DE2751642C3 - Process for converting a low-boiling liquid, in particular natural gas or methane under atmospheric pressure, into the gaseous state with subsequent heating - Google Patents
Process for converting a low-boiling liquid, in particular natural gas or methane under atmospheric pressure, into the gaseous state with subsequent heatingInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung einer tiefsiedenden Flüssigkeit, insbesondere von Erdgas oder Methan unter Atmosphärendruck, in den gasförmigen Zustand mit anschließendem Enderhitzen, bei dem ein bestimmter Abgabedruck und eine bestimmte Abgabetemperatur erreicht werden, und bei dem die Umwandlung in den gasförmigen Zustand der kalten, unter Druck gesetzten Flüssigkeit in einer ersten Stufe und die Enderhitzung in einer zweiten Stufe durch einen dampfförmigen, kondensierenden Kälteträger in einem Wärmetauscher und einem Enderhitzer erfolgt, wobei dem Kälteträger durch einen Wärmespender, insbesondere Meerwasser, das die Verdampfung des flüsssigen Kälteträgers in einem Verdampfers bewirkt, Wärme zugeführt wird.The invention relates to a method for converting a low-boiling liquid, in particular from Natural gas or methane under atmospheric pressure, in the gaseous state with subsequent final heating, at which a certain delivery pressure and a certain delivery temperature are reached, and at which involves the conversion to the gaseous state of the cold, pressurized liquid in a first Stage and the final heating in a second stage by a vaporous, condensing refrigerant in a heat exchanger and a final heater takes place, whereby the coolant is provided by a heat donor, in particular seawater, which causes the liquid coolant to evaporate in an evaporator, Heat is supplied.
Bei derartigen Verfahren ist es erforderlich, ein unter niedrigem Druck, z. B. Atmosphärendruck, und einer entsprechend tiefen Temperatur stehendes, verflüssigtes Gas durch Druckerhöhung und Wärmezufuhr in einen vom Abnehmer benötigten gasförmigen Zustand zu versetzen.In such methods it is necessary to use a low pressure, e.g. B. atmospheric pressure, and one Liquefied gas at a correspondingly low temperature by increasing the pressure and supplying heat in to put a gaseous state required by the customer.
Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse die Umwandlung kalten, flüssigen Methans in den gasförmigen Zustand durch zwei völlig voneinander getrennte Kreisläufe mittels zweier verschiedener Kälteträger — Äthan und Propan — durchzuführen, wobei alsIt is known to meet these requirements the Conversion of cold, liquid methane into the gaseous state by two completely separate ones Circuits using two different coolants - ethane and propane - to be carried out, with as
ίο Verdampfer für die Kälteträger Solekühler eingesetzt sind (US-PS 30 18 634). Hier entsteht doppelter Aufwand an gleichen Elementen. In beiden Kälteträgerkreisläufen werden die Kälteträgerflüssigkeiten mit Hilfe von Pumpen auf relativ hohe Drücke gefördert,ίο Evaporator used for the brine cooler (U.S. Patent No. 3,018,634). This results in a double effort on the same elements. In both secondary refrigerant circuits the coolant liquids are conveyed to relatively high pressures with the help of pumps,
π d.h. viel Energie verbraucht, um diese dann teilweise wieder in Entspannungsturbinen zurückzugewinnen, wozu ein großer maschineller und apparativer Aufwand nötig ist.π i.e. consumes a lot of energy to then partially to be recovered again in expansion turbines, which requires a large amount of machinery and equipment is necessary.
