DE2430930A1

DE2430930A1 - Verfahren und vorrichtung zur gaskuehlung

Info

Publication number: DE2430930A1
Application number: DE2430930A
Authority: DE
Inventors: Herve Le Bihan; Pierre Cappiello; Bernard Darredeau
Original assignee: TEAL SOC
Current assignee: TEAL SOC
Priority date: 1973-07-03
Filing date: 1974-06-27
Publication date: 1975-01-23
Also published as: NO742411L; GB1475420A; IT1015200B; BE817154A; JPS5063004A; FR2237147A1; NO135841C; US3945214A; NO135841B; SE7408696L; ES427594A1; JPS5718107B2; FR2237147B1; SE423145B

Description

Priorität; v. 3.JuIi 1973 in Frankreich Anm.No.: E.N. 73 24 328

Die Erfindung betrifft die Kühlung eines Gases zwecks Verfiüssigung mindestens eines Bestandteiles oder sämtlicher Bestandteile desselben. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Verfüssigung von Verdampfungsprodukten eines flüssigen Naturgasspeichers/jedoch ist sie auf dieses technische Gebiet nicht beschränkt, wie nachstehend noch erläutert werden soll.

Der Überseetransport von Naturgas in flüssiger Form ist seit einem Jahrzehnt in den industriellen Maßstab eingetreten. Gegenwärtig besteht ein großer Welthandel von verflüssigtem Naturgas, wofür diese Energiequelle in den Erzeugerländern - 409884/0446 - ₂ - .

verflüssigt, mittels zu diesem Zweck besonders konstrui.err ten Schiffen über See zu den Verbraucherländern transportiert und schließlich in diesen wieder verdampft wird, um auf die verschiedenen Verbrauchsstellen verteilt zu werden. Dieser Überseetransport erfolgt mittels Methanschiffen, die Aufnahmetanks für verflüssigtes Naturgas in derartiger Wärmeisolierung aufweisen, daß man diese Ladung unter einem Druck nahe Luftdruck und bei sich -16O°C nähernden Temperaturen aufbewahren kann. Natürlich ist die durchgeführte Wärmeisolierung nicht vollkommen, und ein geringer Teil der Fracht verdampft zwangläufig während der Speicherung auf dem Methantanker. Andererseits verdampft ein anderer Teil des verflüssigten Gases spontan oder zufällig während des Gebrauchszyklus des Methantankers, beispielsweise während der Rückkehr des Schiffes unter Vakuum zum Erzeugerland, wodurch man die Bottiche durch Verdampfung und verflüssigtem Naturgas längs ihrer Wände oder während der Einfüllung der Flüssiggasladung kalt hält. Beispielsweise verliert ein Methanfrachter, der 125 000 m verflüssigtes Naturgas transportiert, ungefähr 0,25 % seiner Ladung je Tag. Bei ein und demselben. Schiff gehen also 2 % des transportierten Volumens auf einer Hin- und Rückreise von 4 Tagen verloren. Unter normalen Gebrauchsbedingungen der Methantanker sind also die erzeugten Mengen an verdampftem Naturgas nicht zu vernachlässigen, und somit stellt sich die Aufgabe, einen Verwendungszweck für diese Verdampfungsprodukte zu finden, die allgemein aus Methan und gegebenenfalls einem geringen Anteil Stickstoff bestehen.

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Bisher wurde das an Bord des Tankers verdampfte Naturgas entweder· in die Atmosphäre .ausgestoßen oder unter den Schiffskesseln verbrannt. Diese Lösung wurde aus folgenden Gründen immer weniger befriedigend. Da einerseits die Knappheit an Naturgas und dessen Kosten immer höher werden, wird es prohibitiv, diese Verdampfungsprodukte entgültig verlorengehen zu lassen oder sie unter den Kesseln zu verbrennen, während andere Brennstoffe besser zugänglich oder billiger sind. Wenn andererseits die Kosten von verflüssigtem Naturgas, die sich aus der Erzeugung, dem Transport und der Verteilung dieses Energieträgers ergeben, immer höher werden, wird es zwingend, die vorgenommenen Investitionen möglichst rentrabel zu machen, indem man das Fassungsvermögen der Methantransporttanker für das verfügbare Speiehervolumen vergrößert.

Aus allen diesen Gründen ist es derzeit wirtschaftlich interessant geworden, die sich aus der Speicherung von verflüssigtem Naturgas ergebenden Verdampfungsprodukte an Bord des Methantankers wieder zu verflüssigen. Die Kosten des eingesetzten Verfüssigers sind niedrig, im Vergleich zu dem durch die Erhöhung der Transportkapazität des Methantankers erzielten Gewinn ι Zahlreiche Materialien und Verfahren stehen gegenwärtig für die Verflüssigung zur Verfügung, aber wenn man sie im Nachstehenden überprüft, scheint keines der Umgebung und den Ausnutzungsbedingungen eines Methantankers angepaßt zu sein. Die Inganghaltung eines Verflüssigers zu Lande, beispielsweise zur Verflüssigung der Verdampfungsprodukte --. - 4 -

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eines ortsfesten Speichers, bietet nämlich im allgemeinen keinerlei besondere Schwierigkeit, da das Vorhandensein eines allgemein qualifizierten Personals das Funktionieren der Anlage gewährleistet und die Spezialisten bei einem Unfall oder einer Panne intervenieren können. Dies ist jedoch bei einem an Bord eines Tankers montierten Verflüssiger nicht der Fall, dessen Anlegung folgenden Anforderungen entsprechen muß:

Der Verflüssiger soll von einer für die Inganghaltung dieser Installationsart nicht qualifizierten Person beherrscht werden.

Er soll keinerlei Einschaltung von Spezialisten während langer Zeiträume, insbesondere während mindestens eines Nutzungszyklus des Methantankers, erfordern.

Während der Zeiträume, wo der Methantanker sich auf See befindet, soll er bezüglich des Kältemittels autonom sein.

Er darf die Sicherheit des Tankschiffes insbesondere durch Einsatz von zu hohen Betriebsdrücken nicht beeinträchtigen.

Er soll keinerlei erhebliche Hilfsapparaturen, wie Pumpen, Kompressoren usw., erfordern.

Die Zusammensetzung der wieder verflüssigten Verdampfungsprodukte soll praktisch identisch mit denen der vorher aus dem

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Spe.icher ausgetretenen Dämpfe sein, um während des Transpor— ·"-.""--.""--■- * -

tes die ursprümgliche Zusammensetzung der Ladung zu erhalten.

Alle diese Bedingungen zwingen also zur Entwicklung einer Verflüssigung, die eine große Betriebssicherheit und große Einfachheit im Einsatz bietet. Man kann in erster Linie die Verflüssigung der Verdampfungsprodukte des verflüssigten Naturgases mittels eines offenen Kältekreises durch freie Entspannung des Naturgases von einem hohen Druck auf■einen Niederdruck in Betracht ziehen. In diesem Fall ist der erforderliche Hochdruck zu groß, nämlich in der Größenordnung von 150 Bar, um den gestellten Sicherheitsbedingungen für den Betrieb von Methahtankern genüge zu leisten.

Man kann den für die Verflüssigung der Verdampfungsprodukte notwendigen Druck senken, indem man einen geschlossenen Kaskadenkältezyklus einsetzt, dessen Stufen jeweils mit einem reinen, in Verdampfung stehenden Stoff arbeiten (beispielsweise eine erste Stufe arbeitet mit Propan und eine zweite Stufe arbeitet mit Äthylen).Man gelangt jedoch in diesem Fall zu einem Verflüssiger, der nur eine begrenzte Betriebssicherheit in Anbetracht der Zahl der drehenden Maschinen (ein Kompressor je Stufe) bietet und eine relativ komplizierte Betriebsweise besitzt.

Es wurde schon vorgeschlagen, die Verdampfungsprodukte eines Speichers von verflüssigtem Naturgas mittels eines geschlossenen Kältezyklus zu verflüssigen, der durch isotropische Ent-

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spannung, d.h. Entspannung unter gleichzeitiger Arbeitsleistung eines geeigneten Strömungsmittels, wie Stickstoff, arbeitet. In diesem Fall werden die Verdämpfungsprodukte unter Luftdruck durch Wärmeaustausch mit gasförmigem Stickstoff kondensiert, der unter Wiedererwärmung entspannt wird. In diesem Fall ist jedoch ebenfalls die Betriebssicherheit des Verflüssigers begrenzt, weil drei drehende Maschinen, nämlich Kompressor und Entspannungsturbine in Vereinigung mit einem Bremskompressor, eingesetzt werden. Außerdem erfordert die Verflüssigung unter Luftdruck den Einsatz einer zusätzlichen Apparatur für den Verflüssiger, wie eine Pumpe, die bei niedriger Temperatur arbeitet, um die Verflüssigten Dämpfe zum Speicher zurückzuführen.

