DE2319803C3 - Verfahren zum Verflüssigen von tiefsiedenden Gasgemischen - Google Patents

Verfahren zum Verflüssigen von tiefsiedenden Gasgemischen

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Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen von tiefsiedenden Gasgemischen, bei denen der Phasenübergang gasförmig/flüssig in einem Temperaturintervall erfolgt, mit Hilfe eines geschlossenen Kältekreislaufs, in dem ein Kreislaufmedium verdichtet, gekühlt, entspannt und im indirekten Wärmetausch mit zu verflüssigendem Gasgemisch und Kreislaufmedium wieder angewärmt wird und die Verflüssigung durch zweistufigen Wärmetausch des Gasgemisches mit dem so Kreislaufmedium erfolgt, wobei in der ersten Stufe das Gasgemisch durch Wärmetausch mit isenthalp entspanntem, mindestens teilweise verflüssigtem Kreislaufmedium zu einem Teil und in der zweiten Stufe das Gasgemisch bei tieferen Temperaturen als in der ersten Stufe durch Wärmetausch mit isentrop entspanntem gasförmigem Kreislaufmedium zu einem weiteren Teil verflüssigt wird, nach Patent 22 61 886.
Dieses Verfahren stellt zwar eine einfache und energiesparende Lösung zum Verflüssigen eines in zeitlich konstanten Mengen anfallenden Gasgemisches dar, besitzt jedoch den Nachteil, daß es nicht in der Lage ist, die Kälteproduktion an einen zeitlich unterschiedlichen Kältebedarf anzupassen, d. L·, es ist nicht ohne weiteres in der Lage, beispielsweise weniger Kalt? zu erzeugen, wenn die zur Verflüssigung anfallende Gasgemischmenge kleiner wird bzw. umgekehrt, bei vermehrt anfallender Menge an zu verflüssigendem. Gasgemisch die Kälteproduktion entsprechend zu erhöhen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und energiesparendes Verfahren zum Verflüssigen von tiefsiedenden Gasgemischen zu entwikkeln, dessen Kälteleistung auf einfache Weise einem zeitlich unterschiedlichen Kältebedarf angepaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das isenthalp entspannte Kreislaufmedium einer Phasentrennung unterzogen wird und daß bei geringem Kältebedarf ein Teil der bei der Phasentrennung anfallenden flüssigen Fraktion gespeichert wird, während bei großem Kältebedarf mindestens ein Teil der gespeicherten flüssigen Fraktion erneut in den Kreislauf eingespeist wird.
Im Normalbetrieb des Verfahrens, wenn also die zur Verflüssigung anfallende Menge eines Gasgemisches zeitlich konstant: ist, wird die bei der — z. B. in einem Abscheider erfolgten — Phasentrennung des isenthalp entspannten Teilstroms des Kreislaufmediums anfallende flüssige Fraktion vollständig im Wärmeaustausch mit dem zu verflüssigenden Gasgemisch verdampft und teilweise erwärmt
Sobald jedoch der Kältebedarf des Verfahrens sinkt, d. h, die pro Zeiteinheit zur Verflüssigung anfallende Menge des Gasgemisches abnimmt, wird nunmehr ein Teil der bei der Phasentrennung anfallenden flüssigen Fraktion gespeichert Durch diese Maßnahme wird die umgewälzte Menge an Kreislaufmedium verringert was zur Folge hat, daß der Kreislaufkompressor nur eine entsprechend geringere Verdichtung des Kreislaufmediums ermöglicht, so daß die Kälteleistung des Kreislaufs insgesamt geringer wird. Zur Speicherung kann hierbei, falls die Phasentrennung in einem Abscheider erfolgt der Abscheider selbst und/oder ein gesonderter Speicherbehälter herangezogen werden.
Sobald jedoch der Kältebedarf des Verfahrens wieder zunimmt d. h, die pro Zeiteinheit anfallende Menge des zu verflüssigenden Gasgemisches sich wieder vergrößert, wird zumindest ein Teil des, z. B. im Abscheider selbst und/oder in einem gesonderten Speicherbehälter, gespeicherten flüssigen Kreislaufmediums erneut in den Kreislauf eingespeist
Diese Maßnahme bringt zwei wesentliche Vorteile. Einmal kann deirn Kreislauf sofort Kälte in Form von flüssigem Kreislaufmedium zur Verfügung gestellt werden und zum anderen hat die erneute Einspeisung von Kreislaufmedium in den Kreislauf eine Vermehrung der umgewälzten Menge an Kreislaufmedium zur Folge, was den Kreislaufkompressor zu einer verstärkten Verdichtung des Kreislaufmediums zwingt, d.h., der Kreislauf selbst produziert nunmehr auch wieder mehr Kälte.
