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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Verflüssigung
von Erdgas an abgelegenen Orten, der Transport des verflüssigten
Erdgases in bewohnte Städte
sowie die Lagerung und Verdampfung von verflüssigtem Erdgas für die lokale
Nutzung wird seit vielen Jahren auf der ganzen Welt erfolgreich
praktiziert. Produktionsstätten
für verflüssigtes
Erdgas befinden sich typischerweise an Land an abgelegenen Orten
mit Anlegemöglichkeiten
für große Erdgastanker,
die das verflüssigte
Erdgas (liquified natural gas = LNG) zum Endverbraucher transportieren.
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Es
sind bereits zahlreiche Prozesszyklen zur LNG-Herstellung entwickelt
wurden, um den großen
Kältebedarf
für die
Verflüssigung
zu decken. Solche Zyklen nutzen typischerweise Kombinationen von
Einkomponenten-Kälteerzeugungssystemen
unter Verwendung von Propan oder einzelnen Chlorfluorkohlenstoff-Kältemitteln,
die in Kombination mit einem mehreren gemischten Kältemittelsystemen
verwendet werden. Bekannte gemischte Kältemittel umfassen typischerweise
leichte Kohlenwasserstoffe und ggfs. Stickstoff und verwenden Zusammensetzungen,
die genau auf die Temperatur- und Druckwerte der spezifischen Verfahrensschritte zugeschnitten
sind. Duale gemischte Kältemittelzyklen
sind ebenfalls eingesetzt worden, in denen das erste gemischte Kältemittel
die anfängliche
Kühlung
bei wärmeren
Temperaturen zur Verfügung
stellt und das zweite Kältemittel
für weitere
Kühlung
bei kühleren
Temperaturen sorgt.
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US-A-3,763,658
offenbart ein LNG-Produktionssystem, bei dem ein erster Propankälteerzeugungskreislauf
eingesetzt wird, welcher einen zweiten Kälteerzeugungskreislauf aus
gemischten Komponenten kühlt.
Nach der letzten Stufe der Vorkühlung
durch den ersten Kälteerzeugungskreislauf
wird das gemischte Kältemittel
aus dem zweiten Kälteerzeugungskreislauf
in einen flüssigen
und einen dampfförmigen
Strom getrennt. Der resultierende flüssige Strom wird auf eine Zwischentemperatur
unterkühlt, über ein
Drosselventil rasch entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen.
Der resultierende dampfförmige
Strom wird verflüssigt, auf
eine niedrigere Temperatur als die Zwischentemperatur unterkühlt, über ein
Drosselventil entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen und die Beschickung
endgültig
zu kühlen.
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Ein
in US-A-4,065,278 beschriebenes alternatives LNG-Erzeugungssystem
verwendet einen ersten Propankälteerzeugungskreislauf,
um einen zweiten Kälteerzeugungskreislauf
aus gemischten Komponenten vorzukühlen. Nach der letzten Stufe
des Vorkühlens
durch den ersten Kälteerzeugungskreislauf
wird das gemischte Kältemittel
aus dem zweiten Kälteerzeugungskreislauf
in einen flüssigen
und einen dampfförmigen Strom
getrennt. Der resultierende flüssige
Strom wird auf eine Zwischentemperatur unterkühlt, unter Einsatz eines Ventils
entspannt und verdampft, um Kälte
zu erzeugen. Der resultierende dampfförmige Strom wird verflüssigt, auf
eine Temperatur unterhalb der Zwischentemperatur unterkühlt, über ein
Drosselventil entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen und die Beschickung
endgültig
zu kühlen.
Dieses Verfahren unterscheidet sich insofern von dem vorstehend
zitierten Patent US-A-3,763,658, als die Destillation der Beschickung
für die
Entfernung schwerer Komponenten bei einer niedrigeren Temperatur
als der, die durch den ersten Kälteerzeugungskreislauf
zur Verfügung
gestellt wird, sowie bei einem wesentlich geringeren Druck als dem
Beschickungsdruck erfolgt.
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US-A-4,404,008
offenbart ein LNG-Produktionssystem, das einen ersten Propankälteerzeugungskreislauf
verwendet, um einen zweiten Kältererzeugungskreislauf
aus gemischten Komponenten vorzukühlen. Nach der letzten Stufe
des Vorkühlens
durch den ersten Kälteerzeugungskreislauf
wird das gemischte Kältemittel
aus dem zweiten Kälteerzeugungskreislauf
in einen flüssigen
und einen dampfförmigen
Strom getrennt. Der resultierende flüssige Strom wird auf eine Zwischentemperatur
unterkühlt,
unter Einsatz eines Ventils entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen.
Der resultierende dampfförmige
Strom wird verflüssigt,
auf eine Temperatur unter der Zwischentemperatur des flüssigen Stroms
unterkühlt, über ein
Drosselventil entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen und die Beschickung
endgültig
zu kühlen.
Dieser Stand der Technik unterscheidet sich insofern von US-A-3,763,658
als das Kühlen
und die teilweise Kondensation des gemischten Kältemittels des zweiten Kälteerzeugungskreislaufs
zwischen den Kompressionsstufen erfolgt. Die resultierende Flüssigkeit
wird dann bei einer wärmeren
Temperatur als der niedrigsten Temperatur des ersten Kälteerzeugungskreislaufs
wieder mit dem resultierenden dampfförmigen Strom kombiniert, und
der kombinierte gemischte Kältemittelstrom
wird anschließend
durch den ersten Kälteerzeugungskreislauf
weiter gekühlt.
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Ein
alternatives LNG-Erzeugungssystem ist in US-A-4,274,849 offenbart.
Dieses System verwendet einen ersten Kälteerzeugungskreislauf aus
gemischten Kompo nenten, um einen zweiten Kälteerzeugungskreislauf aus
gemischten Komponenten zu kühlen.
Nach der letzten Stufe des Vorkühlens
durch den ersten Kälteerzeugungskreislauf
wird das gemischte Kältemittel
aus dem zweiten Kälteerzeugungskreislauf
in einen flüssigen
und einen dampfförmigen
Strom getrennt. Der resultierende flüssige Strom wird auf eine Zwischentemperatur
gekühlt, über ein
Drosselventil entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen. Der resultierende dampfförmige Strom
wird verflüssigt,
auf eine Temperatur unter der Zwischentemperatur der Flüssigkeit
unterkühlt, über ein
Drosselventil entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen und die Beschickung
endgültig zu
kühlen.
In 7 dieses Bezugsdokuments
wird der Dampf, der aus der Trennung des zweiten Kältemittels nach
dem Vorkühlen
entsteht, weiter auf eine niedrigere Temperatur als die, die durch
den ersten Kälteerzeugungskreislauf
zur Verfügung
gestellt wird, gekühlt
und in einen flüssigen
und einen dampfförmigen
Strom getrennt.
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US-A-4,539,028
beschreibt ein LNG-Erzeugungssystem, bei dem ein erster Kälteerzeugungskreislauf aus
gemischten Komponenten dazu verwendet wird, einen zweiten Kälteerzeugungskreislauf
aus gemischten Komponenten vorzukühlen. Nach der letzten Stufe
des Vorkühlens
durch den ersten Kälteerzeugungskreis wird
das gemischte Kältemittel
aus dem zweiten Kälteerzeugungskreislauf
in einen flüssigen
und einen dampfförmigen
Strom getrennt. Der resultierende flüssige Strom wird auf eine Zwischentemperatur
unterkühlt, über ein
Drosselventil entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen. Der resultierende
dampfförmige
Strom wird verflüssigt,
auf eine niedrigere Temperatur als die Zwischentemperatur unterkühlt, über ein
Drosselventil entspannt und verdampft, um Kälte zu erzeugen und die Beschickung
endgültig
zu kühlen.
Dieses Patent unterscheidet sich dadurch vom vorstehend beschriebenen
Patent US-A-4,274,849, dass das zweite Kältemittel bei zwei verschiedenen
Drücken
verdampft wird, um Kälte
zu erzeugen.
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US-A-4,504,296
offenbart ein Verfahren und ein System zur Verflüssigung von Erdgas mit zwei
geschlossenen Multikomponenten-Kälteerzeugungskreisläufen, in
denen das erste Kältemittel
ein binäres
Gemisch aus Propan und Butan in einem Entspannungskälteerzeugungskreislauf
umfasst und das zweite Kältemittel
ein Gemisch aus Stickstoff, Methan, Ethan, Propan und Butan in einem
unterkühlenden
Kälteerzeugungskreislauf
umfasst. Insbesondere wird das als Beschickungsgas verwendete Erdgas
im Wärmetauscher (12)
durch indirekten Wärmeaustausch
mit zwei verdampfenden Kältemittelströmen gekühlt.