Man kann diese Verdampfungsprodukte auch mittels eines Kaskadenzyklus mit einheitlichem Strom oder sogenanntem inkorporierten Kaskadenzyklus verflüssigen, indem man ein einziges Kältemittel aus mehreren reinen Substanzen verwendet. Ein solcher Zyklus ist in der französischen Patentschrift 1 302 989 und ihren Zusatzpatentschriften 80 294 und 86 485 sowie in der französischen Patentschrift 1 516 728 und ihrer Zusatzpatentschrift 91 762 beschrieben. In diesem Fall kann der inkorporierte Kaskadenzyklus geschlossen sein. Dann werden die Verdampfungsprodukte unter Druck und getrennt bezüglich des Kältemittels durch Wärmeaustausch mit letzterem im Zustand der Verdampfung kondensiert. Ein solcher Zyklus ist mit den Betriebsbedingungen eines Methantankers aus folgenden Grünäen

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nicht verträglich: *

Im Hinblick auf die unvermeidlichen Verluste an Kältemittel, z.B. Leckagen usw., verlangt dieser Zyklus den Einsatz mehrerer unabhängiger Hilfsspeicher für jeden Bestandteil des Kreislaufgemisches, z.B. Äthan, Propan, Butan und eventuell Stickstoff. Wenn auch das Methan leicht aus der Ladung an verflüssigtem Naturgas erhalten werden kann, ist doch eine Pumpe zuB Einführung dieses Bestandteiles in den Verflüssiger bei niederem Drück des Zyklus notwendig.

Trotz der Möglichkeit, den Verflüssiger mit zahlreichen Regelungen zu versehen, bleibt eine Handregelung der Zusammensetzungen des Kältemittels ständig notwendig, um eine günstigste Zusammensetzung des Kreislaufgemisches zu erhalten. Dieses verlangt somit die Gegenwart einer qualifizierten Person an Bord des Methantankers.

Das Problem der Regelung der Kältemittelzusammensetzung und der Hilfsspeicher an reinen Substanzen läßt sich zum Teil durch Einsatz eines korporierten Kaskadenzyklus vom offenen Typ lösen

Gemäß diesem Verfahren kühlt man die Verdampfungsprodukte zwecks Verflüssigung des Methans und eventuell des Stickstoffs dieses Gases unter Benutzung eines Kältekreises vom offenen Typ, der mit einem einzigen Kältemittel arbeitet, das

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Methan/ Äthan, Propan, Butan und eventuell Stickstoff enthält. Dieser Zyklus besteht darin, daß man

1. das Kältemittel von einem niedrigeren Druck (ein oder mehrere atm) auf einen hohen Druck,(beispielsweise in der Größenordnung von 30 atm) verdichtet,

2. ein das verdichtete Kältemittel enthaltendes Gasgemisch einer franktionierten Kondensation unter hohem Druck unterzieht, der gestattet, mehrere kondensierte Fraktionen zu erhalten; eine erste kondensierte Fraktion wird so nach Teilkondensation mindestens des verdichteten Kältemittels in Wärmeaustausch mit einem äußeren Kältemittel, wie Wasser, und nach Abtrennung einer Gasfraktion erhalten, die der fraktionierten Kondensation folgt,

3. jede kondensierte Fraktion bei niedrigem Druck entspannt,

4. unter dem Niederdruck mindestens eine entspannte Kondensatfraktion mit dem Rest des unter diesem Druck strömendem Kältemittels vereinigt,

5. diese entspannte und mit dem Kältemittel vereinigte Fraktion verdampft und mindestens teilweise zumindest das Kältemittel, das sich unter niedrigem Druck befindet, im Wärmeaustausch mit dem Gasgemisch im Verlauf der fraktionierten Kondensation unter dem hohen Druck erwärmt.

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Da dieser Zyklus offen ist, vereinigt man gleichzeitig das Kältemittel mit den Verdampfungsprodukten,und das zu verflüssigende Methan und eventuell Stickstoff wird nach Kondensation am Ende der fraktionierten Kondensation von einem Gasrestteil des Kältemittels abgetrennt und aus dem Kältekreis abgezogen.

Die Vereinigung des Kältemittels und des zu verflüssigenden Gases kann unter niedrigem Druck beispielsweise von der Ansaugseite des Kompressors nach Erwärmung des behandelten Gases auf umgebungstemperatur und Wiederverdichtung auf niedrigen Druck oder unter Hochdruck beispielsweise auf der Forderseite des Kompressors nach Erwärmung auf Umgebungstemperatur und Wiederverdichturig auf.den hohen Druck oder im Verlauf der Kühlung des Kältemittels erfolgen. In diesem Fall ist das behandelte Gas kalt oder vorher durch Wärmeaustausch mit dem Kältemittel gekühlt.

Dieser Zyklus gestattet, das Problem der Hilfsspeicher und der Regelung der Zusammensetzung des Kältemittels zu vereinfachen, weil das Methan und ggf. Stickstoff in den Verdampfungsprodukten vorliegen und unmittelbar ohne Hilfsapparatur in den Kältekreis eingeführt werden. Wenn diese Lösung ä priori für den Fall vorteilhaft erscheint, daß ein Verflüssiger an Bord eines Methantankers angeordnet werden soll, so ist sie trotzrdem aus Gründen der folgenden Schwierigkeit ungeeignet. Es ist unmöglich, am Ende der fraktionierten Kondensation das Äthan des Kältemittels und das aus den Verdampfungsprodukten

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wieder verflüssigte Methan vollständig zu trennen. Letztere

führen nämlich einen nicht zu vernachlässigenden Teil des Äthans des Kältemittels mit sich zum Speicher.mit. Dies verträgt sich nicht mit der Erhaltung einer verflüssigten Naturgasladung auf einer festen Zusammensetzung.

Auf Grund dieser Analyse der vershiedenen Lösungen, die zur Lösung der gestellten Aufgabe verfügbar sind, erscheint also keine wirklich angepaßt an die Betriebsbedingungen und die Umgebung auf einem Methantanker. Infolgedessen bleibt das Bedürfnis für einen Verflüssigungszyklus bestehen, der den Methantankern besonders angepaßt ist, und die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe der Schaffung eines Verflüssigungsverfahrens, das den vorstehend festgelegten Betriebserfordernissen entspricht, insbesondere bei einem Verflüssigungsverfahren mit nur einer drehenden Maschine, das auch völlig regelbar ist, also eines besonders betriebssicheren Verfahrens, das eine völlig automatische Betriebsweise gestattet.

Es wurde festgestellt, daß diese Aufgabe gemäß der Erfindung zufriedenstellend gelöst werden kann, indem man den inkorporierten Kaskadenzyklus offener Art, der im Vorstehenden näher angegeben wurde, vereinfacht.

Im Rahmen eines derartigen Kaskadenzyklus wurde nämlich festgestellt, daß bei Benutzung eines KältemitteIs,das kein . - 11 -

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Äthan oder Äthylen enthält, also aus Methan und gegebenenfalls Stickstoff, aber auch Propan und Butan, besteht, es möglich ist, einerseits den vorstehend angegebenen Erfordernissen zu entsprechen und andererseits die Verdampfungsprodükte ohne wesentliche Beeinträchtigung ihrer Zusammensetzung zu verflüssigen.

Genauer gesagt enthält das Kältemittelgemisch mit den behandelten Verdampfungsprodukten Hauptbestandteile, die sich ausschließlich verteilen auf

eine leichte Fraktion, die Methan (am wenigstens flüchtiger leichter Bestandteil, identisch mit dem am wenigsten flüchtigen Hauptbestandteil des zu kühlenden und/oder zu kondensierenden behandelten Gases) und gegebenenfalls Stickstoff enthält,

eine schwere Fraktion, wie Propan (denflüchtigsten schweren Bestandteil) und Butan (dem anderen schweren Bestandteil), die in der Volumenzusammensetzung an Hauptbestandteilen des zu kühlenden Gases fehlen und deren Siedepunkte von denen des Methans durch eine Unstetigkeit von 119 C bzw. 149°C getrennt sind.