Das erfindungsgemäße Verfahren, das konstruktiv besonders einfach durchführbar, flexibel und sehr wirtschaftlich ist, eignet sich besonders vorteilhaft zur Rückverflüssigung von verdampftem stickstoffhaltigen
Erdgas beim Transport in einem Tankschiff. Gerade beim Transport von flüssigem Erdgas über größere Strecken ändern sich die Verdampfungsverluste an Erdgas, dh, die zur Rückvsrflüssigung anfallenden Erdgasmengen permanent, da das flüssige tiefsiedende Speichergut einer sich ständig ändernden Umgebung, wie z. B. einem sich ständig ändernden atmosphärischen Druck, sich ständig ändernden Umgebungstemperaturen sowie ständigen Schiffsbewegungen ausgesetzt ist, Einflüssen also, die zu einer sich ständig ändernden Verdampfung eines Teiles des gespeicherten flüssigen Erdgases sehr wesentlich mit beitragen. Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die bei der ,;i Phasentrennung anfallende kalte gasförmige Fraktion ti dem zum Wärmeanstausch mit dem zu verflüssigenden is f- Gasgemisch herangezogenen Teil der kondensierten £ Fraktion unmittelbar nach dessen vollständiger Verfe dampfung erneut zugemischt, so daß auch die ?! gespeicherte Kälte der bei der Phasentrennung g> anfallenden gasförmigen Fraktion dem zu verflüssigen-I-. den Gasgemisch zur Verfügung gestellt werden kann. ψ- Der wesentlichste der Erfindung zugrundeliegende :''■ Gedanke, nämlich ein Teil der in einem geschlossenen ;■ i Kreislauf produzierten Kälte bei geringem Kältebedarf
in Form von flüssigem Kreislaufmedium zu speichern ■ und bei größerem Kältebedarf dem Kreislauf erneut in ;/: Form von flüssigem Kreislaufmedium zur Verfügung zu stellen, ist besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit dem in der Hauptpatentanmeldung offenbarten Kältekreislauf. Er ist jedoch nicht auf diesen speziellen : Kältekreislauf beschränkt, sondern er ist grundsätzlich auch bei jedem Kältekreislauf zum Verflüssigen eures tiefsiedenden Gases anwendbar.
Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.
Gemäß der Figur wird in einem Speicherbehälter 20 für flüssiges stickstoffhaltiges Erdgas verdampftes Erdgas über Leitung 21 mittels des Gebläses 22 abgezogen auf etwa 13 bar verdichtet, im Wärmetauscher 24 im Wärmeaustausch mit isenthalp und isentrop entspanntem Kreislaufgas zumindest teilweise verflüssigt und einem Abscheider 25 zugeführt, aus dem eine bei diesem Wärmeaustausch bis zu einer bestimmten einstellbaren tiefen Temperatur von beispielsweise 95 K nicht verflüssigte stark mit Stickstoff angereicherte Teilfraktion über Leitung 26 z. B. als Brenngas abgezogen wird, während die flüssige Restfraktion über Leitung 27 erneirt dem Speicherbehälter 20 zugeführt wird.
Die zur Verflüssigung des anfallenden Erdgases erforderliche Kälte wird in einem geschlossenen Stickstoffkreislauf erzeugt, wobei der Stickstoff in den Kompressoren 28 und 29 sowie in dem Bremsgebläse 30 auf den im Normalbetrieb erforderlichen Kreislaufdruck von etwa 45 bar verdichtet wird. Zur Abführung der Kompressionswärme ist jedem Verdichter je ein
Wasserkühler 31,32 und 33 nachgeschaltet.
Im Wärmeaustauscher 34 wird der komprimierte Stickstoff im Wärmeaustausch mit sich selbst auf etwa 167 K gekühlt und anschließend in zwei Teilströme aufgeteilt
Der eine Teilstrom wird in der Turbine 35 isentrop auf etwa 4,5 bar entspannt und unter einer Temperatur von etwa 93 K dem Wärmeaustauscher 24 zugeführt, in dem er unter Abgabe der zum Verflüssigen des Erdgases erforderlichen Spitzenkälte auf etwa 103 K angewärmt wird.
