DE2405971C2 - Verfahren zum Abkühlen und/oder Verflüssigung eines Fluids - Google Patents

Verfahren zum Abkühlen und/oder Verflüssigung eines Fluids

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Description

a) Komprimieren eines mehrere Komponenten umfassenden Kühlmittels, das eine Vielzahl verschiedener Kohlenwasserstoff-Komponenten mit verschiedenen Siedepunkten enthält,
b) wobei die genannte Vielzahl von Komponenten einen C2-Kohlenwasserstoff aus der Gruppe Ethan und Ethylen als Komponente des höchsten Prozentgehaltes enthält, und Methan als die Komponente mit dem zweithöchsten Prozentgehalt,
c) das genannte Mehrfachkomponenten-Kühlmittel weiterhin Stickstoff mit einem Gehalt von mindestens 4 Vol.-% der Mehrfachkomponenten-Mischung enthält,
d) fortschreitendes Kondensieren und Phasentrennen des genannten Mehrfachkomponenten-Kühlmittels in eine Vielzahl von flüssigen Kondensaten und Dampf-Anteilen von zunehmend kühleren Temperaturen,
e) Expandieren jedes der genannten kalten Kondensate,
f) Verdampfen jedes der fortschreitend kälteren Kondensate durch Wärmeaustausch mit Anteilen des genannten Zufuhrstromes und der getrennten Dampf-Anteile des genannten Mehrfachkomponenten-Kühlmittels, zum fortschreitenden Kondensieren des genannten Mehrfachkomponenten-Kühlmittels gemäß Stufe (d) bei fortschreitendem Verflüssigen des genannten Zufuhrstromes, wobei genannte Verdampfungen der genannten zunehmend kälteren Kondensate gegen genannte Zufuhrstrom-Anteile und genannte Mehrfachkomponenten-Dampf-Anteile bei demselben Verdampfungs-Druck für jedes Kondensat stattfinden,
g) Abziehen der genannten verdampften Kondensate von den genannten Wärmeaustauscher-Mitteln, und
h) Rezyklisieren der genannten verdampften Kondensate als genanntes Mehrfachkomponenten-Kühlmittel, in geschlossenem Kreislauf, zu einem Kompressor zum Komprimieren des Kühlmittels
gemäß Stufe a).
Die Verfahren des Standes der Technik weisen die Nachteile geringer thermischer Wirksamkeit und komplizierter, aufwendiger Apparaturen sowie große Kühlflächen und hoher Durchsätze an Kühlmedium auf.
Demgegenüber liegt vorliegender Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids im Gegenstrom-Wärmeaustausch zu liefern, das mit hohem thermischem Wirkungsgrad, einfacher und nicht aufwendiger Apparatur, geringem Kühlmediumsbedarf und geringen Kühlflächen auskommt
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, daß die fortschreitende Abkühlung des gasförmigen Teilstromes in Rektifikationsstufen, insbesondere unter Verwendung einer Rektifikationskolonne mit Böden, durchgeführt wird, wobei ein Teil der verbleibenden gasförmigen Fraktion nach ihrer Abkühlung als Rückfluß in die oberste Rektifikationsstufe eingeleitet wird.
Die große Anzahl von Röhren gemäß den Verfahren nach dem Stand der Technik sind durch eine einzige Rektifikationskolonne ersetzt.
Die Erfindung ist jederzeit anwendbar, wenn es darum geht, einen Gas- oder Flüssigkeitsstrom fortschreitend abzukühlen, um eine Phasenänderung zu erzielen oder ein Kühlmedium niedriger Temperatur zu erhalten.