Die Verdampfungsprodukte werden mit dem so definierten Kältemittel vereinigt, und das so gebildete Gemisch wird bei dem hohen Kreislaufdruck verdichtet und dann der fraktionierten Kondensation unterzogen. Vor Abtrennung der ersten kondensier· ■ - 12 -

. ' 409 88A/0 44 6

ten· Fraktion enthält dieses Gemis.ch also ausschließlich

einen schweren Anteil, der die schwere Fraktion (Butan und Propan) des Kältemittels umfaßt/ und einen leichten Anteil, der die. zu verflüssigenden Gasbestandteile und die leichte Fraktion des Kältemittels (Methan und eventuell Stickstoff der Verdampfungsprodukte) umfaßt, enthält. Das Gemisch gemäß der Erfindung ist also nach der fraktionierten Kondensation gekennzeichnet durch eine große Unstetigkeit in den Flüchtigkeiten der in dem Kältekreis umlaufenden Bestandteile, und zwar auf Grund der Abwesenheit von Äthan. Es besteht nämlich ein Sprung von 119 C zwischen dem normalen Siedepunkt (unter Luftdruck) des Methans (-161⁰C) (wenigst flüchtiger Bestandteil der leichten Fraktion des Kältemittels) und dem normalenSSiedepunkt des Propans (-42⁰C) (flüchtigster Bestandteil der schweren Fraktion des Kältemittels).

Daraus folgt, daß während des FraktionierkondensationsVorganges der schwere Ante il(Propan und Butan) sehr leicht von dem leichten Anteil (Methan und eventuell Stickstoff) abgetrennt wird, und daß es so sehr leicht ist, die schwere Fraktion und die leichte Fraktion des Kältemittels im Gaszustand unter Niederdruck wieder herzustellen, indem man lediglich unter dem Hochdruck trennt und die Bestandteile des behandelten Gases in flüssigem Zustand gewinnt. Auf diese Weise haben die wiederverflüssigten vom Verflüssiger abgegebenen Verdampfungsprodukte eine nahezu identische Zusammensetzung an Methan und gegebenenfalls Stickstoff derjenigen

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des vom Speicher des verflüssigten Naturgases abgezogenen Verdainpfungsprodukte, und sie enthalten nur einen zu vernachlässigenden Anteil an Propan und Butan (weniger als 0,3 Volumen-%) , . ' ■- -

In Anbetracht der sehr guten Trennung von Propan und Butan vom Methan 1st somit ein Verflüssigungszyklus gemäß der Erfindung eigenartig, insofern als er sich thermisch im wesentlich wie ein freier Entspannungszyklus verhält, der die Endverflüssigung von Methan gestattet, indem man mit einem Kaskadenzyklus mit getrennten Strömen arbeitet, der zwei Stufen aufweist, die mit Butan und Propan arbeiten, um die Anfangskühlüng des Methans sicherzustellen. In diesem Fall gestattet aber der Kältezyklus gemäß der Erfindung, die Mangel auszuschalten, die gleichzeitig dem freien Entspannungszyklus und dem Kaskadenzyklus mit getrennten Strömen anhaften, wie vorstehend erörtert wurde. ·

überraschenderweise und entgegen aller Erwartung wurde gefunden, daß der Verbrauch eines Verflüssigungszyklus gemäß der Erfindung nicht· prohibitiv ist, insbesondere wenn man die geringe Kapazität der Verflüssigungsanlage berücksichtigt, und in jedem Fall demjenigen eines isentropen Stickstoffentspanmmgskreises, wie er vorstehend dargelegt wurde, gleicht.

IJm eine gute Energieausbeute zu erhalten, ergibt sich bei einen inkorporierten Kaskadenzyklus nämlich im allgemeinen, daß das Kältemittel für den Niederdruck eine - Verdampfungskurve, d.h.

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eine Kurve, die die durch das Kältemittel zurückgewonnene Wärmemenge als Funktion der Temperatur ausdrückt, von ähnlicher Form, wie diejenige der Kondensationskurve des Gasgemisches im Verlauf der Abkühlung unter hohem Druck, d.h. eine Kurve, welche die von dem Gasgemisch abgegebene Wärmemenge als Funktion der Temperatur ausdrückt, haben muß, in solcher Weise, daß die Temperatürabstände in den Austau.— schern klein sind. Dies ergibt sich z.B. aus der Veröffentlichung von Kleemenko auf dem 10.internationalen Kälfeekongress in Kopenhagen im Jahre 1959 (Pergamon Press 1960, Band 1, Seiten 34 bis 39). Es wird zugegeben, daß diese Bedingung nur für ein Kältemittel erfüllt werden kann, das eine große Zahl von Bestandteilen aufweist, deren jeweilige Flüchtigkeiten untereinander keinerlei erhebliche Unstetigkeit aufweisen, d.h. deren Intervalle zwischen den aufeinanderfolgenden Siedetemperaturen relativ regelmäßig sind. Bei der Erfindung ist es auch überraschend festzustellen, daß für eine kleine Verflüssigungskapazität die Energieleistungen nicht wesentlich bei einem Kältemittel beeinträchtigt werden, das kein Sthan oder Äthylen aufweist und somit eine Unstetigkeit von 119°C in den absoluten Flüchtigkeiten der Kreislaufgemischbestandteile aufweist.

Die Erfindung bietet also einen Verflüssiger, der aus folgenden Gründen einem Methandampfer besonders angepaßt ist*

Die Zusammensetzung der Ladung wird durch die Verflüssigung der Verdampfungsprodukte wegen der guten Trennung des Kälte-

. 409884/0446 " ¹⁵ "

mittels und des verflüssigten Gases nicht wesentlich beein-

trächtigt. ·

An der leichten Trennung der eingesetzten Bestandteile weist der Verfiüssigungszyklus nur zwei Stufen auf. Der Betrieb des Verflüssigers kann also sehr leicht automatisiert werden, es bedarf somit keiner qualifizierten Bedienungsperson. Insbesondere ist sein Betrieb nicht komplizierter als der des Haushaltskühlschrankes.'

Weil das Methan des Kältemittels von den Verdampfungsprodukten entnommen wird, ist nur eine begrenzte Vorratshaltung an Propan und Butan erforderlich, die einheitlich sein kann, weil diese Bestandteile in vorbestimmten Mengenverhältnissen vermischt werden; außerdem kann die Vorratshaltung bei normaler Temperatur erfolgen.

Die Verflüssigung der Verdampfungsprodukte erfolgt unter relativ niedrigem Hochdruck, beispielsweise in der Größenordnung von 30 atm, so daß die Sicherheit des Tankers nicht beeinträchtigt ist. -.-;.■■ . '.

Da der Niederdruck höher als der Speicherdruck ist, können die wiederverflüssigten Verdampfungsprodukte zu den •Vorratsbehältern einwandfrei zurückgeführt und darin ohne Hinzuziehung eines Hilfsgerätes, wie einer Kältepumpe, verteilt werden.

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Wenn die eben beschriebene Erfindung an Hand der Widerverflüssigung von Verdampfungsprodukten ♦on Methantankern vorstehend beschrieben wurde, so wurde doch auch festgestellt, daß die oben dargelegten Grundgedanken sich für jede Wiederabkühlung eines Gases, das die Rolle von Verdampfungsprodukten spielt, anwendbar sind, um mindestens einen Bestandteil dieses Gases, der die Rolle des Methans spielt, zu verflüssigen, indem man einen einstromigen Kältezyklus oder inkorporierten Kaskadenzyklus offener Art einsetzt, der mit einem mehrere Bestandteile aufweisenden Kältemittel arbeitet.