Es ist weiterhin bekannt, bei einem Verfahren als Wärmespender Meerwasser zu verwenden, das im Wärmetausch mit einem zwischengeschalteten Kälteträger steht, der die dem Meerwasser entzogene Wärme an das flüssige Gas überträgt (US-PS 29 75 607). Hier ist die Hauptvoraussetzung für den Kälteträger, daß sein Gefrierpunkt niedriger als die Eintrittstemperatur des flüssigen Gases liegt, so daß an den Wärmeübergangsrohren des Wärmetauschers, durch den das flüssige Gas und der Kälteträger strömen, keine festen Bestandteile auskristallisieren können. DerIt is also known to use sea water as a heat donor in a method, which is in the Heat exchange with an interposed coolant takes place, which is extracted from the seawater Transferring heat to the liquid gas (US-PS 29 75 607). Here is the main requirement for the coolant, that its freezing point is lower than the inlet temperature of the liquid gas, so that to the No heat transfer pipes of the heat exchanger through which the liquid gas and the refrigerant flow solid components can crystallize out. Of the
«ι Kälteträger verdampft im Wärmeaustausch mit dem Wärmespender und kondensiert beim Wärmeaustausch mit dem flüssigen Gas. Wenn die Eintrittstemperatur des flüssigen Kälteträgers am Eintritt zum Verdampfer unter den Gefrierpunkt des Wärmespenders absinkt,«Ι The refrigerant evaporates in heat exchange with the Heat donor and condenses when exchanging heat with the liquid gas. When the inlet temperature the liquid coolant at the inlet to the evaporator falls below the freezing point of the heat dispenser,
)■> fließt ein Teilstrom des dampfförmigen Kälteträgers am Austritt des Verdampfers durch eine Umleitung in die Leitung des flüssigen Kälteträgers vor Eintritt in den besagten Verdampfer, um den flüssigen Kälteträger vor Eintritt in den Verdampfer vorzuwärmen. Eine Pumpe) ■> A partial stream of the vaporous coolant flows on the Exit of the evaporator through a diversion into the line of the liquid refrigerant before entering the said evaporator in order to preheat the liquid refrigerant before it enters the evaporator. One pump
•to ist — in Strömungsrichtung gesehen — hinter dem Mischpunkt von flüssigem und dampfförmigem Kälteträger dafür vorgesehen, d'e gesamte Menge des Kälteträges durch den Verdampfer zu fördern. Der um den Teilstrom verminderte Strom des dampfförmigen Kälteträgers — der Hauptstrom — fließt zunächst durch einen Überhitzer, weiter durch eine Entspannungseinrichtung und durch einen Kondensator, in dem der entspannte gasförmige Kälteträger seine Kondensationswärme zur Verdampfung des flüssigen Gases an• to is - seen in the direction of flow - behind the Mixing point of liquid and vaporous refrigerant provided for the total amount of the To promote refrigerant through the evaporator. The reduced by the partial flow of the vaporous The coolant - the main flow - first flows through a superheater and then through an expansion device and through a condenser, in which the expanded gaseous refrigerant uses its heat of condensation to evaporate the liquid gas
w dieses abgibt. Der nunmehr flüssige Kälteträger fließt jetzt einer anderen — in Strömungsrichtung gesehen — dem Mischpunkt von flüssigem und dampfförmigem Kälteträger vorgeschalteten Pumpe zu, die den flüssigen Kälteträger auf etwa seinen Verdampfungsdruck fördert und ihn durch die erstgenannte Pumpe dem Verdampfer zuleitet.w this gives off. The now liquid coolant flows now another - seen in the direction of flow - the mixing point of liquid and vapor Upstream coolant pump, which brings the liquid coolant to about its evaporation pressure promotes and feeds it to the evaporator through the first-mentioned pump.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der Dampfdruck des Kälteträgers im Verdampfer größer als der durch die Entspannungseinrichtung reduzierte Dampfdruck vor dem Kondensator ist. Das bedeutet, daß die Verdampfungstemperatur des Kälteträgers beim Wärmeaustausch mit dem Wärmespender höher als seine Kondensationstemperatur beim Wärmeaustausch mit dem flüssigen Gas ist. Die Folge davon ist,A disadvantage of this method is that the vapor pressure of the refrigerant in the evaporator is greater than the vapor pressure reduced by the expansion device upstream of the condenser. That means, that the evaporation temperature of the refrigerant is higher when exchanging heat with the heat donor than its condensation temperature when exchanging heat with the liquid gas. The consequence of this is