Die Erfindung besteht also darin, daß man durdi fraktionierte Verflüssigung in direktem Kontakt unter Druck eine Trennung eines aus Komponenten mit verschiedenen Siedepunkten bestehenden Gasgemisches, genannt Kühlmedium, in flüssige Fraktionen mit verschiedenen Siedepunkten und in mindestens eine nicht kondensierte gasförmige Fraktion durchführt, daß man jede dieser flüssigen Fraktionen unter verringertem Druck in einem Wärmeaustauschsystem, durch das das abzukühlende Fluid strömt und dabei abgekühlt wird, verdampft, daß man die nicht kondensierte gasförmige Fraktion von der Kühlflüssigkeit abzieht, daß man diese Fraktion in ein Wärmeaustauschsystem leitet, damit sie dort zumindest teilweise kondensiert wird, daß man das Kondensat der genannten gasförmigen Fraktion als Rückfluß in die Zone der fraktionierten Verflüssigung zurückführt, daß man dann die aus der Verdampfung der flüssigen Fraktionen stammenden gasförmigen Fraktionen sammelt, sie wieder komprimiert und in einen Kondensator leitet, der die >ü Temperatur des Gemisches wieder auf einen Wert nahe der gewöhnlichen Temperatur bringt (0 bis 5O0C), d. h. nahe der Temperatur einer äußeren Quelle wie Wasser oder Luft, die in dem genannten Kondensator als Wärmeaustauschmedium verwendet wird. Man erhält '>> auf diese Weise eine gasförmige Fraktion, die in die Verflüssigungszone geleitet wird, und eine flüssige Fraktion, die den in der Zone der Kühlung des Fluids verdampften flüssigen Fraktionen zugeleitet wird.
Die nicht kondensierte gasförmige Fraktion in der Verflüssigungskolonne wird zwecks Verflüssigung durch Leiten in das vorstehend definierte Wärmeauslauschsystem abgekühlt.
Die Austauscher sind vom Typ des indirekten Kontakts, was jedoch das Vermischen der verschiede- ^ nen Fluide an bestimmten, richtig ausgewählten Punkten nicht ausschließt. Das Kühlmedium kann z. B. zumindest teilweise aus dem abzukühlenden Fluid bestehen.
Das fortschreitende Abkühlen des Kühlmediums in der Verflüssigungskolonne zum Zwecke seiner fortschreitenden Verflüssigung wird durch direkten Kontakt mit dem oben in die Kolonne eingeführten flüssigen Rückfluß erzielt.
An jedem Punkt der Zuführung einer flüssigen Fraktion in das Austauschsystem kann die Zusammensetzung des verdampften Gemisches so eingestellt werden, daß man eine gegebene Siedetemperatur erhält, und zwar entweder durch Mischen mit einer Fraktion aus dem Kondensator, dessen Funktion auf dem Austausch mit der äußeren Quelle wie Wasser oder Luft beruht, oder durch Mischen mit einer Fraktion des von oben kommenden Rückflusses.
Man stellt fest, daß, wenn man den aus der Kolonne abgezogenen flüssigen Fraktionen die flüssigen Fraktionen beimischt, die aus dem durch Austausch mit der äußeren Quelle funktionierenden Kondensator stammen, eine Zufuhr an Verdampfungsenthalpie zu den gewünschten Temperaturen erfolgt, da ja die Siedetemperatur des Gemisches mittels der aus der Kolonne abgezogenen Fraktionen zunehmender Flüchtigkeit oder der durch Kondensieren des von oben kommenden Dampfes erhaltenen flüssigen Fraktion eingestellt werden kann.
Das nachstehende Beispiel dient der Erläuterung des Prinzips der Erfindung. Die Anlage ist in der Figur schematisch dargestellt. Das Kühlgemisch besteht aas 28% Methan, 36% Äthan, 14% Propan, 14% Butan, 7% Pentan und Hexan und 1% Stickstoff. Dieses Kühlgemisch gelangt durch Leitung 16 mit einem Druck von etwa 1 bar in den Kompressor C Am Ausgang des Kompressors C beträgt der Druck dieses Kühlgemisches ca. 35 bar.