Allgemein gesagt, genügt es für die Möglichkeit, mindestens einen Bestandteil des behandelten Gases zu verflüssigen, daß das gewählte Kältemittel auch Bestandteile besitzt, die sich ausschließlich auf eine leichte Fraktion, deren leichter verdampfbarer Bestandteil identisch mit dem am wenigsten flüchtigen Hauptbestandteil des zu kühlenden Gases ist, und eine schwere Fraktion, deren flüchtigster schwerer Bestandteil bei der Volumenzusammensetzung des zu kühlenden Gases an Hauptbestandteilen fehlt, verteilt und daß das Kältemittel einen normalen Siedepunkt besitzt, der von demjenigen des am wenigsten flüchtigen leichten Bestandteiles in einem Abstand von mindestens 70 C liegt. Das eingesetzte Kältemittel besitzt somit ein höheres durchschnittliches Molekulargewicht als das behandelte Gas.

Dank dem grundlegenden Merkmal der Erfindung ist es somit möglich, in erheblichem Maße den Einsatz eines inkorporierten.

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Kaskadenkältezyklus offener Art zu vereinfachen und diesen vollkommen der Verflüssigung eines einzigen reinen Stoffes anzupassen. Die Erfindung gestattet also, diesen Kältekreis auf einen Verflüssiger zu übertragen, d.h. eine Verflüssigungsanlage kleiner Kapazität, verglichen mit den Produktionskapazitäten einer Erzeugungsanlage für verflüssigtes Naturgas vom "peak-shaving"- oder "base-load"-Typus. Infolgedessen gestattet die Erfindung, den inkorporierten Kaskadenzyklus offener Art auf einem neuen technischen Sektor der Verflüssigung und Kühlung einzuführen.

Bei Anwendung des Grundgedankens der Erfindung ist es somit möglich,Stickstoff als zu verflüssigender Bestandteil mittels eines inkorporierten Kaskadenzyklus offener Art zu verflüssigen, dessen schwere Fraktion des Kältemittels, beispielsweise Äthan, Propan und gegebenenfalls Butan, als schwere Bestandteile umfaßt. Ebenso läßt sich nach demselben Prinzip Äthylen als zu verflüssigender Bestandteil durch Einsatz von Butan als schwerem Bestandteil verflüssigen. Es ist auch möglich, Äthan durch Einsatz von Isobutan usw. zu verflüssigen.

Im vorliegenden Zusammenhange haben die vorliegenden Ausdrücke die hierzu angegebenen Bedeutungen:

Kältemittel: Ein Gemisch mehrerer reiner Stoffe oder Hauptbestandteile, die physikalisch identifizierbar sind oder nicht, im inkorporierten Kaskadenzyklus offener "Art im Kreis laufen, und. deren einzige Funktion die Kälteerzeugung ist.

409884/0446 ^₁₈.

Zu kühlendes Gas: Ein Gas, enthaltend mindestens einen*reinen Stoff oder Hauptbestandteil, dessen teilweise oder vollständige Verflüssigung gewährleistet werden soll, wobei die verschiedenen zu verflüssigenden Bestandteile in fraktionierter Weise, d.h. nacheinander oder insgesamt, d.h. gleichzeitig und zusammen kondensiert werden.

Leichter Bestandteil: Ein reiner Stoff oder Hauptbestandteil des Kältemittels, identisch mit einem Hauptbestandteil des zu kühlenden Gases, insbesondere identisch mit dem am wenigsten flüchtigen Bestandteil des zu kühlenden Gases.

Schwerer Bestandteil: Ein reiner Stoff oder Hauptbestandteil des Kältemittels, der in der Volumenzusammensetzung der Hauptbestandteile des zu kühlenden Gases fehlt und dessen normaler Siedepunkt um mindestens 70 höher als derjenige des am wenigsten flüchtigen Hauptbestandteiles des zu kühlenden Gases, also als derjenige des am wenigstens flüchtigen leichten Bestandteiles ist.

Gemisch: Das Gemisch, das unter dem hohen Druck der fraktionierten Kondensation unterliegt, insbesondere das vor der Abtrennung der ersten kondensierten Fraktion und nach der durch Wärmeaustausch mit einem äußeren Kältemittel erfolgten partiellen Kondensation isoliert wurde. Es handelt sich um Kältemittel im reinen Zustand, während das zu kühlende Gas mit dem Kältemittel unter hohem Druck nach der teilweisen Kondensation oder im Verlauf der fraktionierten Kondensation

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des Kältemittels vermischt wird. Es handelt sich um das Gemisch des Kältemittels und des zu kühlenden Gases, deren letzteres im Kreislaufgemisch nach seiner Verdichtung und vor der partiellen Kondensation zugemischt oder dem Kreislaufgemisch unter dem niedrigen Druck vor der Verdichtung beigemischt wird.

Unter "volumetrischer Zusammensetzung" ist eine Zusammensetzung, ausgedrückt in Volumenprozenten, im Gegensatz zu einer Zusammensetzung in Molprozenten zu verstehen. Unter "Hauptbestandteil" ist ein Bestandteil zu verstehen, dessen volumetrischer Prozentsatz (in dem Kältemittel, dem zu kühlenden Gas oder der Gasmischung) größer als 1 % ist; die Bestandteile, deren Volumenprozentsatz kleiner als 1 % ist, werden als sekundäre Bestandteile oder Verunreinigungen betrachtet, da sie nur einen zu vernachlässigenden Einfluß auf den thermischen Wirkungsgrad des Verfahrens haben und infolgedessen für die Definition der Erfindung nicht in Betracht "gezogen werden.

Unter "volumetrische Zusammensetzung an Hauptbestandteilen" ist also eine auf die Bestandteile beschränkte Zusammensetzung zu verstehen, deren Volumenprozentsatz höher als 1 % liegt.

Ein Kältemittel unter Niederdruck reichert sich fortschreitend an schwerem Bestandteil vom kalten Ende des Verflüssigers bis zum wärmen Ende bei Umgebungstemperatur des letzteren infolge des Zusatzes mehrerer entspannter kondensierter

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Fraktionen. an, während das Kältemittel unter Hochdruck^ fortschreitend am schweren Bestandteil, vom warmen Ende zum kalten Ende auf Grund der fraktionierten Kondensation verarmt. Auch liegen Zusammensetzung und Strömungsmenge des Kältemittels nicht fest, und außerdem ist das Kältemittelgemisch nur selten als solches identifizierbar, aber es kann mit dem zu verflüssigenden Gas vermischt werden. Da das Kältemittel im reinen Zustand nicht identifizierbar nach Zusam-

mensetzung,durchschnittlichem Molekulargewicht, Strömungsist
menge usw., kann man folglich eine Berechnung dieser Werte

auf zwei verschiedene Arten vornehmen:

Durch Summierung der gasförmigen oder flüssigen oder zweiphasischen Anteile, die man aus dem Gemisch erhält, wenn man es der fraktionierten Kondensation unter einem hohen Druck aussetzt, mindestens auf einen Niederdruck entspannt und zu einer Kompressionsstufe des eingesetzten Kompressors zurückführt.

Durch Differenz zwischen dem Gemisch, das der fraktionierten Kondensation unterzogen worden ist, und der Summe der eintretenden Fraktionen,also das zu verflüssigende Gas, oder der Summe der austretenden Fraktionen, also das verflüssigte Gas.

So können im Falle der Zeichnung die Strömungsmenge und die Zusammensetzung des Kältemittels berechnet werden:

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■■.'. - -, ■. .".'.■■ -■■. : ■.- 2ΐ.-

Entweder indem man die durch die Ventile 15a, 15b entspannten Anteile und den durch Leitung 18 recyclierten Teil addiert und die in. jedem Anteil enthaltenen Mengen jedes Bestandteiles summiert, .

oder indem man die durch Leitung 24 eintretende Fraktion von dem durch Leitung 6 austretenden Gemisch abzieht und die Mengen jedes Bestandteiles der eintretenden Fraktion von denjenigen des Gemisches subtrahiert.

Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, die eine vorteilhafte Anlage zur Kühlung von Verdampfungsprodukten aus einem verflüssigten Natur-, gasvorrat darstellt und die Verflüssigung von Methan und gegebenenfalls Stickstoff aus dem behandelten Gas gestattet. Die dargestellte'Vorrichtung besteht aus einem Kältesystem offener Art und besitzt

1. einen Zentrifugalkompressor 1, der mittels einer Dampfturbine 43 betrieben wird und dessen Saugseite 2 und Druckseite 3 unter einem Niederdruck in der Größenordnung von 1,2 ata bzw. einem Hochdruck in der Größenordnung von 30 ata arbeiten,

2. einen Kondensator 5, der durch einen äußeren Kühlmittelkreislauf, getrennt von demjenigen des Kältesystem, z.B.

