewinne von ungefähr 5% bei gleicher Austauschfläche und 6 bis 10% an Ausfauschfläche bei gleichem Energieaufwand; dieWahl zwischen einer Anlage nach Fig. 2 und einer solchen nach Fig. 4 sollte Fallweise aufgrund wirtschaftlicher Gesichtspunkt erfolgen, wobei sich Anlagen nach Fig. 3 und 4 anbieten, wenn die EnergieSteuer ist.

Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Der Fachmann ist

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in der Lage, zahlreiche Abwandlungen je nach den vorgesehenen Verwendungen vorzunehmen, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen. In erster Linie ist die Kompressionsweise keineswegs auf einen einzigen Kompressor mit zwei Kompressionsstufen begrenzt, sondern kann auch einer Kompressionsanlage entsprechen, die mehere Kompressoren aufweist, von denen jeder eine Kompressionsstufe darstellt.

Zweitens läßt sich jede der kondensierten Fraktionen des Kreislaufgemisches in derselben Weise wie dies für die erste kondensierte Fraktion angegeben ist, auf den Niederdruck des Kältekreises in mindestens einer Zwischenstufe entspannen, um so dieselben Vorteile der Erfindung auch auf dem Niveau der verschiedenen Abscheider 20 und 30 der Kälteanlage zu erzielen.

Drittens ist die Erfindung anwendbar auf einen Zyklus mit inkorporierter Kaskade, gleichgültig, ob dieser Zyklus offen oder geschbssen ist.

Viertens ist die Erfindung nicht auf einen Zyklus beschränkt, bei dem die erste Abkühlung in dem unmittelbar am Austdtt des Kompressors liegenden Kondensator mit einem solchen Kühlmittel wie Wasser erfolgt. Je nach dem gegebenen Fall kann diese Anfangskühlung mit einem unabhängigen Kühlkreis des inkorporierten Kaskadenzyklus durchgeführt werden, wobei man beispielsweise Propan als Kältemittel benutzt.

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Claims

Patentansprüche

1./Verfahren zum Kühlen und Kondensieren eines Gasgemisches mit Hilfe wenigstens eines Kältekreises mittels eines Kreislaufgemisches, das gegebenenfalls mindestens einen Bestandteil des Gasgemisches enthält, wobei man mindestens das Kreislauf gemisch unter hohem .Druck abkühlt und einer fraktionierten Kondensation unterzieht, mindestens teilweise zumindest die während der fraktionierten Kondensation erhaltene kondensierte erste Fraktion auf einen gegenüber dem Hochdruck kleineren Niederdruck entspannt, mindestens diesen entspannte» Teil im Wärmeaustausch mit mindestens dem Kreielaufgemisch im Verlaufe der fraktionierten Kondensation unter Niederdruck verdampft und wiedererwärmt, mindestens diesen wiedererwärmten Teil von Niederdruck auf Hochdruck in mindestens einer Kompressionsstufe wieder verdichtet, um mindestens teilweise das Kreislaufgemisch unter Hochdruck wiederherzustellen, wobei die kondensierte erste Fraktion unmittelbar nach der letzten Kompressionsstufe erhalten wird, dadurch gekennzeichnet, daß man mindestens diesen Teil der kondensierten ersten Fraktion auf Niederdruck in mindestens einer Zwischenstufe entspannt, die darin besteht, daß man diesen Teil von einem höchstens dem Hochdruck gleichen Druck auf einen Zwischendruck zwischen dem

Hochdruck und dem Niederdruck des Kältekreises entspannt, eine Gasfraktion von dem auf Zwischendruck entspannten Teil abtrennt und die abgetrennte Gasfraktion von dem Zwischendruck auf Hochdruck wieder komprimiert, um einen anderen Teil

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des Hochdruckkreislaufgemisches wiederherzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem mindestens der wiedererwärmte Teil der kondensierten ersten Fraktion auf Hochdruck in mindestens einer Kompressionsstufe wieder verdichtet wird, die sich von einem mindestens dem Niederdruck gleichen Druck auf einen mittleren Druck zwischen Niederdruck und Hochdruck vollzieht, dadurch gekennzeichnet/ daß der Zwischendruck der Zwischenstufe gleich dem Mitteldruck ist und daß die von dem Teil der ersten Fraktion abgetrennte Gasfraktion und mindestens der wiedererwärmte Teil unter dem Mitteldruck 'vereinigt und in mindestens einer anderen Kompressionsstufe auf Hochdruck wieder verdichtet werden, die sich von dem Mitteldruck auf einen Druck höchstens glefch dem Hochdruck vollzieht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den Teil der ersten Fraktion, der auf den Zwischendruck entspannt worden ist, mindestens teilweise durch Wärmeaustausch mit ..dem in Unterkühlung befindlichen Teil vor siner Entspannung auf den Zwischendruck und mit mindestens einem anderen Strom im Verlauf der Abkühlung verdampft .

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Wärmeaustausch mit einem anderen Strom, der den von der Gasfraktion abgetrennten Teil der ersten Fraktion im Verlauf seiner Unterkühlung vor seiner Entspannung

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auf einen niedrigeren Druck als der Zwischendruck und mindestens gleich dem Niederdruck umfaßt, vornimmt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet/ daß man den Wärmeaustausch mit einem anderen Strom vornimmt, der mindestens das Kreislaufgemisch im Verlauf seiner Abkühlung umfaßt.

6. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, bestehend aus einem Kompressor, dessen Saugseite und Druckseite unter Niederdruck bzw. Hochdruck arbeiten, und der mindestens eine Kompressionsstufe aufweist, deren Saugseite und Druckseite bei einem Druck mindestens gleich dem Niederdruck bzw, einem mittleren Druck zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck arbeiten, einem Kondensator zur Abkühlung und Einleitung einer fraktionierten Kondensation mindestens des Kreislaufgemisches unter Hochdruck, dessen Eintrittsseite mit der Druckseite des Kompressors verbunden 1st und ümwälzeinrichtungen für ein. Kühlmittel außerhalb

ersten der Kälteanlage aufweist, mindestens einem/Abscheider zur Abtrennung der im Kondensator erhaltenen kondensierten ersten • Fraktion, dessen Eintritt mit dem Kondensatoraustritt verbunden ist, mindestens einer ersten Entspannungseinrichtung, die mindestens ein erste» Entspannungsventil zur Entspannung mindestens eines Teils der kondensierten ersten Fraktion auf Niederdruck aufweist, und deren Aufstromseite mit dem Flüssigkeitsauslaß des ersten Abscheiders verbunden ist,

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mindestens einem Wärmeaustauscher zur Durchführung der fraktionierten Kondensation mindestens des Kreislaufgemisches unter Hochdruck, enthaltend mindestens einen ersten Durchlaß für mindestens das in fraktionierter Kondeisation befindliche Kreislaufgemisch, der am einen Ende mit dem Gasauslaß des ersten Abscheiders und am anderen Ende mit dem Einlaß eines zweiten Abscheiders verbunden ist, einem zweiten Durchlaß, der mit der Abstromseite des ersten Entspannungsventils und mit der Ansaugseite des Kompressors verbunden ist und mit dem ersten Durchlaß in Wärmeaustauschbeziehung steht, für den auf Niederdruck entspannten und in der Verdampfung und Wiedererwärmung befindlichen Teil der kondensierten ersten Fraktion und gegebenenfalls einem dritten Durchlaß für das in Abkühlung und Kondensation befindliche Gasgemisch in Wärmeaustauschbeziehung mit dem zweiten Durchlaß, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens

ein

die erste Entspannungseinrichtung mindestens eine Entspannungszwischenventil aufweisende Zwischenstufe aufweist, die eine Entspannung dieses Teils der kondensierten ersten

Fraktion von einem Druck höchstens gleich dem Hochdruck auf einen Zwischendruck zwischen Hochdruck und Niederdruck

stufe gestattet, und daß die Zwlschsrt-einen Zwischenabscheider zur Abtrennung einer Gasfraktion von diesem auf Zwischendruck entspanntenTeil aufweist, dessen Eintritt mit der Abstromseite des Entspannungszwischenventils verbunden ist, dessen Gasaustritt mit der Druckseite der Kompressionsstufe des Kompressors verbunden ist, um unter Mitteldruck diesen ver-

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dampften und wiedererwärmten Teil und diese Gasfraktion zu vereinigen und in mindestens einer anderen Kompressionsstufe wieder auf Hochdruck zu verdichten, wobei dar Flüssigkeitsauslaß des Zwischenabscheiders mit der Aufstromseite des ersten Entspannungsventiles verbunden ist.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenstufe einen Zwischenwärmeaustauscher zur mindestens teilweisen Verdampfung des auf Zwischendruck entspannten Teils der ersten Fraktion besitzt, der einen ersten Durch-

. laß für den in Verdampfung befindlichen atspannten Teil, welcher mit der Abstromseite des Zwischenentspannungsventiles und mit der Eintritt-sseite des Zwischenabscheiders verbunden ist, einen zweiten Durchlaß für diesen in Unterkühlung stehenden Teil vor seiner Entspannung auf Zwischendruck in Wärmeaustausch mit dem ersten Durchlaß, welcher am einen Ende mit dem Flüssigkeitsauslaß des ersten Abscheiders und am anderen Ende mit der AufStromseite des Zwischenentspannungsventiles verbunden ist, und mindestens einen anderen Durchlaß für einen in Abkühlung befindlichen anderen Strom in Wärmeaustauschbeziehung mit dem ersten Durchlaß aufweist.

8. Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenaustauscher einen dritten Durchlaß für einen anderen Strom, welcher den auf den Zwischendruck entspannten und von der Gasfraktion abgetrennten in Unterkühlung befindlichen Teil enthält, in Wärmeaustauschbeziehung mit dem er-

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sten Durchlaß des Zwischenaustauschers aufweist und der dritte Durchlaß am einen Ende mit dem Flüssigkeitsauslaß des.Zwischenabscheiders und am anderen Ende mit der Auf-. Stromseite des ersten Entspannungsventiles verbunden ist.

9. Anlage nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenabscheider gleichfalls einen vierten Durchlaß für einen anderen mindestens das in Abkühlung befindliche Kreislaufgemisch enthaltenden Strom in Wärmeaustauschbeziehung mit dem ersten Durchlaß des Zwischenaustauschers aufweist, dessen eines Ende mit dem Gasaustritt des' ersten Abscheiders und dessen anderes Ende mit dem Eintritt des zweiten Abscheiders verbunden ist.

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