f>5 daß die Austrittstemperatur des verdampften flüssigen '■ases immer bedeutend niedriger als die Verdamptungstemperatur des Kälteträgers ist. Um das Gas anschließend auf die für das Erdgas-Netz gewünschtef> 5 that the outlet temperature of the vaporized liquid '■ ases always significantly lower than the evaporation temperature of the secondary refrigerant. To the gas then on the desired for the natural gas network
Abgabetemperatur erwärmen zu können, sind aufwendige Zusatzeinrichtungen und Gasbrenner mit hohem Brennstoffverbrauch notwendig. Ein weiterer, bedeutsamer Nachteil dieser bekannten Erfindung ist der obenerwähnte Teilstrom des dampfförmigtη Kälteträ- > gers am Austritt des Verdampfers durch eine Umleitung, mit dem es zwar möglich ist. den flüssigen Kälteträger geringfügig vorzuwärmen, jedoch ist es damit unmöglich, die vom Wärmespender durchströmten Verdampferteile vor Vereisung zu schützen, weil die κι Verdampfungstemperatur des Kälteträgers durch diese Maßnahme nicht erhöht wird, womit die tiefe Temperatur des Kälteträgers im Verhältnis zur Temperatur des Wärmespenders bestehen bleibt.To be able to heat the discharge temperature, expensive additional devices and gas burners with high Fuel consumption necessary. Another significant disadvantage of this known invention is that Above-mentioned partial flow of the vaporous refrigerant > gers at the outlet of the evaporator through a diversion, with which it is possible. the liquid To preheat the refrigerant slightly, however, it is impossible to prevent the heat transferring from flowing through it To protect evaporator parts from icing, because the κι This measure does not increase the evaporation temperature of the secondary refrigerant, which means that the deep Temperature of the refrigerant remains in relation to the temperature of the heat dispenser.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem η solchen Verfahren mit wenig Bauelementen für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und einem einzigen Kälteträger die für das Erdgasnetz notwendige Enderhitzung des gasförmigen Erdgases — ausgehend vom flüssigen Zustand der tiefsiedenden Flüssigkeit — zu erreichen.The invention is based on the problem of an η such a method with few components for a device for performing the method and the final heating of the gaseous natural gas required for the natural gas network - starting from the liquid state of the low-boiling liquid - to be achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in der ersten Stufe bei einem bestimmten Druck ein Hauptstrom des dampfförmigen Kälteträgers in dem Wärmetauscher kondensiert und dabei die Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand umwandelt, und daß in der zweiten Stufe bei einem höheren Druck, der durch einen Verdichter erzeugt wird, ein Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers in dem Enderhitzer kondensiert und dabei das Gas enderhitzt. soThis object is achieved in that in the first stage at a certain pressure Main stream of the vaporous refrigerant condenses in the heat exchanger and the liquid is in the process converts the gaseous state, and that in the second stage at a higher pressure, which is caused by a Compressor is generated, a bypass flow of the vaporous refrigerant is condensed in the end heater and the gas is then overheated. so
Um zu erreichen, daß bereits in der ersten Druckstufe zur Erwärmung des flüssigen Gases der gasförmige Zustand bei relativ hoher Temperatur erreicht wird, erfolgt nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Kondensation des Hauptstroms des dampfförmigen Ji Kälteträgers in dem Wärmetauscher bei annähernd denselben Druck- und Temperaturverhältnissen, wie sie bei der Verdampfung des gesamten flüssigen Kälteträgers im Wärmeaustausch mit dem Wärmespender in dem Verdampfer der ersten Druckstufe herrschen.In order to achieve that already in the first pressure stage to heat the liquid gas the gaseous State is reached at a relatively high temperature, takes place according to a further embodiment of the invention the condensation of the main flow of the vaporous Ji refrigerant in the heat exchanger at approximately the same pressure and temperature conditions as when the entire liquid refrigerant evaporates prevail in the heat exchange with the heat donor in the evaporator of the first pressure stage.