. Wasser, gekühlt wird und dessen Einlaß 4 mit der Druckseite 3 des Kompresors 1 verbunden ist,

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3. zwei im Strömungssinne des Kühlmittels hintereinander, als Kaskade angeordnete Fraktionierkondensationeinheiten; die Bauteile der ersten und der zweiten Einheit sind mit Zahlen bezeichnet, die als Indices den Buchstaben a bzw. b tragen. Im Strömungssinne des zu kondensierenden Gasgemisches besitzt jede Einheit einen Separator 7, dessen Zweiphaseneintritt 8 mit einem vorhergehenden Kondensatkanal (12 a für den zweiten Abscheider 7b, Auslaß 6 des Kondensators für den ersten Abscheider 7a) kommuniziert; ein Kondensatkanal 12 kommuniziert am einen Ende mit dem Gasauslaß 9 dieses Abscheiders und am anderen Ende mit dem Zweiphaseneinlaß 8 des folgenden Abscheiders; ein Verdampfungskanal 14 steht, in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kondensatkanal 12; ein Unterkühlungskanal 13 steht am einen Ende mit dem Flüssigkeitsauslaß des Abscheiders 7 und am anderen Ende mit der Aufstromseite eines EntspannungsventiIs 15 in offener Verbindung und in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Verdampfuiigskanal 14; die Kanäle für Kondensation 12, Unterkühlung 13 und Verdampfung»^ sind innerhalb desselben Austauschers 11 angeordnet; das Entspannungsventil 15 kommuniziert aufstromseitig über den Unterkühlungskanal 13 mit dem Flüssigkeitsauslaß 10 des Abscheiders 7 und abstromseitig mit dem Verdampfungskanal 14 über eine Leitung 36 und einen Abscheider 41, dessen Funktion nachstehend erläutert werden wird; die Leitungen 18, 36b, 14b, 37, 16, 36a, 14a und 17 stellen einen einheitlichen Verdampfungsdurchlaß dar, der am einen Ende mit dem Gasauslaß 2O eines

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.letzten Verdampfers 19 und am anderen Ende über einen Sicherheitsabscheider 44 mit der Saugseite 2 des Kompressors 1 in offener Verbindung steht,

4. den Endabscheider 19, dessen Zweiphaseneinlaß 22 über ein Entspannungsventil 47 mit dem Kondensationsdurchlaß 12b der zweiten Fraktionierkondensationseinheit kommuniziert,

5. eine Speiseleitung 24 für zu kühlendes Gas, die am einen Ende über das Gebläse 23 mit einem Speicher 42 für verflüssigtes Naturgas und am anderen Ende mit dem Kreis des behandelten Gasgemisches durch den Kompressor !,oder genauer gesagt, mit dem vorstehend genannten Verdampfungskanal zwischen der ersten und der zweiten Einheit der fraktionierten Kondensation offen verbunden ist,

6. eine Abzugsleitung 50 für verflüssigtes Methan, die am einen Ende mit dem Flüssigkeitsausiaß 21 des Endabscheiders 19 und am anderen Ende mit dem Speicher 42 des verflüssigten Naturgases verbunden ist,

7. einen der ersten Kondensationseinheit des Kältesystems zugeordneten Speicherbehälter 25, der einen mit Entspannungsventil 32 versehenen Einlaß und einen Gasauslaß 27 sowie einen Flüssigkeitsauslaß 26 aufweist. Das Entspannungsventil 32 steht mit dem Flüssigkeitsauslaß 10a des ersten Abscheiders 7a in Verbindung, und der Gasaus-

- 24 409884/04 46

laß 27 und der Flüssigkeitsauslaß 26 sind über Ent* spannüngsventile 28 bzw. 29 mit dem Teil 36a des Verdampfungskanals verbunden.

Das dargestellte Gerät ist außerdem mit einer an die Luft mündenden Leitung 34 versehen, die mit dem Gasauslaß 20 des Endabscheiders 19 verbunden ist und nötigenfalls gestattet, periodische Spülungen vorzunehmen und das Spülgas als Brennstoff unter nicht dargestellte Kessel zu schicken.

Die Austauscher 11a und 11b können Plattenaustauscher sein, und in diesem Fall ist es zweckmäßig, das aus Leitung 36 kommende Niederdruckkältemittel in einem Abscheider 41 aufzutrennen und Gasphase und Flüssigkeitsphase getrennt in die Verdampfungskanäle 14 des Austauschers zu schicken.

Im Betrieb gemäß der Erfindung Kühlt man also mittels eines offenen Kältekreises, der mit einem einzigen Kältemittel, bestehend aus mehreren Bestandteilen, arbeitet^ & ie Verdampfungsprodukte als zu kühlendes Gas, die aus dem Speicher 42 mittels Gebläse 23 und Leitung 24 abgezogen werden, um das Methan und gegebenenfalls Stickstoff aus diesen zu verflüssigen und diese Bestandteile kondensiert zum Speicher 42 durch Leitung 50 zu schicken. Das gewählte Lösungsmittel, das im Inneren des beschriebenen Kältesystems umläuft, besteht aus Hauptbestandteilen, die sich ausschließlich auf eine methanhaltige leichte Fraktion (wenigst flüchtiger Bestandteil der leichten Fraktion) und gegebenenfalls Stick-

409884/0446

■'. ΐ. '"Λ-' - 25 -

stoff, eine propanhaltige schwere Fraktion (flüchtigster

Bestandteil der' schweren Fraktion) und Butan verteilen.

Daraus folgt, -daβ das Durchschnittsmolekulargewicht des eingesetzten Kältemittels im allgemeinen wesentlich höher als dasjenige der behandelten aus dem Speicher 42 kommenden Verdampfungsprodukte ist.

Die zu kühlenden und zu kondensierenden Verdampfungsprodukte werden dem Kältezyk-lus unter dessen Niederdruck von ungefähr 1/5 ata mittels des Gebläses 23, das nötigenfalls zur direkten Beförderung der Verdampfungsprodukte unter die Kessel durch Leitung 62 dienen kann, bei einer Zwischentemperatur zwischen der am Austritt 6 des Kondensators 5 gemessenen Umgebungstemperatur und der von dem Kältezyklus gelieferten niedrigsten Temperatur,gemessen im Endabscheider 19,zugebracht. Unter diesen Bedingungen werden die Verdampfungsprodukte mit einem Teil des Kältemittels unter Niederdruck vereinigt, der in dem Verdampfungstrakt 18, 36b, 14b/ 37, 16, 36a, 14a und 17 strömt, zwischen dem ersten Austauscher 11a und dem zweiten Austauscher lib vereinigt, wo sich das Kältemittel auf einer Zwischentemperatur zwischen der niedrigsten und der Umgebungstemperatur, wie vorstehend definiert, gleich oder verschieden von der Zwischentemperatur bei Einführung der Verdampfungs-

produkte 24 befindet. Die so gebildete Mischung, die in · der Leitung 16 strömt, wird im Verdampfungskanal 14a des ersten Aus tauschers 11a erwärmt und. über Leitung 17 zur Ansaugseite 2 des Kompressors 1 geschickt. Dieses Gemisch wird

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dann auf den Hochdruck des Kältekreises von etwa 3O ata

verdichtet.

Das verdichtete Gemisch enthält nach einer fraktionierten Kondensation,die zwischen dem Auslaß 6 des Kondensators und dem Einlaß 8a des Abscheiders 7a feststellbar ist, im wesentlichen einen schweren Anteil, enthaltend die schwere Fraktion des Kältemittels (Propan und Butan) sowie einen leichten Anteil, enthaltend die leichte Fraktion des Kältemittels und das zu verflüssigende Gas (Methan und ggf. Stickstoff). Dieses Gemisch besitzt also eine erhebliche ünstetigkeit hinsichtlich der betreffenden Flüchtigkeiten seiner Bestandteile, weil der normale Siedepunkt des Propans (flüchtigster Bestandteil der schweren Fraktion) und der normale Siedepunkt des Methans (wenigst flüchtiger Bestandteil der leichten Fraktion) durch einen Sprung von 119 C getrennt sind.