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US-A-5,943,881
offenbart ein Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas, bei dem
ein Kältemittelgemisch in
der vorletzten einer Vielzahl von Stufen einer Kompressionseinheit
komprimiert wird, das Gemisch teilweise kondensiert wird, um es
im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur zu kühlen, wobei ein kondensiertes
Gemisch getrennt wird, um eine dampfförmige Fraktion und eine flüssige Fraktion
zu erhalten. Zwei Kältemittelströme treten
an zwei Eingangspunkten in die Wärmetauschereinheit
ein, wobei die zusätzliche
Phasentrennung eines dieser Ströme
ggfs. an Kältemittelströmen zur
Verfügung
gestellt wird, die aus dem Wärmetauscher abgezogen
werden.
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WO
00/36350 offenbart ein Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas unter Verwendung
von zwei gemischten Kältemitteln
in zwei geschlossenen Kreisläufen,
einem Kältemittel
niedrigen Niveaus, um das Erdgas zu kühlen und zu verflüssigen,
und einem starken Kältemittel,
um das Kältemittel
niedrigen Niveaus zu kühlen. In
jedem Fall wird eine Phasentrennung des Kältemittelstroms durchgeführt, um
einen oder zwei Kältemittelströme zur Verfügung zustellen,
der bzw. die in den jeweiligen Wärmeaustausch
eintreten.
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GB-A-1
435 733 offenbart ein Gasverflüssigungsverfahren,
das zwei umlaufende Kälteerzeugungssysteme
und vier Wärmetauscher
verwendet, um das Beschickungsgas zu kühlen und zu kondensieren. In
einem ersten oder kalten Kälteerzeugungssystem
wird ein gemischtes Kältemittel
komprimiert und gekühlt,
um ein überhitztes
komprimiertes Kältemittel
zu ergeben. Dieses wird im ersten Wärmetauscher mit dem Beschickungsgas
gekühlt,
und komprimiertes Kältemittel
wird darin teilweise kondensiert. Das teilweise kondensierte Kältemittel
wird in eine flüssige
und eine dampfförmige
Fraktion getrennt, die Fraktionen werden mit der Beschickung in
einem zweiten Wärmetauscher
gekühlt,
und die gekühlten
Flüssigkeiten
werden auf einen ersten Druck expandiert und erwärmt, um Kälte im ersten und zweiten Wärmetauscher
zu erzeugen. Im dritten und vierten Wärmetauscher wird die dampfförmige Fraktion
gekühlt
und mit der Beschickung kondensiert. Die kondensierte Fraktion wird
auf einen zweiten Druck expandiert und erwärmt, um Kälte in den vier Wärmetauschern zu
erzeugen. Erwärmtes
Kältemittel
wird in einem Zweistufenkompressor komprimiert.
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US-A-3,780,535
offenbart ein Gasverflüssigungsverfahren,
in dem Kälte
durch ein Kälteerzeugungssystem
erzeugt wird, das Kältemittel
auf zwei Druckniveaus in vier Wärmetauscherzonen
erzeugt, die bei stufenweise niedrigeren Temperatu ren betrieben
werden. Die erste oder wärmste
Zone wird durch teilweises Verdampfen eines flüssigen Kältemittels gekühlt, das
durch teilweises Kondensieren und Trennen des komprimierten Kältemittels
aus einem Zweistufenkältemittelkompressor
erhalten wurde. Teilweise verdampftes Kältemittel aus der ersten Wärmetauscherzone
wird dann in eine dampfförmige
Fraktion und eine flüssige
Fraktion getrennt. Dann wird die Dampffraktion in die zweite Stufe
des Kompressors eingeführt,
und die flüssige
Fraktion wird gekühlt,
im Druck verringert und vollständig
verdampft, um Kälte
in der zweiten Wärmetauscherzone zu
erzeugen. Dampf (6) wird in die erste Stufe des Kompressors (2)
zurückgeleitet.
Die dampfförmige
Fraktion aus der ersten Trennung wird im ersten und zweiten Wärmetauscher
gekühlt,
teilweise kondensiert und getrennt, um Kältemittel für die dritte und vierte Wärmetauscherzone
zur Verfügung
zu stellen.
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Der
vorstehend definierte Stand der Technik beschreibt die Verdampfung
unterkühlter
gemischter Kältemittelströme, um Kälte für die Verflüssigung
von Erdgas zu erzeugen, wobei die Unterkühlung durch einen Teil der
durch Entspannen und Verdampfen der unterkühlten gemischten Kältemittelströme erzeugten
Kälte zur
Verfügung
gestellt wird. Die Kälte
zum Kühlen
der gemischte Kältemittelströme und der
Erdgasbeschickung wird durch die Verdampfung der gemischten Kältemittelströme in der
Hauptwärmetauscherzone
erzeugt. Das Kühlen
des Dampfes aus den gemischten Kältemitteln
während
und/oder nach der Kompression erfolgt durch ein getrenntes Kältemittel
wie Propan.
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Eine
verbesserte Effizienz von Gasverflüssigungsverfahren wäre besonders
wünschenswert
und ist das Hauptziel neuer Zyklen, die in der Technik der Gasverflüssigung
entwickelt werden. Das im folgenden beschriebene und durch die Ansprüche definierte
Ziel der Erfindung ist eine Verbesserung der Verflüssigungseffizienz
dadurch, dass ein zusätzlicher
verdampfender Kältemittelstrom
in der Hauptwärmetauscherzone
zur Verfügung
gestellt wird. Für
die Anwendung dieses verbesserten Kälteerzeugungsschritts sind
verschiedene Ausführungsformen
beschrieben, die die Verflüssigungseffizienz
verbessern.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gasverflüssigung, das umfasst: das Kühlen eines
Beschickungsgases (118) in einer Wärmetauscherzone (220)
durch indirekten Wärmeaustausch
mit verdampfenden gemischten Kältemittelströmen (224, 227, 230),
um ein verflüssigtes
Produkt (232) und einen verdampften gemischten Kältemittelstrom
(138) zu ergeben, wobei drei oder vier zum Kühlen des
Beschickungsgases (118) verwendete verdampfende gemischte
Kältemittelströme zur Verfügung gestellt
werden durch:
- (a) Komprimieren (234)
eines verdampften gemischten Kältemittelstroms
(233), um einen komprimierten Kältemittelstrom (235)
zur Verfügung
zu stellen;
- (b) Kühlen
des komprimierten Kältemittelstroms
(235) um einen ersten, teilweise kondensierten Kältemittelstrom
zur Verfügung
zu stellen;
- (c) Trennen (240) des teilweise kondensierten Kältemittelstroms,
um einen ersten dampfförmigen
Kältemittelstrom
(242) und einen ersten flüssigen Kältemittelstrom (244, 262)
zur Verfügung
zu stellen;
- (d) Kühlen
und teilweises Kondensieren des ersten dampfförmigen Kältemittelstroms (242),
um einen zweiten teilweise kondensierten Kältemittelstrom (260)
herzustellen, und Trennen (272) des zweiten teilweise kondensierten
Kältemittelstroms
(260), um einen zweiten dampfförmigen Kältemittelstrom (270)
und einen zweiten flüssigen
Kältemittelstrom
(268, 274) zur Verfügung zu stellen;
- (e) Einspeisen des ersten flüssigen
Kältemittelstroms
(262), des zweiten dampfförmigen Kältemittelstroms (270)
und des zweiten flüssigen
Kältemittelstroms
(268, 274) in das warme Ende der Wärmetauscherzone (220),
wo der erste flüssige
Kältemittelstrom
(262), der zweite dampfförmige Kältemittelstrom (270)
und der zweite flüssige
Kältemittelstrom
(268, 274) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem verdampfenden gemischten
Kältemittel
in der Wärmetauscherzone
(220) gekühlt
werden, um das erste (275), zweite (282) bzw.
dritte (286) flüssige
Kältemittel
zur Verfügung
zu stellen; und
- (f) Verringern des Drucks (276, 280, 284)
des ersten (275), zweiten (282) bzw. dritten (286)
flüssigen
Kältemittels,
um ein erstes (222), zweites (226) bzw. drittes
(230, 231) verdampfendes Kältemittel im unteren, mittleren
bzw. oberen Bereich der Wärmetauscherzone
(220) zu ergeben und dadurch die mehreren verdampfenden
Kältemittelströme zur Verfügung zu
stellen, um das Beschickungsgas (118) durch drei Temperaturbereiche
in der Wärmetauscherzone
(220) hindurch zu kühlen;
und
- (g) Abziehen eines kombinierten verdampften gemischten Kältemittelstroms
vom Boden der Wärmetauscherzone
(220), um den verdampften gemischten Kältemittelstrom (233)
zur Verfügung
zu stellen.