Es wird dann durch Leitung 1 in den Kondensator R geleitet, aus dem es mit einer Temperatur von 35°C ausströmt. Bei dieser Temperatur bildet sich eine flüssige und eine gasförmige Phase, und die bt-iden Phasen (Leitung 2) werden in dem Abscheider B aufgefangen. Die gasförmige Phase wird durch die Leitung 4 in die Kolonne D 1 geleitet, in der ein Druck von ca. 35 bar herrscht, und die 15 Böden aufweist. Die flüssige Phase strömt durch Leitung 3 aus und vermischt sich mit einem ersten flüssigen Kondensat, das mit einer Temperatur von 32° C durch Leitung 5 aus der Kolonne D1 kommt. Das flüssige Gemisch wird in dem Austauscher E2 bis auf eine Temperatur von —8°C abgekühlt, dann mit dem mit einer Temperatur von — 10°C durch Leitung 7 aus der Kolonne Dl kommenden zweiten flüssigen Kondensat vermischt, durch den Schieber V5 von dem Druck von ca. 35 bar auf einen Druck von ca. 1,2 bar entspannt und durch Leitung 20 eingespritzt. Durch diese Einspritzung und Verdampfung wird die durch Leitung 6 durch den Austauscher £2 zuströmende Flüssigkeit und das Naturgas im Gegenstrom abgekühlt, das mit einem Druck von ca. 40 bar und einer Temperatur von 35° C durch Leitung 21 zuströmt und mit einer Temperatur von —8°C aus dem Austauscher £"1 abströmt. Eine andere Fraktion des flüssigen Kondensats, die durch Vermischen des aus dem Austauscher E2 kommenden Kondensats und des aus Leitung 7 kommenden KornJ'jnsats erhalten wird, wird durch Leitung 8 in den Austauscher EA geleitet. Das flüssige Gemisch wird auf eine Temperatur von —40°C abgekühlt, dann mit dem mit einer Temperatur von —38°C durch Leitung 9 aus der Kolonne D1 kommenden dritten Kondensat
vermischt, durch den Schieber V 4 von ca. 35 bar Druck auf ca. 1,2 bar Druck entspannt und durch Leitung 19 eingespritzt. Durch diese Einspritzung und Verdampfung wird die durch Leitung 8 durch den Austauscher £4 kommende Flüssigkeit und das Naturgas, das mit einer Temperatur von — 40°C aus dem Austauscher £3 ausströmt, im Gegenstrom abgekühlt. Eine andere Fraktion flüssigen Kondensats, die durch Vermischen des aus dem Austauscher £4 stammenden Kondensats und des aus Leitung 9 stammenden Kondensats erhalten ι ο wird, wird durch Leitung 10 in den Austauscher £5 geleitet. Das flüssige Gemisch wird auf eine Temperatur von — 1300C abgekühlt, dann mit einer mit -13O0C durch Leitung 11 zuströmenden Fraktion des von oben kommenden Kondensats vermischt, durch den Schieber K 3 von ca. 35 bar Druck auf ca. 1,2 bar Druck entspannt und durch Leitung 18 eingespritzt. Durch diese Einspritzung und Verdampfung werden die durch Leitung 10 durch den Austauscher ES zuströmende Flüssigkeit, das in flüssigem Zustand mit — 1300C aus dem Austauscher £6 ausströmende Naturgas und der von oben kommende Dampf, der in flüssigem Zustand und mit einer Temperatur von — 130°C aus dem Austauscher £7 ausströmt, im Gegenstrom abgekühlt. Eine andere Fraktion flüssigen Kondensats, die durch Vermischen des aus dem Austauscher £5 stammenden Kondensats und des aus Leitung 11 stammenden Kondensats erhalten wird, wird durch Leitung 12 in den Austauscher £8 geleitet. Das flüssige Gemisch wird auf eine Temperatur von —145° C abgekühlt, durch den Schieber V2 druckentlastet und durch Leitung 17 eingespritzt. Durch diese Einspritzung und Verdampfung wird die durch Leitung 12 durch den Austauscher £8 zuströmende Flüssigkeit und das Naturgas, das mit — 145° C in flüssigem Zustand aus dem Austauscher £9 ausströmt, im Gegenstrom abgekühlt. Eine andere Fraktion des von oben kommenden Kondensats wird durch Leitung 13 in den Austauscher £11 geleitet, strömt mit einer Temperatur von —160° C aus diesem aus, wird durch den Schieber Vl druckentlastet und durch Leitung 22 verdampft Durch diese Verdampfung wird das Naturgas, das in flüssigem Zustand mit einer Temperatur von — 1600C aus dem Austauscher £10 ausströmt, im Gegenstrom abgekühlt. Es kann auf diese Weise in flüssigem Zustand gehalten werden, wenn der Druck auf einen Wert nahe 1 bar gebracht wird.
Das nicht kondensierte Gas in der Kolonne Di (Temperatur: —8O0C) wird durch Leitung 14 in den Austauscher £7 geleitet, aus dem es in flüssigem Zustand durch Leitung 15 wieder herausströmt, um oben in die Kolonne D 1 geleitet zu werden.
Es ist auch möglich, während der Abkühlung das Naturgas in eine methanreiche Fraktion, in eine Fraktion, die reich an Kohlenwasserstoffen ist, welche schwerer sind als das Methan, und in eine Fraktion, die reich an leichten Elementen wie Stickstoff und Helium ist, zu fraktionieren. In diesem Fall ist es vorteilhaft, zumindest eine teilweise Druckentlastung des Naturgases vorzunehmen, um die leichten Elemente abzutrennen.