Das gasförmige Kältemittel und die Verdampfungsprodukte, die zusammen von Niederdruck auf Hochdruck verdichtet worden sind, unterzieht man als so erhaltenes Gemisch einer fraktionierten Kondensation unter Hochdruck mittels des Kondensators 5 und zweier vorstehend genannter Fraktionierkondensationseinheiten. Nach teilweiser Kondensation des verdichteten Gemisches im Kondensator 5 im Wärmeaustausch mit einem äußeren Kühlmittel, z.B. Wasser, und nach Abtrennung einer Gasfraktion 9a im Abscheider 7a anschließend an die fraktionierte Kondensation erhält man eine erste kon-

4D9884/0U6 ~²⁷~

densierte Fraktion 10a. Nach Kondensation der Gasfrakfcion 9a im Kanal 12a und Abtrennung einer anderen Gasfraktion 9b im Abscheider 7b erhält man eine zweite kondensierte Fraktion lob. Jede Kondensatfraktion 10a oder 10b wird nach Abkühlung im Kanal 13 in einem Ventil 15 auf Niederdruck entspannt. Jede entspannte Fraktion wird unter Niederdruck mit dem Kühlmittel vereinigt, das aus dem Verdampf ungskanal 14 des vorhergehenden Austauschers stammt, und mit dem Kältemittel in einem Verdampfungskanal 14 des folgenden Austauschers im Wärmeaustausch mit dem Gasgemisch im Zustand der kondensierten Fraktion unter Hochdruck/ das in einem Kanal 12 dieses folgenden Austauschers strömt/ verdampft. Das Kältemittel wird also progressiv in den Kanälen 14 des im Zusammenhang mit dem vorstehenden Kältesystem beschriebenen Verdampfungstraktes durch Wärmeaustausch mit diesem sich kondensierenden Gemisch erwärmt.

Schließlich wird die letzte abgetrennte Gasfraktion 9b teilweise im Kanal 12b des Austauschers 11b durch Wärmeaustausch mit der zweiten kondensierten Fraktion 10b während deren Verdampfung im Kanal 14b kondensiert, dann im Ventil 47 auf Niederdruck entspannt und schließlich im Endabscheider 19 in einen Restgasanteil des Kältemittels, der durch den Auslaß 20 abgezogen wird, und einen flüssigen Anteil von praktisch derselben Zusammensetzung, wie die Ausgangsverdampfungsprodukte in Leitung 24, zerlegt. Dieser flüssige Teil wird nach Entspannung im Venbil 61 auf einen Druck nahe- Luftdruck zum Speicher 42 zurückgeführt.

40.9 88 4/04 4 6 - 28 -

Im Betrieb bewahrt man im Behälter 25 in flüssiger Form unter einem Zwischandruck zwischen Hochdruck und Niederdruck einen Vorrat. der schweren Fraktion des Kältemittels aus Propan und Butan auf. Vorzugsweise enthält diese Reserve einen Molprozentsatz zwischen 62 und 67 % Propan und zwischen 33 und 38 % Butan (nicht eingerechnet eventuelle Verunreinigungen) . Diese Reserve kann über ein Ventil 3-3 von außen eingebracht werden.

Diese Kältemittelreserve trägt zum elastischen Betrieb des Kältezyklus bei. Wenn nämlich die gelieferte Kälteleistung gegenüber dem zur Kühlung und Verflüssigung der Verdampfungsprodukte notwendigen Kältebedarf ansteigt/ beschickt man den Behälter 25 durch Abzug einer Flüssigkeitsmenge von der kondensierten ersten Fraktion 10a vom hohen Druck unter Entspannung im Ventil 32. Wenn umgekehrt die gelieferte Kälteleistung für die erforderliche Kälteleistung nicht ausreicht, schickt man mittels der Entspannungsventile 28 und 29 einen Teil des im Speicher 25 aufbewahrten Mittels flüssiger Form und/oder Gasform, der sich mit der ersten kondensierten Fraktion 10a vereinigt, nachdem diese im Ventil 15a auf Niederdruck entspannt worden ist.

Die nachfolgenden Tabellen I und II zeigen die Betriebskennzeichen eines Zyklus der vorstehend beschriebenen Art für die Verflüssigung von im wesentlichen aus Methan bestehenden Verdampfungsproduktenbzw. Verdampfungsprodukttfi/ die

409884/0446 - 29 -

."■■■■■- 29 -

zu 80 % aus Methan und 20 % aus Stickshoff bestehen. Die Zusammensetzungen, ausgedrückt in Volumenprozent, die in normalen'm /h ausgedrückten Strömungsmengen/ d.h. unter Normalbedingungen von Temperatur und Druck, die Temperaturen in ⁰C und die Drücke in ata (1 ata = 1,013 Bar) sind für das. an den verschiedenen Stellen des Kältekreises fließende Strömungsmittel mit Benennung durch die Bezugszeichen der Zeichnung angegeben. Im ersten Fall beträgt die verbrauchte Lelstuiig 5100 kW, und im zweiten Fall 5700 kW.

- 3o -

40988 4/04 4 6

- 3ο Tabelle I

Kreislaufstelle

Zusammensetzung
im Volumen-%

Stömungsmenge in

η m³/h

Temperatur
in ⁰C

Druck
in ata

3	70	11	19	30 110 -	37	33,5
6				30 110	37	33,0
10a	12,4	19,3	68,3	3 412	37	33,0
9a	77,4	9,9	12,7	26 693	- 84	33,0
Sb -				26.698	-· 84	32,4
35a				3 412	- 84	32,5
10b	67,1	14,4	18,5	18 334	- 84	32,4
9b	99,7	0,2	0,04	8 364	- 143	32,4
40.				8 364	- 148	32
35b				18 334	- 151
36b				18 973	- 155	1,55
21	100	0	0	7 720	- 155	1,55
20				644	- 94,5	1,55
37				18 978	- 137,4	1,45
24	100	0	0	7 720	- 100	1.5
36a				30 110	27	1,45
17				30 110	1,2

Durchschnittsmolekulargewicht der Verdampfungsprodukte

16,0

Durchschnittsmolekulargewicht des Kältemittels .

30,8

Zusammensetzung des
Kältemittels in
Volumen-%

59,7

14,8

25,5

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berechnet durch Materialbilanz für jeden Bestandteil auf Grund, eines Vergleiches zwischen 3 und 24.

- 31 -

- 31 Tabelle II

Kreislauf-,s teile

Zusammensetzung in Volumen-%

c7~ c~ ~~c7 W,

Strömungs- Temperatur Druck menge in _Λ_ o„ in ata η m³/h

in ⁰C

-.3	5o,4	15,2	-	27,4	15,6	12,8	33 000	37	33,5
6		14.1			33 CCO	37	33,0
10a	9,8		62,0	0,3	2 733	37 -	33,0
.9a·".	60,6		11,4	13,9	30 267	- 9a.	33,0
8b .		20,0		T -	30 267	- 98	32,4
35a		1,1			2 733	- 33	32,5 ·
IGb	53,8		16,3	4,9	21 157	- 93	32,4- ·
9b	65,0		0,01	34,9	9 110	- 160	32,4
'40	. *				9 110	- 160	32
35b		0,15			21157	- 165	32
36b					23 107	- 179,6	U55
21	30,5		0,01	19,4	7 160	- 179,6	1,55
20					1 950	- 116	1,55
37					23 107	- 135	1,45
24	30,6			19,4	7 160	- 113	1,5 ;
36a . ·				33 000	32 .	1,45
17				33 000	1,2

Durchschnittsmolekulargewicht der Verdampfungsprodukte	18,3
Durchschnittsmolekulargewicht des Kältemittels	31,1
Zusammensetzung des Kältemittels in Volumen-% ". C,	49,7
■* = ■■■■-...- ^C3	19 ,4
^C4	■19,9
N₂	11,0

berechnet durch . Materialbilanz für J jeden Bestandteil * auf Grund eines

Vergleiches zwischen

3 und 24.

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- 32 -

Der vorstehend beschriebene Verflüssiger ist fähig, in* völlig automatischer Weise nach den folgenden Prinzipien zu arbeiten. Natürlich sind die Betriebsparameter des Verflüssigungszyklus, wie Drücke, Temperaturen und Zusammensetzungen zur Abkühlung eines behandelten Gases unter Nennbedingungen für Temperatur, Druck und Zusammensetzung und' zur Gewinnung mindestens eines Bestandteiles dieses Gases im flüssigen Zustand unter vorbestimmten Endbedingungen berechnet. Ebenso ist die eingesetzte Apparatur, wie Kompressor, Austauscher usw., für diese Nennbedingungen definiert. Im praktischen Betrieb können jedoch die Kennzeichen des zu behandelnden Gases in erheblichen Proportionen abgewandelt werden. So können bei einem Methantanker Strömungsmenge und Stickstoffgehalt der Verdampfungsprodukte in einem großen Intervall schwanken. Es ist also notwendig, daß man die Betriebsweise des Verflüssigers diesen Schwankungen automatisch anpassen kann.