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Vorzugsweise
umfasst das Beschickungsgas (118) Methan, welches durch
Entfernen (102) von Säuregasen
und anderen Kontaminanten aus Erdgas (100), um ein gereinigtes
Erdgas (104) zur Verfügung
zu stellen, und durch Entfernen von Kohlenwasserstoffen, die schwerer
sind als Methan, aus dem gereinigten Erdgas (104), zur
Verfügung
gestellt wird.
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Vorzugsweise
wird das gereinigte Erdgas (104) durch indirekten Wärmeaustausch
mit zwei oder mehreren Stufen der Propankälteerzeugung (106, 108)
gekühlt,
um gekühltes
gereinigtes Erdgas (112) zur Verfügung zu stellen, und die Kohlenwasserstoffe,
die schwerer sind als Methan, werden in einer Gaswäschersäule (110)
aus dem gekühlten
gereinigten Erdgas (112) entfernt, um das Beschickungsgas
(118) zur Verfügung
zu stellen.
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Vorzugsweise
wird ein Destillatstrom (716) aus der Gaswäschersäule (710)
abgezogen, der Destillatstrom (716) wird in der Wärmetauscherzone
(220, 720) gekühlt,
ein gekühlter
und teilweise kondensierter Destillatstrom (722) wird zurück in einen
Abscheider der Gaswäschersäule (724)
geleitet, ein flüssiger
Strom aus dem Abscheider der Gaswäschersäule (724) wird abgezogen
und ans obere Ende der Gaswäschersäule (710) geleitet
und ein dampfförmiger
Strom wird aus dem Abscheider der Gaswäschersäule (724) abgezogen,
um das Beschickungsgas (716) zur Verfügung zu stellen.
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Vorzugsweise
wird das Kühlen
des komprimierten Kältemittelstroms
(235) in (b) teilweise durch Kühlen gegen eine Umgebungswärmesenke
(236) und teilweise durch eine Stufe des indirekten Wärmeaustauschs
(238) mit einem Propankältemittel
zur Verfügung
gestellt.
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Vorzugsweise
wird das Kühlen
des komprimierten Kältemittelstroms
(235) in (b) teilweise durch drei Stufen des indirekten
Wärmeaustauschs
(300, 302, 304) mit dem Propankältemittel
zur Verfügung
gestellt.
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Vorzugsweise
wird das Kühlen
und teilweise Kondensieren des ersten dampfförmigen Kältemittelstroms (242)
in (d) teilweise durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Propankältemittel
in zwei Stufen (246, 248) oder drei Stufen (246, 248, 402)
zur Verfügung
gestellt.
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Vorzugsweise
wird der erste flüssige
Kältemittelstrom
(244) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Propankältemittel
in zwei Stufen (250, 252) oder drei Stufen (250, 252, 403)
gekühlt.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren außerdem:
das teilweise Kondensieren des ersten dampfförmigen Kältemittelstroms (242),
um einen teilweise kondensierten Strom zur Verfügung zu stellen, das Trennen (900)
des teilweise kondensierten Stroms, um einen flüssigen Intermediatstrom (901)
und einen dampfförmigen
Strom zu ergeben, wobei der dampfförmige Strom gekühlt und
teilweise kondensiert wird, um den teilweise kondensierten Kältemittelstrom
(260) zur Verfügung
zu stellen, Kühlen
des flüssigen
Intermediatstroms (901) in der Wärmetauscherzone (920),
um einen gekühlten
flüssigen
Intermediatstrom zu ergeben, und Verringern des Drucks (903)
des gekühlten
flüssigen
Intermediatstroms, um ein viertes verdampfendes Kältemittel
in der Wärmetauscherzone
(920) zur Verfügung
zu stellen.
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In einer alternativen
Ausführungsform
des Verfahrens
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- (i) wird der erste flüssige Kältemittelstrom (262; 1162)
gekühlt,
sein Druck verringert, und er im ersten Wärmetauscher (1100)
bei einem ersten Druck verdampft, um ein erstes verdampftes Kältemittel
(222; 1106) zur Verfügung zu stellen, das an einer
Zwischenstufenstelle des Kompressors (1136) zurückgeleitet
wird; und
- (ii) der zweite dampfförmige
Kältemittelstrom
(270; 1170) und der zweite flüssige Kältemittelstrom (268; 1168)
werden im ersten Wärmetauscher
(1100) und zweiten Wärmetauscher
(1102) gekühlt,
um das zweite (282) und dritte (286) flüssige Kältemittel
zur Verfügung
zu stellen, und wobei der Druck des zweiten (282) und dritten
(286) flüssigen
Kältemittels
verringert wird und sie bei einem zweiten Druck im zweiten Wärmetauscher
(1102) verdampft werden, um ein zweites verdampftes Kältemittel
(1104) zu ergeben, das zum Einlass des Kompressors (1136)
zurückgeleitet
wird.
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In einer alternativen
Ausführungsform
des Verfahrens
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- (i) erfolgt das Kühlen des komprimierten Kältemittelstroms
(235, 1214) in (b) in einem zusätzlichen
Wärmetauscher
(1200) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem zusätzlichen
gemischten Kältemittel,
das durch ein umlaufendes gemischtes Kältemittelsystem (1210, 1204, 1202, 1212, 1206, 1208)
erzeugt wird, um den ersten teilweise kondensierten Kältemittelstrom
zur Verfügung
zu stellen; und
- (ii) der erste teilweise kondensierte Kältemittelstrom wird abgetrennt
(1288), um einen ersten flüssigen Strom (244; 1244)
zur Verfügung
zu stellen, der im zusätzlichen
Wärmetauscher
(1200) weiter gekühlt
wird, um den ersten flüssigen
Kältemittelstrom
(202; 1162) und einen ersten dampfförmigen Strom
(242) zur Verfügung
zu stellen, der im zusätzlichen
Wärmetauscher
(1200) weiter gekühlt
wird, um den zweiten teilweise kondensierten Kältemittelstrom (260; 1260)
zur Verfügung
zu stellen.
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Die
Erfindung betrifft auch einen Apparat zur Gasverflüssigung,
der umfasst: eine Wärmetauscherzone
(220) zum Kühlen
eines Beschickungsgases (118) durch indirekten Wärmeaustausch
mit verdampfenden gemischten Kältemittelströmen (224, 227, 230),
um ein verflüssigtes
Produkt (232) und einen verdampften gemischten Kältemittelstrom
(138) zu ergeben, und eine Vorrichtung, um der Wärmetauscherzone
drei oder vier verdampfende gemischte Kältemittelströme zur Verfügung zu
stellen, umfassend:
- (a) einen Kompressor zum
Komprimieren (234) eines verdampften gemischten Kältemittelstroms
(233), der über
eine Leitung (233) aus der Wärmetauscherzone (220)
eingespeist wurde, um einen komprimierten Kältemittelstrom (235)
zur Verfügung
zu stellen;
- (b) eine Vorrichtung (236, 238) zum Kühlendes
komprimierten Kältemittelstroms
(235), der über
eine Leitung aus dem Kompressor (234) eingespeist wurde,
um einen ersten teilweise kondensierten Kältemittelstrom zur Verfügung zu
stellen;
- (c) einen Abscheider (240), um den teilweise kondensierten
Kältemittelstrom,
der über
eine Leitung aus der Kühlvorrichtung
(235) eingespeist wurde, zu trennen, um einen ersten dampfförmigen Kältemittelstrom (242)
und einen ersten flüssigen
Kältemittelstrom
(244, 262) zur Verfügung zu stellen;
- (d) eine Vorrichtung zum Kühlen
und teilweisen Kondensieren des ersten dampfförmigen Kältemittelstroms (242),
der über
eine Leitung aus dem Abscheider (240) eingespeist wurde,
um einen zweiten teilweise kondensierten Kältemittelstrom (260)
zu ergeben, sowie eine Vorrichtung zum Trennen (272) des
zweiten teilweise kondensierten Kältemittelstroms (260),
um einen zweiten dampfförmigen
Kältemittelstrom
(270) und einen zweiten flüssigen Kältemittelstrom (268, 274)
zur Verfügung
zu stellen;
- (e) Leitungen zum Einspeisen des ersten flüssigen Kältemittelstroms (262),
des zweiten dampfförmigen Kältemittelstroms
(270) und des zweiten flüssigen Kältemittelstroms (268, 274)
in das warme Ende der Wärmetauscherzone
(220), in der der erste flüssige Kältemittelstrom (262),
der zweite dampfförmige
Kältemittelstrom
(270) und der zweite flüssige
Kältemittelstrom
(268, 274) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem verdampfenden
gemischten Kältemittel
in der Wärmetauscherzone
(220) gekühlt
werden, um ein erstes (275), zweites (282) bzw.
drittes (286) flüssiges
Kältemittel
zur Verfügung
zu stellen; und
- (f) Mittel zur Verringerung des Drucks (276, 280, 284)
des ersten (275), zweiten (282) bzw. dritten (286)
flüssigen
Kältemittels,
um ein erstes (222), zweites (226) bzw. drittes
(230, 231) verdampfendes Kältemittel im unteren, mittleren
bzw. oberen Bereich der Wärmetauscherzone
(220) zu ergeben, wodurch mehrere verdampfende Kältemittelströme erzeugt
werden, um das Beschickungsgas (118) durch drei Temperaturbereiche
in der Wärmetauscherzone
(220) hindurch zu kühlen;
und
- (g) Mittel zum Abziehen eines kombinierten verdampften gemischten
Kältemittelstroms
vom Boden der Wärmetauscherzone
(220), um den verdampften gemischten Kältemittelstrom (233)
zur Verfügung
zu stellen.