In der Regel beträgt der Druck des Gases am Ausgang des Kompressors und der in der Verflüssigungskolonne herrschende Druck ca. 10 bis 70 bar. Nach Druckentlastung und Verdampfung beträgt der Druck gewöhnlich ca. 0,1 bis 10 bar. Der Kompressor kann aus mehreren Stufen bestehen und Zwischenkondensatoren aufweisen.
Das in der Figur dargestellte Schema ist nur als Beispiel angegeben, und die Anzahl sowie die Anordnung der Austauscher und Entnahmen von flüssigen Kondensatoren kann unterschiedlich sein. Die Druckentlastung der flüssigen Kondensate kann bei verschiedenen Drücken erfolgen, wenn man über verschiedene Kompressionsstufen verfügt, und in diesem Fall kann ein durch Verdampfen erhaltener Gasstrom direkt in die Kolonne zurückgeführt werden, ohne mit den anderen vermischt zu werden.
Andererseits kann man auch Zwischenrückflüsse in die Kolonne leiten, indem man einem Punkt in der Mitte eine gasförmige Fraktion entnimmt, sie zumindest teilweise durch Abkühlung durch Verdampfen mindestens einer durch Verflüssigung erhaltenen flüssigen Fraktion kondensiert und das flüssige Kondensat in die Kolonne zurückleitet.
Dadurch kann man vor allem den Durchsatz an oben zu kondensierendem Dampf verringern.
Obgleich eine Bodenkolonne erwähnt wurde, kann diese Kolonne natürlich auch von anderer Art sein, vorausgesetzt, daß sie eine Fraktionierung und die Entnahme von Flüssigkeit an Punkten verschiedener Höhe ermöglicht.
Das Kühlmedium muß natürlich mindestens einen Bestandteil enthalten, der durch einfache Kompression bei gewöhnlicher Temperatur verflüssigt werden kann.
Das Naturgas wird gewöhnlich unter einem Druck von ca. 10 bis 70 bar verflüssigt.
In der Regel beträgt die Temperatur des oben aus der Verflüssigungskolonne (Leitung 14 in der Figur) abgezogenen nicht kondensierten Gases etwa —60° bis — 125° C. Der flüssige Rückfluß (Leitung 15) hat eine niedrigere Temperatur, gewöhnlich zwischen —80° und -130° C.
Nach dem erfindungsgemäßen Prinzip kann man zu zahlreichen anderen Zwecken als der Herstellung von flüssigem Naturgas cir.e fortschreitende Kühlung erzielen, wie etwa zum Zwecke der Verflüssigung von Industriegasen, vor allem Wasserstoff, Stickstoff und Helium im Hinblick auf deren Transport und Speicherung, wobei die Fraktionierung eines Gasgemisches durch fortschreitendes Abkühlen zur Bildung einer kondensierten Phase führt, wodurch hauptsächlich, wie bereits ausgeführt wurde, die Trennung einer schweren und einer leichten Fraktion aus dem Naturgas erzielt werden kann, aber auch der verschiedenen leichten Bestandteile, die in den Produktströmen einer Anlage zur Dampfkrackung von Naphtha enthalten sind, wie Methan, Äthylen, Äthan, Propan, oder in den Produktströmen einer Anlage zur Dampfkrackung von Äthan, Propan oder Gasöl oder auch die Trennung von Wasserstoff und Methan durch Verflüssigung des Methan.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Verfahren zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids (21) im Gegenstrom-Wärmeaustausch mit einem Mehrkomponenten-Kältemittel, wobei 5 das Kältemittel komprimiert, gekühlt und in einen gasförmigen^) und einen flüssigen (3) Teilstrom aufgeteilt wird, wobei der gasförmige Teilstrom (4) fortschreitend unter Bildung von flüssigen Fraktionen (5, 7, 9) abgekühlt wird, die zur Abkühlung des Fluids dienen, und die verbleibende gasförmige Fraktion (14) als leichtester Bestandteil des gasförmigen Teilstromes (4) ebenfalls zumindest teilweise zur Abkühlung des Fluides herangezogen wird, und wobei der flüssige Teilstrom (3) sowie die flüssigen Fraktionen (5, 7, 9) zunächst im Gegenstrom mit kälteren Fraktionen unterkühlt, entspannt und -anschließend vereint mit diesen Fraktionen zur Abkühlung des Fluides verwendet werden, und die vereinigten Fraktionen im gasförmigen Zustand (16) wieder komprimiert werden, dadurch gekennzeichnet, daß die fortschreitende Abkühlung des gasförmigen Teilstromes (4) in Rektifikationsstufen, insbesondere unter Verwendung einer Rektifikationskolonne (D \) mit Böden, durchgeführt wird, wobei ein Teil der verbleibenden gasförmigen Fraktion (14) nach ihrer Abkühlung als Rückfluß (15) in die oberste Rektifikationsstufe eingeleitet wird.