Gemäß der Erfindung erfolgt die Regelung bei Verdampfungsprodukten von verflüssigtem Naturgas und für eine vorbestimmte Spanne von Schwankungen der Kennzeichen, beispielsweise Strömungsmenge und/oder Stickstoffgehalt, des behandelten Gases in folgender Weise. Dieser Spanne entspricht ein vorbestimmtes Schwankungsintervall für den Ansaugdruck 2 des Kompressors 1, beispielsweise zwischen 1,2' und 1,4 ata. Innerhalb dieses Bereiches hält man in erster Linie die Drehgeschwindigkeit des Kompressors 1 und in zweiter Linie das Verhältnis zwischen einerseits dem festgestellten Druck-

- 33 -

40988 4/0446

abfall an der Änsaugseite des Kompressors in Leitung 17 durch ein nicht dargestelltes Unterdruckmeßgerät, und andererseits dem Abgabedruck durch gleichzeitige Einwirkung im selben Sinn auf die Ventile 15b und 47 unter Ausschluß des Ventiles 15a konstant, die zwischen Druck und Niederdruck arbeiten. Indem man die Drehgeschwindigkeit des Kompressors, aber auch,das Verhältnis zwischen dem pruckgeiälle des Unterdruckmeßgerätes und dem Abgabedruck konstant hält, bleiben auch die volumenmäßige Strömungsmenge an der Ansaugseite sowie das Kompressxonsverhältnis des Kompressors konstant. :

Diese Regelungsweise gestattet bei einer vorbestimmten Funktionsspanne, die Parameter des Verflüssigungsprozesses in Funktion der Kennzeichen des zu kühlenden Gases automatisch anzupassen. Wenn man nämlich beispielsweise annimmt, daß die. Strömungsmenge der durch Leitung 24 eingeführten Verdampfungsprodukte im Verhältnis zur Nennströmungsmenge ansteigt, steigen der Ansaugdruck und der Abgabedruck des Kompressors 1 relativ proportional zueinander an. Daraus ergibt sich, daß die von dem Kompressor 1 behandelte Massenströmungsmenge in entsprechender Weise ansteigt und die abgegebene Kälteleistung fortschreitend wächst, um den Überschuß der Strömungsmenge der behandelten Verdampfungsprodukte zu kompensieren. So stellt sich natürlich dank der vorgesehenen Regelung das entwickelte Kältesystem auf einen Gleichgewichtszustand ein, der durch höhere Betriebsdrücke gekennzeichnet ist, was die Verflüssigung der Gesamtheit der neuen Strömungsmenge des behandelten.

,- 40988 4/04 A 6

Gases gestattet. Dieselben Erscheinungen ergeben sich im umgekehrten Sinne, wenn die Strömungsmenge der Verdampfungsprodukte gegenüber dem Nennwert absinkt»

Ebenso steigt, wenn der Stickstoffgehalt der Verdampfungsprodukte gegenüber der Nennzusammensetzung anwächst, der Druck an der Ansaugseite 2 des Kompressors 1 entsprechend, weil die im Abscheider 19 erzielte Endtemperatur nicht ausreicht, um durch die Leitung-50 die Gesamtheit des eingeführten Stickstoffes in flüssiger Form abzuziehen und infolgedessen der überschüssige Stickstoff sich durch Leitung 18 zum Kompressor 1 recycliert findet. Aus denselben Gründen, wie vorstehend, steigt der Abgabedruck 3 des Kompressors 1 proportional zu dem der Ansaugseite 2 an, und der so erhaltene höhere Hochdruck des Kältekreises gestattet die durch Stick- · stoffanreicherung flüchtiger gewordenen Verdampfungsprodukte zu kondensieren. In diesem Fall schwenkt natürlich der Verflüssiger ebenfalls auf einen neuen Gleichgewichtszustand ein.

Wenn der Ansaugdruck 2 des Kompressors 1 niedriger als der Mindestwert, z.B. 1,2 ata, ist, der für das vorbestimmte Schwankungsintervall dieses Druckes zugeordnet ist, vermindert sich automatisch durch irgendein geeignetes Mittel die vom Kompressor angesaugte Volumenmenge durch Herabsetzung seiner Drehgeschwindigkeit. Dadurch ist es insbesondere möglich, die Erreichung des Pumpbereiches des Zentrifugalkompressors zu vermeiden.

- 35 -

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Wenn der letztgenannte Ansaugdruck größer als der Höchst-

wert, beispielsweise von 1;4 ata, wird, der für denselben Bereich vorgesehen ist, dann läßt man automatisch beispielsweise mittels eines Hahnes 60 den Gasauslaß 20 des Endabscheiders 19 mit der Außenseite des Kältesystems in Verbindung treten. Dies geschieht insbesondere, wenn der Stickstoffgehalt der Verdampfungsprodukte'zu groß, d.h. größer als 20 %, wird oder wenn die behandelte Strömungsmenge stark über die Nennströmungsmenge hinausgeht. Man muß jedoch in diesem Pail beachten, daß im Hinblick auf die Abzugsstelle dar durchgeführten Spülungen das abgezogene Gas sehr wenig Methan, beispielsweise in der Größenordnung von 10 %, enthält und so diese Abführung nicht wesentlih die Verflüssigungsausbeute des Kältekreises beeinträchtigt.

Außerdem regelt man das Kältesystem.in folgender Weise: Einerseits hält man das Verhältnis der Flüssigkeitsströmungsmengen, die durch dis Entspannungsventil 15b der zweiten Verflüssigereinheit im Strömungssinne des behandelten Gasgemisches bzw. durch das Entspannungsventil 47, das zwischen dem Zweiphaseneinlaß 22 des¹ Endabscheiders 19 und dem Kondensatdurchlaß 12b der zweiten Einheit angeordnet ist, abgezogen werden, im wesentlichen konstant, und andererseits regelt man das Entspannungsventil 15a der ersten Kondensationseinheit in Funktion der ermittelten Temperaturabweichung zwischen dem warmen Ende des ersten Kondensationskanales 12a und dem warmen Ende des ersten Verdampfungskanales 14a.

- 36 -

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Außerdem werden die Zugaben an im Speicherbehälter 25 aufbewahrtertj Kältemittel in folgender Weise geregelt: Das Flüssigkeitsentspannungsventil 29 am Flüssigkeitsauslaß 26 des Behälters 25 wird auf das Flüssigkeitsniveau im Abscheider 7a der ersten Kondensationseinheit eingeregelt, während das Gasentspannungsventil 28 am Gasauslaß 27 des Behälters 25 auf das im-Abscheider 7b der zweiten Kondensationseinheit vorhandene Flüssigkeitsniveau eingeregelt wird.

Wenn auch der den Gegenstand der Erfindung bildende Verflüssiger besonders für die Verflüssigung von Verdampfungsprodukten eines Methantankers angepaßt ist, verbleibt nichtsdestoweniger die Möglichkeit seiner Verwendung für zahlreiche andere Zwecke, Insbesondere für die Verflüssigung reiner Stoffe, wie oben erwähnt.