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Kurze Beschreibung
verschiedener Ansichten der Zeichnungen
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1 ist ein Fließschema
eines für
den Stand der Technik repräsentativen
Verflüssigungsverfahrens.
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2 ist ein Fließschema
einer Ausführungsform
der Erfindung, in der ein komprimiertes gemischtes Kältemittel
nach dem Kühlen
in einer Stufe des Wärmeaustauschs
mit einem zweiten Kältemittel
bei einer Zwischentemperatur teilweise kondensiert wird.
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3 ist ein Fließschema
einer Ausführungsform
der Erfindung, in der ein komprimiertes gemischtes Kältemittel
nach dem Kühlen
in drei Stufen des Wärmeaustauschs
mit einem zweiten Kältemittel
und bei einem Zwischendruck unter dem Enddruck des komprimierten
gemischten Kältemitteldampfes
bei einer Zwischentemperatur teilweise kondensiert wird.
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4 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der Intermediatströme aus dem dampfförmigen und
dem flüssigen
gemischten Kältemittel
in drei Stufen des Wärmeaustauschs
mit einem zweiten Kältemittel
zusätzlich
gekühlt
werden.
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5 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der komprimiertes gemischtes Kältemittel nach dem Kühlen in
zwei Stufen des Wärmeaustauschs
mit einem zweiten Kältemittel
bei einer Zwischentemperatur teilweise kondensiert wird.
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6 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der Intermediatströme aus dem dampfförmigen und
dem flüssigen
gemischten Kältemittel
in vier Stufen des Wärmeaustauschs
mit einem zweiten Kältemittel
weiter gekühlt
werden.
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7 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der das Beschickungsgas in drei Stufen des Wärmeaustauschs
mit einem zweiten Kältemittel
vorgekühlt
wird.
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8 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der zwei Stufen einer Teilkondensation des komprimierten
gemischten Kältemittels
dazu verwendet werden, um einen kombinierten flüssigen gemischten Kältemittelstrom
zu erzeugen.
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9 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der zwei Stufen der Teilkondensation des komprimierten
gemischten Kältemittels
dazu verwendet werden können,
um der Hauptwärmetauscherzone
zwei unterkühlte
flüssige
Kältemittel
zur Verfügung
zu stellen.
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10 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der das gemischte Kältemittel in der Hauptwärmetauscherzone
bei zwei verschiedenen Drücken
verdampft wird.
-
11 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der das Vorkühlen
durch einen gemischten Kälteerzeugungskreislauf
zur Verfügung
gestellt wird.
-
12 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der das Vorkühlen
durch einen gemischten Kälteerzeugungskreislauf
mit zwei Druckniveaus des Kältemittels
zur Verfügung
gestellt wird.
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13 ist ein Fließschema
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der eine einzige Stufe der Teilkondensation von
gemischtem Kältemittel
verwendet wird.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein effizientes Verfahren für die Gasverflüssigung
zur Verfügung
und ist besonders gut für
die Verflüssigung
von Erdgas anwendbar. Die Erfindung verwendet ein gemischtes Kältemittelsystem, in
dem das gemischte Kältemittel
nach dem Komprimieren bzw. Verdichten durch das zweite Kältemittelsystem vorgekühlt wird
und mindestens ein flüssiger
Strom aus der Teilkondensation und der Trennung des komprimierten
gemischten Kältemittels
abgeleitet wird. Wenn der Teilkondensationsschritt bei einem geringerem Druck
als dem höchsten
Enddruck des komprimierten gemischten Kältemittels durchgeführt wird,
erfolgt die Kondensation bei einer Temperatur, die der untersten
durch das zweite Kälteerzeugungssystem
zur Verfügung gestellten
Temperatur gleich oder höher
ist. Wenn die Teilkondensation bei einem Druck durchgeführt wird,
der dem höchsten
Enddruck des komprimierten gemischten Kältemittels im Wesentlichen
gleich ist, erfolgt die Kondensation bei einer Temperatur über der
durch das zweite Kälteerzeugungssystem
zur Verfügung
gestellten niedrigsten Temperatur.
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Das
gemischte Kältemittel
ist ein Fluidgemisch aus mehreren Komponenten, das typischerweise
einen oder mehrere aus Methan, Ethan, Propan und anderen leichten
Kohlenwasserstoffen ausgewählten
Kohlenwasserstoff enthält
und auch Stickstoff einschließen
kann.
-
Das
Vorkühlungssystem
kühlt das
gemischte Kältemittel
im Allgemeinen auf Temperaturen unter dem Umgebungswert. Obwohl
es keine Untergrenze für
die niedrigste Temperatur gibt, die durch das erfindungsgemäße Vorkühlungssystem
erreicht wird, hat sich gezeigt, dass die niedrigste Vorkühlungstemperatur
für die Herstellung
von LNG im allgemeinen zwischen etwa 0 und etwa –75°C und vorzugsweise zwischen
etwa –20 und
etwa –45°C liegt.
Die niedrigste Vorkühlungstemperatur
hängt von
der Erdgaszusammensetzung und den Anforderungen an das LNG-Produkt
ab. Das Vorkühlungssystem
kann eine Kaskade von Wärmetauschern
bilden, in der jeweils ein Kältemittel
aus einer einzigen aus C2-C5-Kohlenwasserstoffen
oder C1-C4-Halogenkohlenwasserstoffen
ausgewählten
Komponente verwenden. Auf Wunsch kann das Kühlsystem ein gemischtes Kältemittel
verwenden, das verschiedene Kohlenwasserstoffe enthält. Eine
Ausführungsform
der Erfindung verwendet ein mit Propan vorgekühltes gemischtes Kältemittelsystem,
wobei nach der ersten Stufe der Kühlung des gemischten Kältemittels
durch Propan ein flüssiges
gemischtes Kältemittel
abgeleitet wird, was zu einer Energieeinsparung oder einer gesteigerten
Produktion gegenüber
einem Standardkreislauf aus mit Propan vorgekühltem gemischten Kältemittel
führt.
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Es
werden mehrere Ausführungsformen
beschrieben, darunter die Anwendung der Erfindung auf duale gemischte
Kälteerzeugungskreisläufe.
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In
der Erfindung können
viele verschiedene Wärmetauschervorrichtungen
in den Kälteerzeugungskreisläufen verwendet
werden, darunter Wärmetauscher
vom Typ gewundene Spiralen, Platten-Lamellen, Gehäuse und
Röhre,
sowie der Kesseltyp, oder abhängig
von spezifischen Anwendungen Kombinationen von Wärmetauschertypen. Die Erfindung
ist anwendbar auf die Verflüssigung
aller geeigneten Gasströme,
ist aber im folgenden als Verfahren für die Verflüssigung von Erdgas beschrieben.
Die Erfindung ist unabhängig
von der Anzahl und Anordnung der im beanspruchten Verfahren verwendeten
Wärmetauscher.
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In
dieser Offenbarung definiert der Begriff "Wärmetauscherzone" einen Wärmetauscher
oder eine Kombination von Wärmetauschern,
in denen die Kälte
durch einen oder mehrere Kältemittelströme erzeugt wird,
um einen oder mehrere Prozessströme
innerhalb eines bestimmten Temperaturbereichs zu kühlen. Ein Wärmetauscher
ist ein Gefäß, das eine
beliebige Wärmetauschervorrichtung
enthält;
solche Vorrichtungen können
Platten und Lamellen, gewundene Spiralen, Röhrenbündel und andere bekannte Wärmeübertragungsvorrichtungen
umfassen. Der Begriff "Hauptwärmetauscherzone" definiert die Zone,
in der Kälte
aus dem zweiten umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf
in einem Temperaturbereich zwischen der zweiten Temperatur und der
dritten Temperatur zum Kühlen
und Verflüssigen
des Beschickungsgases erzeugt wird. In den im folgenden beschriebenen
Ausführungsformen
ist die Hauptwärmetauscherzone
ein Wärmetauscher
oder eine Gruppe von Wärmetauschern,
in dem bzw. denen die Kälte
durch Verdampfen eines umlaufenden gemischten Kältemittels erzeugt wird, um
das Beschickungsgas zwischen der zweiten Temperatur und der dritten Temperatur
zu kühlen
und zu verflüssigen.