Aus dem mittleren Bereich des Wärmeaustauschers 24 wird dieser nunmehr teilweise erwärmte Teilstrom abgezogen, im Wärmeaustauscher 36 weiter angewärmt und schließlich dem Eingang des Niederdruckkompressors 28 zugeführt
Die im Wärmeaustauscher 36 gekühlte zweite Fraktion wird im Drosselventil 37 auf etwa 10 bar entspannt und anschließend im Abscheider 38 einer Phasentrennung unterzogen.
Die bei der Phasentrennung anfallende flüssige Fraktion wird im Normalbetrieb vollständig über die Leitung 39 abgezogen und bei einer Temperatur von etwa 103 K dem oberen Abschnitt des Wärmeaustauschers 24 zugeführt, in dem sie im Wärmeaustausch mit Erdgas zunächst vollständig verdampft und daraufhin mit der im Abscheider 38 anfallenden gasförmigen Fraktion, die über Leitung 40 abgezogen wird, vereint wird. Beide Fraktionen zusammen werden im Wärmeaustauscher 34 auf Umgebungstemperatur angewärmt und schließlich dem Eingang des Mitteldruckkompressors 29 zugeleitet, in dem sie gemeinsam mit dem ersten Teilstrom weiter verdichtet werden.
Für den Fall, daß die zu verflüssigende Erdgasmenge abnimmt, also der Kältebedarf geringer wird, wird ein Teil der im Abscheider 38 anfallenden flüssigen Fraktion im Abscheider 38 durch Schließen des Ventils 41 aufgestaut d. h. gespeichert Hierdurch verringert sich die im Kreislauf umgewälzte Stickstoffmenge, was wiederum zur Folge hat, daß die Kreislaufkompressoren nur ein niedrigeres Druckniveau erreichen, so daß die Kälteleistung des Kreislaufs insgesamt geringer und somit an den verminderten Kältebedarf angepaßt ist
Umgekehrt wird, sobald der Kältebedarf steigt, also sich die zu verflüssigende Erdgasmenge vergrößert gespeicherter flüssiger Stickstoff aus dem Abscheider 38 durch weiteres Öffnen des Ventils 41 in Leitung 39 in den Kreislauf eingespeist Durch diese Maßnahme wird einerseits dem Kältekreislauf sofort zusätzliche Kälte in Form von flüssigem Stickstoff zur Verfügung gestellt, während andererseits durch die nunmehr wieder vergrößerte umzuwälzende Menge an Kreislaufmedium in den Kreislaufkompressoren eine stärkere Kompression des Kreislaufmediums erfolgt, wodurch die Kälteleistung des Kreislaufs insgesamt wieder erhöht wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Verflüssigen von tief siedenden Gasgemischen, bei denen der Phasenübergang gasförmig/flüssig in einem Temperaturintervall erfolgt, mit Hilfe eines geschlossenen Kältekreislaufs, in dem ein Kreislaufmedium verdichtet, gekühlt, entspannt und im indirekten Wärmetausch mit zu verflüssigendem Gasgemisch und Kreislauf- ι ο medium wieder angewärmt wird und die Verflüssigung durch zweistufigen Wärmetausch des Gasgemisches mit dem Kreislaufmedium enolgt, wobei in der ersten Stufe das Gasgemisch durch Wärmetausch mit isenthalp entspanntem, mindestens is teilweise verflüssigtem Kreislaufmedium zu einem Teil und in der zweiten Stufe das Gasgemisch bei tieferen Temperaturen als in dir ersten Stufe durch Wärmetausch mit isentrop entspanntem gasförmigem Kreislaufmedium zu einem weiteren Teil verflüssigt wird, nach Patent 22 61 886, dadurch gekennzeichnet, daß das isenthalp entspannte Kreislaufmedium (37) einer Phasentrennung (38) unterzogen wird und daß bei geringem Kältebedarf ein Teil der in der Phasentrennung anfallenden flüssigen Fraktion (39) gespeichert wird, während bei großem Kältebedarf mindestens ein Teil der gespeicherten flüssigen Fraktion erneut in den Kreislauf eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Phasentrennung ein Abscheider
(38) herangezogen und bei geringem Kältebedarf ein Teil der bei der Phasentrennung anfallenden flüssigen Fraktion im Abscheider (38) selbst gespeichert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei geringem Kältebedarf zumindest ein Teil der bei der Phasentrennung anfallenden flüssigen Fraktion (39) in einem gesonderten Speicherbehälter gespeichert wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Phasentrennung anfallende gasförmige Fraktion (40) mit der bei der Phasentrennung anfallenden flüssigen Fraktion
(39) nach deren im Wärmetausch mit dem zu verflüssigenden Gasgemisch erfolgten vollständigen Verdampfung erneut vermischt wird.
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