- 37 -

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Claims

Patentansprüche

ϊ.| Verfahren zur Kühlung eines Gases zwecks Verflüssigung mindestens eines seiner Bestandteile mittels eines Kältezyklus offener Art, der mit einem einzigen, mehrere Bestandteile aufweisenden Kältemittel arbeitet, wobei man mindestens das gasförmige Kältemittel von einem Niederdruck auf einen Hochdruck verdichtet, ein mindestens das verdichtete Kältemittel enthaltende Gasgemisch einer fraktionierten Kondensation unter dem Hochdruck unterzieht, mehrere kondensierte Fraktionen, nämlich eine erste, nach teilweiser Kondensation mindestens des verdichteten Kältemittels im Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel außerhalb dieses Kreislaufes, und nach Abtrennung einer Gasfraktion anschließend an die fraktionierte Kondensation erhält, jede kondensierte Fraktion auf Niederdruck entspannt, mindestens eine entspannte kondensierte Fraktion unter Niederdruck mit mindestens dem Kühlmittel vereinigt, diese entspannte und mit dem Kühlmittel vereinigte Fraktion verdampft und mindestens das Kältemittel unter Niedruck im Wärmeaustausch mit dem Gemisch im Zustand der Fraktionierkondensation unter Hochdruck mindestens teilweise erwärmt, während das Kältemittel mit dem Gas vereinigt und mindestens ein zu verflüssigender Bestandteil nach Kondensation mindestens eines Gasanteiles des Kältemittels abgetrennt und aus dem Kältekreis abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Kältemittel gewählten Hauptbestandteile ausschließlieh zwischen einer leichten Fraktion, deren wenigst flüchtiger leichter Bestandteil mit dem wenigst flüchtigen

409884/0446 _ ₃₈ _

Hauptbestandteil des zu kühlenden Gases identisch ist, »und einerschweren Fraktion, deren flüchtigster schwerer Bestandteil· in der volumetrischen Zusammensetzung des zu kühlenden Gases an Hauptbestandteilen fehlt und einen Normalsiedepunkt besitzt, der von dem jenigen des wenigst flüchtigen leichten Bestandteiles um eine Unstetigkeit von mindestens 70 C getrennt ist, aufgeteilt sind.
2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu kühlende Gas dem Kältekreis unter dem Niederdruck bei einer Zwischentemperatur zwischen Umgebungstemperatur und der höchsten vom Kältekreis gelieferten Temperatur zugebracht und unter diesen Bedingungen mit dem Kältemittel unter Niederdruck bei einer anderen Zwischentemperatur vereinigt wird, die ge-, gebenenfalls gleich der ersten Zwischentemperatur ist, und daß so das der fraktionierten Kondensation unterzogene Gemisch aus dem Kältemittel und dem zu kühlenden Gas besteht.
3.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man in flüssiger Form unter einem Zwischendruck zwischen dem Hoch- und dem Niederdruck einen Vorrat der schweren Fraktion des Kältemittels aufbewahrt und daß man im Verlauf des Betriebes diesen Vorrat durch Abzug aus mindestens einer unter Hochdruck kondensierten Fraktion, z.B. der ersten kondensierten Fraktion, speist, wenn die gelieferte Kälteleistung über die zur Kühlung des behandelten Gases notwendige Kälteleistung hinausgeht, und man diesen Vorrat unter Wiedervereinigung eines Teiles aufbewahrter Flüssigkeit mit mindestens einer konden-

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sierten und auf Niederdruck entspannten Fraktion, z.B. der ersten kondensierten; und entspannten Fraktion, abzieht, wenn die abgegebene Kälteleistung kleiner als die notwendige . Kälteleistung ist-
4.) Verfahren nach Anspruch l,in Anwendung auf die Kühlung von Verdampfungsprodukten, die einen überwiegenden Methananteil auf weisen, und zur Verflüssigung mindestens dieses Bestandteiles, dadurch gekennzeichnet, daß "der wenigst flüchtige leichte Bestandteil der leichten Fraktion aus Methan besteht und der flüchtigste schwere Bestandteil der schweren Fraktion aus Propan besteht.
5.) Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelvorrat im wesentlichen Propan und Butan enthält,
6.) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kältemittelvorrat in Molprozent zwischen 62 und 67 % Propan und zwischen 33 und 38 % Butan umfaßt.
7.) Vorrichtung zur Kühlung eines Gases zwecks Verflüssigung mindestens eines seiner Bestandteile mit einem Kältesystem offener Art mit einem Kompressor, dessen Ansaugseite und Druckseite unter Niederdruck bzw. Hochdruck arbeiten, mit einem Kondensator, dessen Eintritt mit der Druckseite des Kompressors in Verbindung steht, mit mehreren Fraktionierkondensationseinheiten, deren jede im Strömungssinne des

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- 4ο -

zu kondensierenden Gasgemisches einen Abscheider, dessen

Zweiphaseneinlaß mit einem vorangehenden Kondensat!ons— kanal, insbesondere mit dem Auslaß des Kondensators für den ersten Abscheider in Verbindung steht, einen Kondensationskanal, der am einen Ende mit dem Gasauslaß dieses Abscheiders und am anderen Ende mit dem Zweiphaseneinlaß . des folgenden Abscheiders, insbesondere mit dem Zweiphaseneinlaß des Endabscheiders für den letzten Kondensationskanal in Verbindung steht, einen Verdampfungskanal in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kondensationskanal, mindestens ein aufstromseitig mit dem Flüssigkeitsauslaß des Abscheiders und abstromseitig mit dem Verdampfungskanal verbundenes Entspannungsventil aufweist, welch letzters am einen Ende mit dem Gasauslaß des letzten Abscheiders und am anderen Ende mit der Ansaugseite des Kompressors verbunden ist, mit einer Speiseleitung für zu kühlendes Gas in offener Verbindung mit dem Kreis des behandelten Gases durch den Kompressor, mit einer Abzugsleitung für den verflüssigten Bestandteil in offener Verbindung mit dem Flüssigkeitsauslaß des Endabscheiders, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speicherbehälter mindestens einer Kondensationseinheit des Kältesystems zugeordnet ist und einen mit dem Flüssigkeitsauslaß mindestens eines Abscheiders, z.B. des ersten Abscheiders, verbundenen Einlaß und mindestens einen mit dem Dampfkanal verbundenen Auslaß aufweist.
8.) Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlaß und der Auslaß des Speicherbehälters mit Ent-

- 4.1 -

409884/0446

• - 41 - '

spannungsventilen versehen sind.
9.) Verfahren zur Regelung einer Anlage gemäß Anspruch 7, das für einen vorbestimmten Verdampfungsbereich der Kenn- . zeichen des zu kühlenden Gases praktisch die gesamte Verflüssigung mindestens eines Bestandteiles dieses Gases gestattet, dadurch geke-nzeichnet, daß bei einem vorbe-¹ stimmten Schwankungsintervall des Ansaugdruckes des Kornpressors entsprechend dem genannten Bereich man einerseits die vom Kompressor angesaugte volumetrische Strömungsmenge und andererseits das Kompressionsverhältnis des Kompressors konstant hält.
10.) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man automatisch die vom Kompressor angesaugte volumetrische Strömungsmenge herabsetzt, indem man beispielsweise die Drehgeschwindigkeit im Fall eines Zentrifugalkompressors vermindert, wenn der Ansaugdruck kleiner wird als der Mindestwert des vorbestimmten Schwankungsintervalles dieses Druckes. .
11.) Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man automatisch den Gasauslaß des Endabscheiders der Vorrichtung mit der Außenatmosphäre des Kältesystems in offene Verbindung treten läßt, wenn der'Ansaugdruck größer als der Höchstdruck des vorbestimmten Schwankungsintervalles dieses Druckes wird;

409 88A/0 4A6
12.) Verfahren zur Regelung einer Anlage gemäß Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß man einerseits das Verhältnis der flüssigen Strömungsmenge, die durch das Entspannungsventil der zweiten Kondensationseinheit im Strömungssinn des behandelten Gasgemisches bzw. durch ein zwischen dem Zweiphaseneinlaß des Endabscheiders und dem Kondensationskanal der zweiten Einheit abgezogen werden, im wesentlichen konstant hält und andererseits das Entspannungsventil der ersten Kondensationseinheit in Funktion der ermittelten Temperaturabweichung zwischen dem warmen Ende des ersten Kondensationskanals und dem warmen Ende des ersten Verdampfungskanals regelt.
13.) Regelverfahren für eine Kältevorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Speicherbehälter«
der mit einem Flüssigkeitsauslaß und einem Gasauslaß versehen ist, die mit einem Flüssigkeitsentspannungsventil
bzw. Gasentspannungsventil ausgerüstet sind, einerseits
das Flüssigkeitsentspannungsventil auf dem Flüssigkeitsniveau des Abscheiders mindestens einer Kondensationseinheit, beispielsweise der ersten Einheit, und andererseits das Gasentspannungsventil auf einem Niveau des Separators· mindestens einer anderen Kondensationseinheit, beispielsweise der zweiten Kondensationseinheit, betrieben werden.

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