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Ein
repräsentative
Gasverflüssigungsverfahren
nach dem Stand der Technik ist in 1 zu
sehen. Erdgas 100 wird zuerst in einem Vorbehandlungsbereich 102 für die Entfernung
von Säuregasen
wie CO2 und H2S
zusammen mit anderen Kontaminanten wie Quecksilber gereinigt und
getrocknet. Das vorbehandelte Gas 104 tritt dann in den
Propanaustauscher 106 der ersten Stufe ein und wird dort
auf eine typische Zwischentemperatur von etwa 8°C gekühlt. Der Strom wird in einem
Propanaustauscher 108 der zweiten Stufe weiter auf eine
typische Temperatur von etwa –15°C gekühlt und
der resultierende weiter gekühlte
Strom 110 tritt in die Gaswäschersäule 112 ein. In der
Gaswäschersäule werden
schwerere Komponenten der Beschickung, typischerweise Pentan und
schwerer, als Strom 116 vom Boden der Gaswäschersäule entfernt.
Die Kälte
im Gaswäschersäulenkondensator
wird durch den Propanaustauscher 114 erzeugt. Die Propanaustauscher 106, 108 und 114 verwenden
verdampfendes Propan, um durch indirekten Wärmeaustausch Kälte zu erzeugen.
-
Der
Erdgasstrom 118 hat nach der Entfernung der schwereren
Komponenten eine typische Temperatur von etwa –35°C. Der Strom 118 wird
im Kühlkreislauf 120 in
der ersten Zone des Hauptwärmetauschers 122 durch
einen siedenden gemischten Kältemittelstrom,
der über
die Leitung 124 zugeführt
wird, weiter auf eine typische Temperatur von etwa –100°C gekühlt. Der
resultierende gekühlte
Beschickungsgasstrom wird über
das Ventil 126 entspannt und im Kühlkreislauf 128 in
einer zweiten Zone des Hauptwärmetauschers 122 durch
den über
die Leitung 130 zugeführten
siedenden gemischten Kältemittelstrom
weiter gekühlt.
Der resultierende verflüssigte
Strom 132 kann über
das Ventil 134 entspannt werden, um den endgültigen LNG-Produktstrom 136 bei
einer typischen Temperatur von –166°C zu ergeben.
Bei Bedarf kann der Strom 132 oder der Strom 136 weiter
verarbeitet werden, um rückständige Kontaminanten
wie Stickstoff zu entfernen.
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Die
verdampfenden Kältemittelströme 124 und 130 fließen nach
unten durch den Wärmetauscher 122, und
der kombinierte gemischte dampfförmige
Kältemittelstrom 138 wird
daraus abgezogen. Der gemischte dampfförmige Kältemittelstrom 138 wird
im Mehrstufenkompressor 140 auf einen typischen Druck von
50 bara (absoluter Druck) komprimiert, wird im Wärmetauscher 142 gegen
eine Umgebungswärmesenke 142 gekühlt und
dann in den Wärmetauschern 144, 146 und 148 gegen
verdampfendes Propan weiter gekühlt
und teilweise kondensiert, um einen zweiphasigen gemischten Kältemittelstrom
mit einer typischen Temperatur von –35°C zu ergeben.
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Der
zweiphasige gemischte Kältemittelstrom 150 wird
im Abscheider 152 getrennt, um den dampfförmigen Strom 154 und
den flüssigen
Strom 156 zu ergeben, die in den Wärmetauscher 122 fließen. Der
flüssige Strom 156 wird
im Kühlkreislauf 158 unterkühlt und über das
Ventil 160 entspannt, um über die Leitung 124 einen
verdampfenden Kältemittelstrom
zu ergeben. Der dampfförmige
Strom 154 wird kondensiert und in den Kühlkreisläufen 162 und 164 unterkühlt. Dann
wird er über
das Ventil 166 entspannt, um über die Leitung 130 den
verdampfenden gemischten Kältemittelstrom
zu ergeben.
-
Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist in 2 veranschaulicht.
Der Erdgasbeschickungsstrom 118 wird nach der Entfernung
schwerer Komponenten und dem Kühlen
auf etwa –35°C wie vorstehend
anhand von 1 beschrieben
zur Verfügung
gestellt. Der Strom 118 wird im Kühlkreislauf 219 in
der unteren Zone des Wärmetauschers 220 durch
indirekten Wärmeaustausch
mit einem ers ten, über
die Leitungen 222 und 224 eingeführten verdampfenden
gemischten Kältemittel
weiter auf eine typische Temperatur von etwa –100°C gekühlt. Der Wärmetauscher 222 ist
die bereits definierte Hauptwärmetauscherzone,
in der Kälte durch
einen oder mehrere Kältemittelströme erzeugt
wird, um einen Verfahrensstrom innerhalb eines vorgegebenen Temperaturbereichs
zu kühlen.
Der Gasstrom wird im Kühlkreislauf 225 in
der mittleren Zone des Wärmetauschers
durch indirekten Wärmeaustausch
mit einem zweiten über
die Leitungen 226 und 227 eingeführten verdampfenden
gemischten Kältemittel
weiter auf etwa –130°C gekühlt. Der
resultierende Strom wird dann im Kühlkreislauf 228 in
der oberen Zone des Wärmetauschers 220 durch
indirekten Wärmeaustausch
mit einem dritten über
die Leitungen 230 und 231 eingeführten verdampfenden
gemischten Kältemittel
weiter auf eine typische Temperatur von etwa –166°C gekühlt. Das endgültige LNG-Produkt
wird als Strom 232 abgezogen und in einen Lagertank oder
bei Bedarf zur Weiterverarbeitung geleitet.
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Im
Verfahren von 2 können alle
geeigneten Modifikationen zur Wäsche
der Säule 110 vorgenommen
werden, wenn sehr geringe Mengen an schweren Komponenten im endgültigen LNG-Produkt
erforderlich sind. Beispielsweise kann eine schwerere Komponente
wie Butan als Waschflüssigkeit
verwendet werden.
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Die
Kälte zum
Kühlen
und Kondensieren des Erdgasstroms 118 von etwa –35°C auf eine
endgültige Temperatur
des LNG-Produkts von etwa –166°C wird zumindest
teilweise durch einen gemischten Kälteerzeugungskreislauf erzeugt,
in der ein bevorzugtes Merkmal der Erfindung zum Einsatz kommt.
Der kombinierte verdampfte gemischte Kältemittelstrom 233 wird
vom Boden des Wärmetauschers 220 abgezogen
und im mehrstufigen Kompressor 234 auf einen typischen
Druck von etwa 50 bara komprimiert. Das komprimierte Kältemittel 235 wird
dann gegen eine Umgebungswärmesenke
im Austauscher 236 auf etwa 30°C gekühlt. Der zuerst gekühlte gemischte
Kältemittelstrom
mit hohem Druck 327 wird im Propantauscher 238 der
ersten Stufe bei einer Temperatur von etwa 8°C weiter gekühlt und teilweise kondensiert.
Der teilweise kondensierte Strom fließt in den Abscheider 240,
wo er in den dampfförmigen
Strom 242 und den flüssigen
Strom 244 getrennt wird. Der dampfförmige Strom 242 wird
im Propantauscher 246 weiter auf eine Temperatur von etwa –15°C gekühlt und
im Propantauscher 248 zusätzlich auf etwa –35°C gekühlt. Der
flüssige
Strom 244 wird im Propantauscher 250 weiter auf
eine Temperatur von etwa –15°C gekühlt und
im Propantau scher 252 zusätzlich auf etwa –35°C gekühlt, um
den unterkühlten
flüssigen
Kältemittelstrom 262 zu
ergeben.
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Nach
der Trennung im Abscheider 240 kann ein Teil des flüssigen Stroms 244 an
jedem beliebigen Punkt vor, während
oder nach den durch die ggfs. verwendeten Ströme 254, 256 und 266 repräsentierten
Kühlschritten
mit dem Dampf vermischt werden. Der resultierende zweiphasige Kältemittelstrom 260 wird
dann im Abscheider 272 in den flüssigen Strom 268 und
den dampfförmigen
Strom 270 getrennt. Gegebenenfalls kann ein Teil des unterkühlten flüssigen Stroms 262 als
Strom 258 mit dem gesättigten
flüssigen
Strom 268 vermischt werden, um den flüssigen Kältemittelstrom 274 zu
ergeben.
