DE2636933A1 - Verfahren zum abkuehlen und verfluessigen eines tiefsiedenden gases - Google Patents

Verfahren zum abkuehlen und verfluessigen eines tiefsiedenden gases

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DE2636933A1 DE19762636933 DE2636933A DE2636933A1 DE 2636933 A1 DE2636933 A1 DE 2636933A1 DE 19762636933 DE19762636933 DE 19762636933 DE 2636933 A DE2636933 A DE 2636933A DE 2636933 A1 DE2636933 A1 DE 2636933A1
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Description

  • Verfahren SUD Abkühlen und Verflüssigen
  • eines tiefsiedenden Gases Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen und Verflüssigen eines tiefsiedenden Gases, bei dem das Gas verdichtet, im Zuge eines Wärmetauschprozesses unter Anwärmung eines kalten, im Kreislauf geführten Gasstromes abgekühlt und drosselentspannt wird, wobei aus dem abzukühlenden Gasstrom an zwei verschiedenen Stellen des Wärmetauschprozesses jeweils ein Teilstrom entnommen und diese Teilströme jeweils arbeitsleistend entspannt und dem anzuwärmenden Gasstrom wieder zugeführt werden.
  • BIn derartiges Verfahren ist aus der US-Ps 3,677.019 bekannt. Dieses Vorfahren weist den Nachteil auf, daß im Kaltast zwischen anzuwärmenden und abzukühlenden Strömen relativ große Temperaturdifferenzen bestehen. Große Temperaturdirferenzen bei einem Wärmetibertragungsvorgang stellen jedoch einen Verlust an Energie, d.h. einen Verlust an arbeitsfähiger Wärme dar. Aus diesem Grunde weist das Verfahren einen relativ hohen spezifischen Energieverbrauch auf.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verfahrensführung zu finden, die sich durch einen möglichst niedfrigen Energieverbrauch auszeichnet und bei dem die Investitionskosten nicht wesentlich höher als beim Verfahren nach dem Stande der Technik liegen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der aus der auf höherem Temperaturniveau liegenden Entspannung kommende Strom dem anzuwärmenden Gasstrom an einer Stelle des Wä.rmetauschprozesses zugemischt wird, die naher am kalten Ende des Wärmetauschprozesses liegt, als diejenige Stelle, an der der auf tieferem Temperaturniveau liegenden Entspannung zugeführte Strom dem abzukühlenden Gasstrom entnommen wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Maßnahme gelingt es, die Anwä.rm- und die Abkühlkurve im Enthalpie-Temperatur-Diagramm besser gegenseitig anzupassen und die von den beiden Kurven eingeschlossene Fläche - welche ein Maß fttr die beim Wärmetauschvorgang auftretenden irreversiblen Verluste darstellt - zu verkleinern.
  • Die erfindungsgemäße Maßnahme erfordert keinen zusätzlichen Aufwand an Apparaten.
  • Durch die erfindungsgemaße Überlappung der Temperaturbereiche, in denen die beiden Entspannungsturbinen arbeiten, entstehen insbesondere dann noch weitere Vorteile, wenn der abzukühlende Gasstrom vor Eintritt in die erste Entspannungsturbine durch ein Fremdkältemittel, wie etwa Freon, vorgekühlt werden soll. In diesem Fall kann dank der erfindungsgemäßen Maßnahme bedingt durch den in bezug auf die Temperatur tieferliegenden Arbeitsbereich der ersten Entspannungsturbine eine Freon-Kälteanlage bei etwa -30 °C, gegenüber entsprechend dem Stand der Technik bei -20°C, betriben werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Freon-Kälteanlage, die bei etwa -30°C arbeitetm besser ausgenützt werden kann, wodurch weitere Energieeinsparungen möglich werden. Die Verwendung einer Freon-Kälteanlage ermöglicht es, mit kleineren Drücken in dem Kältekreislauf zu arbeiten.