    30
    Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen und/oder Verflüssigen eines Fluids im Gegenstrom-Wärmeaustausch mit einem Mehrkomponenten-Kältemittel, wobei das Kältemittel komprimiert, gekühlt und in einen gasförmigen und einen flüssigen Teilstrom aufgeteilt wird, wobei der gasförmige Teilstrom fortschreitend unter Bildung von flüssigen Fraktionen abgekühlt wird, die zur Abkühlung des Fluides dienen, und die verbleibende gasförmige Fraktion als leichtester Bestandteil des gasförmigen Teilstromes ebenfalls zumindest teilweise zur Abkühlung des Fluides herangezogen wird, und wobei der flüssige Teilstrom sowie die flüssigen Fraktionen zunächst im Gegenstrom mit « kälteren Fraktionen unterkühlt, entspannt und anschließend vereint mit diesen Fraktionen zur Abkühlung des Fluides verwendet werden, und die vereinigten Fraktionen im gasförmigen Zustand wieder komprimiert werden.
    Die bekannteste Methode zur Verflüssigung von Naturgas besteht darin, mehrere Kühlungskreise zu verwenden, wobei es zur Verflüssigung unter Druck und dann zum Verdampfen eines im wesentlichen aus einem reinen Körper bestehenden Kühlmediums kommt. Um einen Temperaturabfall herzustellen, arbeitet man mit reinen Körpern mit immer niedrigeren kritischen Temperaturen, wobei durch das Verdampfen der Flüssigkeit in jedem Kreise das Kühlmedium mindestens eines der nachfolgenden Kreise gekühlt wird, 6<> welches auf diese Weise auf eine unterhalb seiner kritischen Temperatur liegende Temperatur gebracht werden kann. Bei dieser Methode wird eine Vielzahl von Kompressoren und Wärmeaustauschern benötigt.
    Eine andere, ursprünglich von W. Podbielniak vorgeschlagene Methode besteht darin, daß man mit einem Komponentengemisch arbeitet und dabei die immer leichteren flüssigen Fraktionen kondensiert; diese Kondensation wird durch Abkühlen des Gases unter Druck in Wärmeaustauschern durch Verdampfen flüssiger Fraktionen unter einem niedrigeren Druck erzielt, wobei die durch Verdampfen der flüssigen Fraktionen erhaltenen Dampffraktionen gesammelt und wieder komprimiert werden.
    Diese Methode erfordert weniger Wärmeaustauscher und Kompressoren als die klassische Kaskadenmethode und bietet durch die Möglichkeit, die Zusammensetzung des Kühlmediums zu verändern, eine größere Flexibilität
    Jedoch weist auch diese Methode Schwierigkeiten auf, da das Verdampfen jedes aus dem Kühlmedium erhaltenen flüssigen Kondensats nicht nur die Abkühlung und Kondensation des Naturgases, sondern auch die Kondensation einer neuen flüssigen Fraktion aus dem Kühlmedium ermöglichen muß. Daher werden größere Austauscherflächen und auch ein größerer Durchsatz an Kühlmedium benötigt als bei der Abkühlung des Naturgases allein.
    Die US-PS 36 45 106 beschreibt ein Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas unter Verwendung eines MehrkciTiponenten-Kühlmittels zum Erzielen von Kühlung bei tiefen Temperaturen.
    Das Verfahren zum Verflüssigen eines vorwiegend aus Methan bestehenden Zufuhrstromes umfaßt:
DE2405971A 1973-02-12 1974-02-08 Verfahren zum Abkühlen und/oder Verflüssigung eines Fluids Expired DE2405971C2 (de)

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