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Drei
gemischte Kältemittelströme treten
bei einer typischen Temperatur von etwa –35°C in das warme Ende des Wärmetauschers 220 ein:
der schwere flüssige
Strom 262, der leichtere flüssige Strom 274 und
der dampfförmige
Strom 270. Der Strom 262 wird im Kühlkreislauf 275 weiter
auf eine Temperatur von etwa –100°C unterkühlt, und
sein Druck wird adiabatisch über
das Joule-Thomson-Drosselventil 276 auf
einen Wert von etwa 3 bara verringert. Das Kältemittel mit dem verringerten
Druck wird über
die Leitungen 222 und 224 in den Austauscher 220 eingeleitet,
um dort wie bereits beschrieben Kälte zu erzeugen. Auf Wunsch
kann der Druck des Kältemittelstroms
durch Expandieren unter Verwendung eines Turboexpanders oder einer
Expansionsmaschine anstelle des Drosselventils 276 verringert
werden. Der flüssige
Kältemittelstrom 274 wird
im Kühlkreis 278 auf
eine Temperatur von etwa –130°C unterkühlt, und
sein Druck wird adiabatisch über
das Joule-Thomson-Drosselventil 280 auf einen Wert von
etwa 3 bara verringert. Das entspannte Kältemittel wird über die
Leitungen 226 und 227 in den Austauscher 220 eingleitet,
um dort wie bereits beschrieben Kälte zu erzeugen. Auf Wunsch
kann der Druck des Kältemittelstroms
durch Expandieren unter Verwendung eines Turboexpanders oder einer
Expansionsmaschine anstelle des Drosselventils 280 verringert
werden.
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Der
dampfförmige
Kältemittelstrom 270 wird
verflüssigt
und im Kühlkreislauf 282 auf
eine Temperatur von etwa –166°C unterkühlt, und
sein Druck wird adiabatisch über
das Joule-Thomson-Drosselventil 284 auf einen Wert von
etwa 3 bara verringert. Das entspannte Kältemittel wird über die
Leitungen 230 und 231 in den Austauscher 220 eingeleitet,
um dort wie bereits beschrieben Kälte zu erzeugen. Auf Wunsch
kann der Druck des Kältemittelstroms
durch Expandieren unter Verwendung eines Turboexpanders oder einer
Expansionsmaschine anstelle des Drosselventils 284 verringert
werden.
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Im
Verfahren von 2 können auf
Wunsch mehrere Wärmetauscher
zu einem Wärmetauscher
kombiniert werden. Beispielsweise können die Wärmetauscher 246 und 250 oder
die Wärmetauscher 246 und 248 kombiniert
werden.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
in 2 ist zwar anhand
typischer Temperaturen und Drücke
verschiedener Ströme
beschrieben, doch diese Drücke
und Temperaturen sind keineswegs einschränkend und können je nach Aufbau und Betriebsbedingungen
in einem weiten Rahmen schwanken. Beispielsweise kann der Druck
des gemischten Kältemittels
mit hohem Druck jeder geeignete Druck sein und muss nicht unbedingt 50
bara betragen, und der Druck des gemischten Kältemittelstroms 233 mit
niedrigem Druck könnte
jeder geeignete Druck zwischen 1 und 25 bara sein. Ähnlich können die
typischen Temperaturen, die vorstehend bei der Beschreibung des
Verfahrens genannt sind, schwanken und hängen vom spezifischen Aufbau
und den Betriebsbedingungen ab.
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So
ist ein wichtiges Merkmal der Erfindung die Erzeugung des zusätzlichen
unterkühlten
flüssigen
Kältemittelstroms 262,
der weiter unterkühlt
und verdampft wird, um Kälte
im Bodenteil des Wärmetauschers 220 zu
erzeugen. Die Verwendung dieses zusätzlichen Kältemittelstroms spart Energie,
weil die Gesamtmenge der erforderlichen Unterkühlung flüssiger Ströme reduziert wird. Die Verwendung
des flüssigen
Kältemittelstroms 262,
der schwerere Kohlenwasserstoffkomponenten enthält, stellt eine thermodynamisch
bevorzugte Zusammensetzung zum Verdampfen in der Boden- oder Warmzone
des Wärmetauschers 220 zur
Verfügung.
Die Kondensation und Trennung des schwereren Kältemittelstroms 262 führt zu einer
höheren
Konzentration leichterer Komponenten im flüssigen Kältemittelstrom 274,
der besser geeignet für
die Kälteerzeugung
in der mittleren Zone des Wärmetauschers 220 ist.
Die Verwendung optimaler Zusammensetzungen der Kältemittelströme 262 und 274 ergibt
bessere Kühlkurven
und eine verbesserte Effizienz im Wärmetauscher 220.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 3 veranschaulicht.
In dieser Ausführungsform werden
drei Stufen der Propanvorkühlung
durch die Austauscher 300, 302 und 304 zwischen
den Kompressionsstufen des Kompressors 306 zur Verfügung gestellt.
Nach der letzte Stufe der Propanvorkühlung wird der teilweise kondensierte
Strom 308 in den dampfförmigen
Strom 310 und den flüssigen
Strom 362 getrennt. Der dampfförmige Strom 310 wird
in einer oder mehreren zusätzlichen
Stufen im Kompressor 306 weiter bis zum endgültigen hohen
Druck komprimiert und ggfs. zusätzlich
im Propanvorkühltauscher 312 gekühlt. Der
flüssige Strom 362 wird
unterkühlt,
sein Druck wird adiabatisch über
das Joule-Thomson-Drosselventil 376 verringert, und er
wird über
die Leitung 322 in den Wärmetauscher 320 eingeleitet,
um dort wie anhand von 2 beschrieben
Kälte zu
erzeugen. Auf Wunsch kann der Druck des Stroms 378 durch
Expandieren unter Verwendung eines Turboexpanders oder einer Expansionsmaschine
anstelle des Drosselventils 376 verringert werden.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 4 veranschaulicht.
In dieser Ausführungsform verwendet
man vier Stufen der Propanvorkühlung
für die
Vorkühlung
und Vorbehandlung der Beschickung, die als die bereits beschriebenen
Wärmetauscher 106, 108 und 114 für die Beschickung
beschrieben sind, bzw. den zusätzlichen
Wärmetauscher 401.
Zusätzliche
Propankühlung
wird außerdem
dazu verwendet, den gemischten Kälteerzeugungskreislauf
zu kühlen,
in dem die Austauscher 402 und 403 mit den bereits
beschriebenen Austauschern 246, 248, 250 und 252 verwendet
werden. Die zusätzlichen
Austauscher machen das Verflüssigungsverfahren
etwas komplizierter, aber effizienter.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist in 5 veranschaulicht,
in der sich der erste Abscheider 540 nach der zweiten Stufe
der Propanvorkühlung 500 und
nicht wie in der Ausführungsform
von 2 nach der ersten
Stufe der Propanvorkühlung
befindet. 6 zeigt eine
weitere bei Bedarf verwendete Ausführungsform, in der sich der
erste Abscheider 640 unmittelbar nach dem Umgebungskühler 164 und
nicht nach der ersten Stufe der Propanvorkühlung wie in der Ausführungsform
von 2 befindet. In der
Ausführungsform
von 6 erfolgt die gesamte
Propankühlung
nach dem Abscheider 640.
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7 veranschaulicht eine weitere
Ausführungsform
der Erfindung, in der alle Stufen der Vorkühlung der Beschickung in den
Propantauschern 706, 708 und 714 vor
der Gaswäschersäule 710 durchgeführt werden.
Die Kälte
für den Über-Kopf-Kondensator der Gaswäschersäule wird
durch Kühlen
des Destillatstroms 716 im Kühlkreislauf 718 in
der wärmsten
Zone des Wärmetauschers 720 erzeugt.
Der gekühlte
und teilweise kondensierte Destillatstrom 722 wird in den
Abscheider 724 der Gaswäschersäule zurückgeleitet.
Diese Ausführungsform
ist dann geeig net, wenn sehr niedrige Mengen an schweren Komponenten
im endgültigen LNG-Produkt erforderlich
sind.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist in 8 veranschaulicht,
in der durch den zusätzlichen
Abscheider 801 ein zusätzlicher
gemischter flüssiger
Kältemittelstrom 802 vor
der letzten Propanvorkühlungsstufe
erzeugt wird. Ein Teil oder der ganze zusätzliche flüssige Strom 802 kann
mit der ersten nach dem Unterkühlen
auf die gleiche Temperatur erzeugten Flüssigkeit gemischt werden; ggfs
kann ein Teil als Strom 803 mit dem Dampf aus dem Abscheider 801 kombiniert
werden.
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9 zeigt eine andere Ausführungsform
der Erfindung, in der vor der letzten Propanstufe durch den zusätzlichen
Abscheider 900 ein zweiter zusätzlicher flüssiger Strom 901 erzeugt
wird. In dieser Ausführungsform
wird der erzeugte zweite zusätzliche
flüssige
Strom 901 nicht mit der ersten erzeugten Flüssigkeit
gemischt wie in der Ausführungsform
von 8, sondern statt
dessen unterkühlt
und als flüssige
Beschickung, die unterkühlt
und durch das Drosselventil 903 expandiert wird, in den
Wärmetauscher 920 eingeleitet.