  • Die Die durch die arbeitsleistende Entspannung gewonnene Arbeit wird vorteilhafterweise direkt zum Antrieb von Nachverdichtern verwendet, die dem Kreislaufkompressor des abzukühlenden 1Gasstromes nachgeschaltet sind. Es ergibt sich, daß bei der ersten arbeitsleistenden Entspannung ein sehr großes Enthalpiegefälle auftritt. Da aber, bedingt durch eine maximale Umrangsgeschwindigkeit von ca. 270 bis 300 m/sec. am Turbinenlaufrad nur ein bestimmtes Enthalpiegefälle ohne Schlupf verarbeitet werden kann, ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Erfindungsgedankens von Vorteil, wenn speziell die erste arbeitsleistende Entspannung zweistufig erfolgt. Die Entspannung kann auf diese Weise ohne Schlupf zwischen dem Laufrad der Expansionsturbine und dem Gasstrom erfolgen, womit ein optimaler Wirkungsgrad erreicht wird.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausfilhrungsform des Anmeldungsgegenstandes wird der Eintrittsdruck der ersten arbeitsleistenden Entspannung niedriger gewählt als der Eintrittsdruck der zweiten arbeitsleistenden Entspannung. Zu diesem Zweck wird der Eintrittsstrom aus dem zu verdichtenden Gasstrom bereits nach einer Zwischenstufe der Verdichtung abgezweigt, während der Rest des zu verflüssigenden Gasstromes weiter verdichtet wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere dazu, in Luftzerlegungsanlagen mit FlUssigprodukterzeuglng die notwendige Kalte bereitzustellen. Der abzukühlende Gasstrom wird dabei in den oberen Teil der HochdrucksäuLe einer Lurtzerlegungsanlage eingedrosselt. Von dort wird auch ein Teil des wiederanzuwärmenden Gasstromes entnommen. Der niedrigste, in dem VerflUssigungskreislauf vorkommende Druck liegt folglich in der Nahe des Druckes der Hochdrucksäule, also etwa bei 6,4 bar. Ein derartiger hoher Ansaugdruck des Kreislaufkompressors erweist sich allgemein als sehr gUnstig, da die Kompressoren in diesem Fall kleiner gestaltet werden können und somit wesentlich billiger sind.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand von vier schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen und eines Verfahrensdiagramms näher erläutert.
  • Ähnliche Teile in den Figuren 1 bis 4 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen: Figur 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verflüssigungskreislaufes, Figur 2 eine ähnliche Ausführungsform wie in Figur 1, mit dem Unterschied, daß zusätzlich eine Freon-Kälteanlage verwendet wird, Figur 3 eine ähnliche AusfUhrungsform wie in Figur 1, mit einer leicht abgewandelten VerfahrensfUhrung, Figur 4 eine Ausfdhrungsform wie in Figur 1 im Zusammenhang mit einer Luftzerlegungsanlage, Figur 5 ein Q-T Diagramm.
  • Die Anlage nach Figur 1 besteht im wesentlichen aus Wärmetauschern 1 und 2, Nachkühlern 3, 4 und 5, Kompressoren 6, 7 und 8, Entspannungsturbinen 9, 10 und 11 und einem Drosselventil 12 sowie einem Flüssigkeitssammelgefäß 13.
  • In Figur 1 wird ein Kreislaufgas (vorzugsweise Stickstoff) in den Kompressoren 6, 7 und 8 komprimiert. Nach jeder Kompression wird das Gas in den Nachkühlern 3 bis 5 wieder auf etwa Umgebungstemperatur abgekühlt Ein Teil des komprimierten Kreislaufgases wird in den hintereinandergeschalteten Turbinen 9 und 10 entspannt, im Wärmetauscher 1 auf etwa Umgebungstemperatur angewärmt und erneut der Saugseite des Kompressors 6 zugeführt.
  • Die Turbinen 9 und 10 treiben direkt den Kompressor 8 an. Der zweite Teil des komprimierten Kreislaufgases wird in den Wärmetauschern 1 uM 2 bis etwa an seinen Kondensationspunkt abgekühlt.
  • Durch eine isenthalpe Entspannung im Ventil 12 wird es teilweise verflüssigt. Die F1issigkeit wird in einem Gefäß 13 gesammelt.
  • Der gasförmig verbliebene Anteil wird als kalter Gasstrom über Leitung 14 abgezogen, in den Wärmetauschern 2 und 1 angewärmt und der Saugseite des Kompressors 6 zugeführt.
  • Erfindungsgemäß wird etwas oberhalb des kalten Ende des Wärmetauschers 1 aus dem abzukühlenden Gasstrom ein Teilstrom 15 abgezweigt und in-der Turbine 11, die direkt den Kompressor 7 antreibt, entspannt. Der entspannte Strom wird dem kalten Gasstrom 14 zugemischt und gemeinsam mit diesem in den Wäremtauschern 2 und 1 angewärmt.