Um zu verhindern, daß Eisbildungen an den vom Wärmespender benetzten Flächen des Verdampfers für den gesamten flüssigen Kälteträger auftreten, wird erfindungsgemäb bei Erreichung des Gefrierpunktes des Wärmespenders mit einer Pumpe, die die Förderung des gesamten flüssigen Kälteträgers in den Verdampfer bewirkt, der Druck und damit die Temperatur des Kälteträgers soweit erhöht, daß die Verdampfungstemperatur des Kälteträgers geringfügig über dem Gefrierpunkt des Wärmespenders liegt. wTo prevent the formation of ice on the surfaces of the evaporator wetted by the heat dispenser for the entire liquid refrigerant occur, according to the invention when the freezing point is reached of the heat dispenser with a pump that transports the entire liquid coolant into the evaporator causes the pressure and thus the temperature of the refrigerant to increase so far that the evaporation temperature of the refrigerant is slightly above the freezing point of the heat dispenser. w
Nach der Erfindung wird ein Halogen- oder Paraffin-Medium als Kälteträger verwendet. z.B. F-12 odc · Propan.According to the invention, a halogen or paraffin medium is used as the coolant. e.g. F-12 odc · propane.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den erfindungsgemäßen v> Verfahrensschritt in der ersten Druckstufe — die Kondensation des Hauptstroms des dampfförmigen Kälteträgers im Wärmetauscher zur Wärmezufuhr an das flüssig^ Gas und die Verdampfung des gesamten flüssigen Kälteträgers im Wärmeaustausch mit dem Wärmespehder im Verdampfer bei annähernd denselben Druck' und Temperaturverhältnissen des Kälteträgers — die Umwandlung der tiefsiedenden Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand mit relativ hoher Temperatur in einem einzigen W.irmetauschvorgang möglich ist, und daß ein betriebssicheres Verfahren mit niedrigen Investitionskosten und niedrigem Brennstoffverbrauch gegeben ist, bei dem auf einfache Weise die vom Abnehmer gewünschten Abgabeoiaten — Druck und Temperatur — des Gases erreicht werden.The advantages achieved with the invention consist particularly in the fact that by the inventive v> step in the first pressure stage - the condensation of the main stream of vaporous cooling medium in the heat exchanger for supplying heat to the liquid ^ gas and the evaporation of the entire liquid refrigerant medium in the heat exchange with the Wärmespehder in the evaporator at approximately the same pressure and temperature conditions of the refrigerant - the conversion of the low-boiling liquid into the gaseous state with a relatively high temperature in a single exchange process is possible, and that a reliable process with low investment costs and low fuel consumption is given in a simple way the delivery agents desired by the customer - pressure and temperature - of the gas can be achieved.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt im Schema den Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Umwandlung von tiefsiedendem Erdgas in den gasförmigen Zustand mit Meerwasser als Wärmespender.An embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below described. The drawing shows in a scheme the course of the process according to the invention for conversion from low-boiling natural gas to the gaseous state with seawater as a source of heat.
In einem Speicher 1 wird flüssiges Erdgas mit einem Druck von 1 bar und — 161°C gelagert Eine Pumpe 2, über eine Leitung 3 mit Speicher 1 verbunden, fördert flüssiges Erdgas mit einem Druck von beispielsweise 70 bar durch die Leitung 4 in den Wärmetauscher 5, wo das flüssige Erdgas, welches sich mit 70 bar im überkritischen Zustand befindet, in den gasförmigen Zustand dadurch umgewandelt wird, daß ein dampfförmiger Kälteträger, im Hauptstrom durch die Leitung 6 zugeführt, z. B. bei — 20°C kondensiert (erste Druckstufe). Das gasförmige, z. B. auf —25°C erwärmte Erdgas strömt anschließend durch die Leitung 7 in den Enderhitzer 8 und wird hier dadurch weitererwärmt, daß der Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers mit einer höheren Temperatur als der dampfförmige Kälteträger in der Leitung 6 kondensiert (zweite Druckstufe). Mit der gewünschten Endtemperatur von beispielsweise 5°C strömt das warme Erdgas durch die Leitung 9 nun in das Erdgasnetz 