Die Verwendung dieser zusätzlichen
Flüssigkeit
erfordert den zusätzlichen
in 9 gezeigten Wärmetauscher 902. Diese
Ausführungsform
unterscheidet sich insofern von anderen Ausführungsformen, als anstelle
der verbreitet in Gasverflüssigungsverfahren
verwendeten spiralförmigen
Wärmetauschern
hartgelötete
Aluminiumwärmetauscher
wie in 9 gezeigt in
der Hauptwärmetauscherzone 920 verwendet
werden können.
Für alle Ausführungsformen
der Erfindung kann jedoch auch jeder beliebige geeignete Typ Wärmertauscher
verwendet werden.
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10 offenbart ein weiteres
Merkmal der Erfindung, in dem die gemischten Kältemittelströme bei zwei
unterschiedlichen Drücken
verdampft werden. Die Ströme 1168 und 1170 werden
verflüssigt,
unterkühlt und
ihr Druck verringert. Dann werden sie bei niedrigem Druck im Wärmetauscher 1102 verdampft.
Der verdampfte gemischte Kältemittelstrom 1104 kann
kalt direkt in den Kompressor 1136 eingespeist oder vor
dem Einspeisen in den Kompressor im Wärmetauscher 1100 angewärmt werden.
Der flüssige
Kältemittelstrom 1162 wird
weiter unterkühlt
und auf einen Druck über
dem Druck im Austauscher 1102 entspannt. Dann wird er im
Austauscher 1102 entspannt und zwischen den Kompressionsstufen
wie gezeigt als Strom 1106 in den Kompressor 1136 zurückgeleitet.
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Das
für die
Gasverflüssigung
verwendete gemischte Kältemittel
kann anstelle von Propan wie vorstehend beschrieben auch durch ein
anderes gemischtes Kältemittel
gekühlt
werden. In dieser in 11 gezeigten
Ausführungsform
erhält
man den flüssigen
Kältemittelstrom 1202 durch
die teilweise Kondensierung eines vorkühlenden gemischten Kältemittels
zwischen den Kompressionsstufen im Kompressor 1204. Diese
Flüssigkeit
wird dann im Austauscher 1200 unterkühlt, an einem Zwischenpunkt
abgezogen, über
das Drosselventil 1206 entspannt und verdampft, um Kälte in der
warmen Zone des Wärmetauschers 1200 zu
erzeugen. Der Dampf 1210 aus dem Austauscher 1200 wird
im Kompressor 1204 komprimiert, gegen eine Umgebungswärmesenke
gekühlt
und als Strom 1212 in den Austauscher 1200 eingeleitet.
Der Strom 1212 wird im Austauscher 1200 gekühlt, am
kalten Ende von 1200 abgezogen, über das Drosselventil 1208 entspannt
und verdampft, um die Kälte
in der kalten Zone des Austauschers 1200 zu erzeugen.
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Der
komprimierte gemischte Kältemittelstrom 1214 wird
im Bodenteil des Wärmetauschers 1200 gekühlt und
teilweise kondensiert und dann im Abscheider 1288 getrennt.
Der resultierende flüssige
Strom 1244 wird anschließend am oberen Ende des Austauschers 1200 unterkühlt. Der
resultierende unterkühlte
Strom 1162 wird im Bodenteil des Austauschers 1200 weiter
unterkühlt
und sein Druck adiabatisch über
das Drosselventil 1276 verringert. Dann wird er über die
Leitung 1222 in den Austauscher 1220 geleitet
und verdampft, um dort Kälte
zu erzeugen. Der Dampf aus dem Abscheider 1288 wird im
oberen Teil des Austauschers 1200 gekühlt, um den zweiphasigen Kältemittelstrom 1260 zur
Verfügung
zu stellen, der im Abscheider 1262 getrennt und wie bereits
beschrieben im Austauscher 1220 verwendet wird.
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12 veranschaulicht eine
Abwandlung der Ausführungsform
von 11, in der das vorkühlende gemischte
Kältemittel
in den Austauschern 1300 und 1302 bei zwei verschiedenen
Drücken
verdampft wird. Die erste Trennung des kalten gemischten Kältemittel
im Abscheider 1388 erfolgt nach dem Kühlen im vorkühlenden
Austauscher 1300. Der resultierende flüssige Strom 1344 wird
dann unterkühlt,
ehe sein Druck adiabatisch über
das Drosselventil 1376 verringert wird. Dann wird er als
Strom 1322 in den Austauscher 1320 eingeleitet,
um dort durch Verdampfen Kälte
zu erzeugen.
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Eine
letzte Ausführungsform
der Erfindung ist in 13 zu
sehen. Dabei handelt Ausführungsform wird
das Fließschema
dadurch einfacher, dass die Trennung des Stroms 160 unmittelbar
vor dem Wärmetauscher
von 2 weggelassen wird.
In 13 ersetzen die beiden
Wärmeaustauschzonen
im Austauscher 1420 die drei Wärmeaustauschzonen im Wärmetauscher 220 von 2. Der Strom 1460 wird
verflüssigt
und im Austauscher 1420 unterkühlt. Der Druck des unterkühlten Stroms 1486 wird über das
Drosselventil 1484 adiabatisch auf einen Wert von etwa
3 bara reduziert und dann als Strom 1430 in das kalte Ende
des Austauschers 1420 geleitet. Dort verdampft er und erzeugt
Kälte.
Auf Wunsch könnte
der Druck von Strom 1486 durch Kaltexpandieren in einem
Turboexpander oder einer Expansionsmaschine verringert werden.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
verwenden ein wichtiges gemeinsames Merkmal der Erfindung. Dabei
wird mindestens ein flüssiger
Intermediatstrom bei einer Temperatur, die der niedrigsten durch
Kühlen
gegen den ersten umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf
erreichbaren Temperatur gleich oder höher ist, aus der Teilkondensation
und Trennung des gemischten Kältemittels
abgeleitet. Der flüssige
Intermediatstrom wird dazu verwendet, Kälte bei einer niedrigeren Temperatur
als der durch das Vorkühlungssystem
bereitgestellten zu erzeugen.
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Die
Kondensationstemperatur, bei der der Intermediatstrom erhalten wird,
kann nach Bedarf abgewandelt werden; in der Ausführungsform von 6 wird diese Kondensation bei Umgebungstemperatur
im Wärmetauscher 164 durchgeführt, während die
Kondensation in der Ausführungsform
von 3 bei der niedrigsten
Propanvorkühlungstemperatur
im Wärmetauscher 304 bei
einem niedrigeren Druck als dem endgültigen höchsten Druck des komprimierten
gemischten dampfförmigen
Kältemittels
aus dem Kompressor 306 erfolgt. Die Kondensation findet
bei Temperaturen zwischen diesen Extremen in den Ausführungsformen
von 2, 4 und 5 statt.
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Die
vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
können
in generischen Verfahrensbegriffen wie folgt zusammengefasst werden.
Bei der Erfindung handelt es sich im Grunde um ein Verfahren in
mehreren Schritten, mit dem Kälte
erzeugt wird, um ein Beschickungsgas zu verflüssigen. Kälte wird durch einen ersten umlaufenden
Kälteerzeugungskreislauf
erzeugt, der in einem Temperaturbereich zwischen einer ersten Temperatur
und einer zweiten Temperatur, die niedriger als die erste ist, Kälte erzeugt,
was als vorkühlende
Kälteerzeugung
beschrieben wird.
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Die
zweite Temperatur ist typischerweise die niedrigste Temperatur,
auf die ein Verfahrensstrom durch den indirekten Wärmeaustausch
mit dem Kältemittel
im ersten Kälteerzeugungskreislauf
gekühlt
wird. Wenn beispielsweise im ersten Kälteerzeugungskreislauf Propan
verwendet wird, beträgt
die niedrigste Temperatur, auf die ein Verfahrensstrom gekühlt werden
kann, etwa –35°C; dies ist
typisch für
die zweite Temperatur.
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Zusätzliche
Kälte wird
durch einen zweiten umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf in einem
Temperaturbereich zwischen der zweiten Temperatur und der dritten
Temperatur, die niedriger ist als die zweite, erzeugt. Der erste
Kälteerzeugungskreislauf
liefert mindestens einen Teil der Kälte in den zweiten Kälteerzeugungskreislauf
im Temperaturbereich zwischen der ersten Temperatur und der zweiten
Temperatur und kann außerdem
Kälte zum
Vorkühlen
des Beschickungsgases zur Verfügung
stellen.
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Der
erste Kälteerzeugungskreislauf
der wie vorstehend beschrieben eine einzelne oder mehrer Komponenten
verwenden kann, liefert abhängig
vom Druck, bei dem das Kältemittel
verdampft wird, Kälte
auf verschiedenen Temperaturstufen. Der erste Kälteerzeugungskreislauf erzeugt
Kälte zum
Vorkühlung
des Beschickungsgases in den vorstehend beschriebenen Austauschern 106, 108, 114, 401, 706, 708, 714, 1200, 1300 und 1302.