  • Das in Figur 2 dargestellte Anlagenschema unterscheidet sich von dem in Figur 1 dargestellten dadurch, daß der gesamte abzukühlende Gasstrom mit Hilfe einer Freon-Kälteanlage 28 gekühlt wird. Eine derartige Verfahrensweise ist angebracht, wenn z.B.
  • aus konstruktionstechnischen Gründen ein möglichst niedriges oberes Druckniveau des abzukühlenden Gasstromes gewünscht ist und folglich die Eintrittstemperaturen in die Expansionsturbinen tierer liegen.
  • In dem Verfahren nach Figur 3 ist vorgesehen, die erste Entspannungsturbine 9 auf niedrigerem Druckniveau als die zweite Entspannungsturbine 11 zu betreiben. Zu diesem Zweck wird der Eintrittsstrom der Turbine hinter dem Nachkühler 3 des Kompressors 6 abgezweigt. Als zusätzliche Variante ist der Wärmetauscher 1' vorgesehen, durch den eine Zwischenanzapfung des Wärmetauschers 1, wie in den vorigen Figuren dargestellt, vermieden wird. Es wäre auch möglich, den Eintrittsstrom der Turbine 9 zunächst im WKrmetauscher 1 in Parallelführung mit dem abzukühlenden Hochdruckgasstrom vorzukühlen und beide Ströme analog dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel in einer Freon-Kälteanlage vor ihrer Entspannung weiter zu kühlen.
  • In Figur 4 ist dargestellt, wie das Verfahren nach Figur 2 eingesetzt werden kann, um innerhalb einer Luftzerlegungsanlage, die flüssige Produkte liefert, die notwendige Kälte zu erzeugen. Der Verflüssigungskreislauf ist an die Drucksäule 16 einer Doppelrektifikationssäule angeschlossen Ein Teil des aus der Drucksäule 16 abgezogenen Stickstoffgases wird entsprechend dem Verfahren nach Figur 2 über die Wärmetauscher 2 und 1 geführt.
  • Ein zweiter Teil 17 wird im Hauptwärmetauscher 18 der LuStzerlegungsanlage im Wärmetauscn mit eintretender Luft 19 angewärmt und zur Saugseite des Kompressors 6 geleitet. Zur Aufrechterhaltung kleiner Temperaturdifferenzen am kalten Ende des lIauptwärmetauschers 18 wird ein Teil des Stromes 17 vor Beendigung des Wärme tauschprozesses dem Hauptwärmetauscher 18 bei Punkt 20 entnommen und dem über c3ie Wärmetauscher 2 und 1 geführten Gas strom zugemischt (Ausgleichsstrom). Die Anwärmpassagen für stickstoffreiches Restgas und für gasförmigen Drucksauerstoff sind nur schematisch angedeutet (Bezugszeichen 21 und 22). Es wäre ebenfalls möglich, zumindest einen Teil des Sauerstoffs über die Wärmetauscher 2 und 1 anzuwärmen.
  • Das in Figur 5 dargestellte Diagramm gibt die ausgetauschten Wärmen der in den Wärmetauschern 1 und 2 abzukühlenden (Kurve 23) und der anzuwärmenden (Kurve 24) Ströme des Verfahrens nach Figur 4 wieder. Es ist nur der für die Erfindung wesentliche Teil des Verfahrens-Diagramms, nämlich der Temperaturbereich von 90 K bis 230 K dargestellt. An der Abszisse ist die Temperatur in K an der Ordinate der Wärmeinhalt in Gcal aufgetragen. Der Knick in der Abkühlkurve 23 bei Punkt 25 wird durch die Abzweigung des Turbineneintrittsstromes der Turbine 11 verursacht. Die Einführung des Turbinenaustrittsstromes der Turbine 9 in den Wärmetauschprozeß verursacht den Knick bei Punkt 26. Die gestrichelt eingezeichneten Kurven geben den Verlauf der Wärmeinhalte beim zum Stande der Technik gehörenden Verfahren wieder. Dem Punkt 26 entspricht dabei Punkt 27. Es ist ersichtlich, daß nach dem Stande der Technik der Austrittsstrom der Turbine 9 an derselben Stelle dem Wärmetauschprozeß wieder zugeführt wird, an der der Eintrittsstrom für die Turbine 11 dem Wärmetauschprozeß entnommen wird. Durch einen Vergleich wird erkennbar, daß durch die erfindungsgemäße Verfahrens führung die zwischen den Kurven eingeschlossene Fläche und somit die irreversiblen WErmetauschverluste verkleinert werden.
  • Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient das folgende Zahlenbeispiel, das sich ebenso wie das Verfahrensdiagramm der Figur 5 auf das Verfahren gemäß Figur 4 bezieht.
  • 137 500 Nm3/h Stickstoff werden mit einem Druck von 6 bar von dem Kompressor 6 angesaugt. Nach der Verdichtung in den drei Kompressoren 6 bis 8 liegen, bedingt durch Verluste, ca.
  • 136 000 Nm3/h Stickstoff bei einem Druck von 50 bar und einer Temperatur von 300 K vDr. Durch den Wärmetauscher 1 sowie die Freon-Kälteanlage 28 wird dieser Strom auf etwa 242 K gekühlt.
  • 27 000 Nm³/h davon werden in den Turbinen 9 und 10 auf ca. 6,2 bar entspannt und dadurch auf 154 K abgekühlt, während der Rest (109 000 Nm3/h) weiter im Wärmetauscher 1 abgekühlt wird. Für die Turbine 11 werden 79 700 Nm3/h Stickstoff bei einer Temperatur von 172 K aus dem abzukühlenden Gasstrom abgezweigt und bis auf 6,4 bar entspannt. Dabei kühlt sich das Gas bis auf 99,) K ab. Der Rest des abzukühlenden Stromes (29 300 Nm)/h) ) wird im Drosselventil 12 unter teilweiser Verflüssigung auf 6,4 bar entspannt und in die Drucksäule 16 eingeleitet. 30 800 N/h gasförmigen Stickstoffs werden der Drucksäule entnommen. 7 800 Nm3/h |davon werden in den Wärmetauschern 2 und 1 zusammen mit den Turbinenaustrittsströmen angewärmt. In dem Hauptwärmetauscher 18 wird der Rest des der Drucksäule 16 entnommenen Stickstoffs (23 000 Nm3/h) eingeführt. Bei Punkt 20 werden davon 3000 Nm3/h abgezweigt. An der Turbine 9 wird eine Leistung von 822 kW, an der Turbine 11 werden 1483 kW gewonnen. Diese Leistung wird direkt zum Antrieb der Kompressoren 7 und 8 verwendet. Gegenüber bei dem zum Stand der Technik gehörenden Verfahren kann bei gleicher Kälteleistung die Kreislaufmenge um 4,7 % reduziert werden. Es ergibt sih folglich eine Energieersparnis von 3,7 %.
  • L e e r s e i t e

Claims (5)

  1. Patentansprüche 1. Verfahren zum Abkühlen und Verflüssigen eines tiefsiedenden Gases, bei dem das Gas versichtet, im Zuge eines WErmetauschprozesses unter Anwärmung eines kalten, im Kreislauf gefUhrten Gas stromes abgekühlt und drosselentspannt wird, wobei aus dem abzukUhlenden Gasstrom an zwei verschiedenen Stellen des Wärmetauschprozesses jeweils ein Teilstrom entnommen und diese Teilströme Jeweils arbeitsleistend entspannt und dem anzuwärmendem kalten Gasstrom wieder zugemischt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der mis der auf höherem Temperaturniveau liegenden Entspannung kommende Strom dem anzuwärmendem Gasstrom an einer Stille des Wärmetauschprozesses zugemischt wird, die näher am kalten Ende des Wärmetauschprozesses liegt, als diejenige Stelle, an der der auf dom tieferen Temperaturniveau liegenden Entspannung zugeführte Strom dem abzukühlenden Gasstrom entnommen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das abzukühlende Gas von der arbeitsleistenden Entspannungen durch ein Fremdkaltemittel gekühlt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet. daß die erste der beiden arbeitsleistenden Entspannungen zweistufig erfolgt.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste dem abzukühlenden Gasstrom zur arbeitsleistenden Entspannung entnommen Teiletrol während einer mehrstufigen Verdichtung auf einem Zwischendruckniveau entno-en wird, während der abzukühlende Gasstrom weiter verdichtet wird.
  5. 5. Anwendung des Verfahrens nach einen der Ansprüche 1 bis 4 Zur Kälteerzeugung in Luftzerlegungsanlagen, wobei die Entspannung des abgekühlten Stromes direkt in die Drucksaule erfolgt, und auch ein Storm der zum Anwärmen benötigt wird, aus der Drucksäule entnommen wird.
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US5054546A (en) * 1989-07-20 1991-10-08 Forschungszentrum Julich Gmbh Vaporizer for generating a mixture of superheated steam and fuel vapor
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