10. Der Nebenstrom des flüssigen Kälteträgers fließt durch die Leitung 11 zu einer Druckminderungseinrichtung 12, wo er auf den Druck der ersten Druckstufe entspannt wird, und er fließt dann durch die Leitung 13 in die Leitung 14 und mit dem Hauptstrom des flüssigen Kälteträgers aus dem Wärmetauscher 5 zur Pumpe 15, welche den gesamten flüssigen Kälteträger durch die Leitung 16 in den Verdampfer 17 fördert. Eine Pumpe 18 saugt Meerwasser aus einem Meerwassereinlaufbauwerk 19 durch die Leitung 20 an und führt es dem Verdampfer 17 durch die Leitung 21 zu, wodurch auch die für die Verdampfung des gesamten flüssigen Kälteträgers erforderliche Verdampfungswärme zugeführt wird. Das gekühlte Meerwasser fließt durch die Leitung 22 ins Meer zurück. Der gesamte dampfförmige Kälteträger verläßt den Verdampfer 17 durch die Leitung 23 und teilt sich in den Hauptstrom durch die Leitung 6 und in den Nebenstrom durch die Leitung 24. Während der Hauptstrom des dampfförmigen Kälteträgers, wie bereits oben beschrieben, durch die Leitung 6 in den Wärmetauscher 5 der ersten Druckstufe strömt, wird der Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers aus der Leitung 24 von der Druckerhöhungseinrichtiing 25 angesaugt und auf den Kondensationsdruck der zweiten Druckstufe verdichtet. Mit der Verdichtungsendtemperatur der zweiten Druckstufe, die höher als die der ersten Druckstufe ist, gelangt der Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers nun durch die Leitung 26 in den F.nderhitzer 8, kondensiert dort und strömt von neuem als Nebenstrom des flüssigen Kälteträgers durch die Leitung 11, über die Druckminderungseinrichtung 12 und durch die Leitungen 13 und 14 der Pumpe 15 zu.Liquefied natural gas is stored in a storage tank 1 at a pressure of 1 bar and -161 ° C. A pump 2, Connected to storage tank 1 via a line 3, it conveys liquid natural gas at a pressure of, for example 70 bar through the line 4 into the heat exchanger 5, where the liquid natural gas, which is at 70 bar in the supercritical state is, is converted into the gaseous state by the fact that a vaporous Coolant, fed in the main stream through line 6, z. B. condensed at - 20 ° C (first pressure stage). The gaseous, e.g. B. heated to -25 ° C natural gas then flows through line 7 into the End heater 8 and is further heated here by the fact that the secondary flow of the vaporous refrigerant condenses at a higher temperature than the vaporous refrigerant in line 6 (second Pressure level). With the desired final temperature of, for example, 5 ° C, the warm natural gas flows through the Line 9 now into the natural gas network 10. The secondary stream of the liquid refrigerant flows through line 11 a pressure reducing device 12, where it is relaxed to the pressure of the first pressure stage, and he then flows through line 13 into line 14 and with the main flow of the liquid refrigerant from the Heat exchanger 5 to pump 15, which the entire liquid refrigerant through line 16 in the Evaporator 17 promotes. A pump 18 draws seawater from a seawater intake structure 19 through the Line 20 and leads it to the evaporator 17 through the line 21, whereby also the for the evaporation of the entire liquid refrigerant required heat of vaporization is supplied. The chilled Sea water flows back into the sea through line 22. The entire vaporous refrigerant leaves the Evaporator 17 through line 23 and divides into the main flow through line 6 and into the secondary flow through line 24. While the main flow of the vaporous refrigerant, as already described above, flows through line 6 into heat exchanger 5 of the first pressure stage, the secondary flow of the sucked vaporous refrigerant from the line 24 of the Druckerhöhungseinrichtiing 25 and on the Condensation pressure of the second pressure stage is compressed. With the compression end temperature of the second Pressure stage, which is higher than that of the first pressure stage, the secondary flow of the vaporous refrigerant arrives now through the line 26 into the secondary heater 8, condenses there and flows again as a bypass flow of the liquid refrigerant through line 11 through which Pressure reducing device 12 and through the lines 13 and 14 of the pump 15 to.
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