Der erste Kälteerzeugungskreislauf
erzeugt auch Kälte,
um den zweiten Kälteerzeugungskreislauf in
den vorstehend beschriebenen Austauschern 238, 246, 248, 250, 252, 300, 302, 304, 312, 402, 403 und 500 zu
kühlen.
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Der
zweite Kälteerzeugungskreislauf
der in der bevorzugten Ausführungsform
von 2 beispielhaft beschrieben
ist, umfasst typischerweise die Kältemittelleitung 233,
den Kompressor 234, den Abscheider 240, die verschiedenen
kühlenden
Austauscher, die Kühlung
aus dem ersten Kälteerzeugungskreislauf
zur Verfügung
stellen, die Kältemittelleitungen 260, 262, 270 und 274,
den Abscheider 272, die Unterkühlungskreisläufe 275, 278 und 282,
die Drosselventile 276, 280 und 284 sowie
die Kältemittelleitungen 222, 224, 226, 227, 230 und 231. Ähnliche
Komponenten werden auf ähnliche
Weise in den Ausführungsformen
von 4 bis 12 verwendet. Der zweite
Kälteerzeugungskreislauf
in der Ausführungsform
von 13 umfasst Merkmale
von 2, aber ohne Abscheider 272,
die Kältemittelleitung 274,
den Unterkühlungskreislauf 278,
die Kältemittelleitungen 226 und 227 sowie
das Drosselventil 280.
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Wenn
der gemischte Kältemitteldampf
im Mehrstufenkompressor 234 von 2 (und ähnlich in den Ausführungsformen
von 4 bis 13) zu einem endgültigen Höchstdruck
komprimiert wird, wird der komprimierte Dampf teilweise kondensiert
und bei Temperaturen getrennt, die höher sind als die niedrigste
durch das Kältemittel
aus dem ersten Kälteerzeugungskreislauf
erzeugte Temperatur. Mindestens einer der im Kondensations-/Trennschritt
erzeugten gemischten dampfförmigen
oder flüssigen
Kältemittelströme wird
durch das Kältemittel
aus dem ersten Kälteerzeugungskreislauf
unter Verwendung des ersten Kältemittels
auf die niedrigste mögliche
Temperatur gekühlt.
Diese zusätzliche
Kühlung
kann durch die Austauscher 246, 248, 250 und 252 von 2 zur Verfügung gestellt
werden.
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Wenn
der gemischte Kältemitteldampf
zuerst auf einen niedrigeren Druck als der Höchstdruck komprimiert wird
wie in der Ausführungsform
von 3, erfolgt die Kondensation
des komprimierten gemischten dampfförmigen Strom zwischen den Stufen
des Kompressors 306 bei einer Temperatur, die der niedrigsten Temperatur,
welche durch Kühlen
durch Kälte
aus dem ersten Kälteerzeugungskreislauf
erreichbar ist, also der zweiten Temperatur, entspricht oder höher ist.
Der getrennte Dampf in der Leitung 310 wird in einer letzten
Stufe des Kompressors 306 zusätzlich komprimiert. Wenn keine
zusätzliche
Kühlung
aus dem ersten Kälteerzeugungskreislauf
im Austauscher 312 zur Verfügung gestellt wird, könnte die
Kondensation und Trennung des Stroms 308 oberhalb der zweiten
Temperatur durchgeführt
werden. Wenn zusätzliche
Kühlung
im Austauscher 312 zur Verfügung gestellt wird, könnte die
Kondensation und Trennung des Stroms 308 bei oder über der zweiten
Temperatur durchgeführt
werden.
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Der
wie vorstehend beschrieben erzeugte flüssige Kältemittelstrom, der auf oder über der
zweiten Temperatur ist, wird gegen das verdampfende gemischte Kältemittel
im Hauptwärmetauscher
unterkühlt,
im Druck verringert und im Hauptaustauscher verdampft, um Kälte zwischen
der zweiten und der dritten Temperatur zu erzeugen.
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Beispiel
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung wurde dadurch simuliert, dass man Wärme- und
Materialhaushalte für
verflüssigendes
Erdgas simulierte. Wie in 2 wird
Erdgas 100 im Vorbehandlungsbereich 102 für die Entfernung
von Säuregasen
wie CO2 und H2S
zusammen mit anderen Kontaminanten wie Quecksilber zunächst gereinigt
und getrocknet. Das vorbehandelte Beschickungsgas 102 hat
eine Strömungsgeschwindigkeit
von 30.611 kg/Mol/h, einen Druck von 66,5 bara und eine Temperatur
von 32°C
(89,6°F)
mit folgender Molzusammensetzung:
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Tabelle
1 Beschickungsgaszusammensetzung,
Molfraktion
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Vorbehandeltes
Gas 104 tritt in den ersten Austauscher 106 ein
und wird durch bei 5,9 bara siedendes Propan auf 9,3°C gekühlt. Die
Beschickung wird im Austauscher 108 durch bei 2,8 bara
siedendes Propan weitergekühlt,
ehe es als Strom 112 in die Gaswäschersäule 110 eintritt.
Der Über-Kopf-Kondensator 114 der
Gaswäschersäule arbeitet
bei –37°C und wird
durch bei 1,17 bara siedendes Propan gekühlt. In der Gaswäschersäule 110 werden
das Pentan und die schwereren Komponenten der Beschickung entfernt.
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Der
Erdgasstrom wird nach der Entfernung der schweren Komponenten und
dem Kühlen
auf –37°C anschließend im
Kühlkreislauf 219 in
der ersten Zone des Hauptwärmetauschers 220 durch
das siedende gemischte Kältemittel
weiter auf eine Temperatur von –94°C gekühlt. Der
verdampfte gemischte Kältemittelstrom 233 hat
eine Strömungsgeschwindigkeit
von 42.052 kg-Mol/h und die folgende Zusammensetzung:
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Tabelle
2 Gemischte
Kältemittelzusammensetzung
(Molfraktion)
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Das
resultierende Beschickungsgas wird dann im Kühlkreislauf 225 in
der zweiten Zone des Austauschers 220 durch den über die
Leitungen 226 und 227 eingeführten siedenden gemischten
Kältemittelstrom weiter
auf eine Temperatur von etwa –128°C gekühlt. Der
resultierende Gasstrom wird im Kühlkreislauf 228 in einer
dritten Zone des Austauscher 220 durch den über die
Leitungen 230 und 231 eingeführten siedenden gemischten
Kältemittelstrom
weiter auf eine Temperatur von –163°C gekühlt. Der
resultierende weiter gekühlte LNG-Strom 232 wird
dann in einen Lagertank geleitet.
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Die
Kälte,
mit der der Erdgasstrom 118 von –37°C auf eine Temperatur von –163°C gekühlt wird,
wird durch einen Kälteerzeugungskreislauf
mit gemischten Komponenten erzeugt. Der Strom 235 ist das
gemischte Kältemittel
mit hohem Druck, das mit einem Druck von 51 bara aus dem Mehrstufenkompressor
austritt. Dann wird er im Austauscher 236 gegen kühlendes
Wasser auf 32°C
gekühlt.
Der gemischte Kältemittelstrom 237 mit
hohem Druck tritt in den Propanaustauscher 238 der ersten
Stufe ein, wird durch bei 5,9 bara siedendes Propan auf eine Temperatur
von 9,3°C
gekühlt
und fließt
in den Abscheider 240, wo er in einen dampfförmigen Strom 242 und
einen flüssigen
Strom 244 getrennt wird. Der dampfförmige Strom 242 wird
im Propanaustauscher 246 durch bei 2,8 bara siedendes Propan
weiter auf eine Temperatur von –14,1°C gekühlt. Daran schließt sich
die weitere Kühlung
auf –37°C durch bei
1,17 siedendes Propan im Propanaustauscher 248 an. Der
flüssige
Strom mit einer Fließgeschwindigkeit
von 9240 kg-Mol/h wird im Propanaustauscher 250 durch bei
2,8 bara siedendes Propan auf eine Temperatur von –14,1 °C und dann
im Propanaustauscher 252 durch bei 1,17 bara siedendes
Propan weiter auf –37°C gekühlt.
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Der
resultierende gekühlte
dampfförmige
Strom wird dann im Abscheider 272 bei –37°C in einen flüssigen Strom 268 und
einen dampfförmigen
Strom 270 getrennt. Der flüssige Strom 268 hat
eine Fließgeschwindigkeit
von 17.400 kg-Mol/h.
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Der
unterkühlte
flüssige
Strom 262 wird im Kühlkreislauf 275 weiter
auf eine Temperatur von –94°C gekühlt und
sein Druck adiabatisch über
das Drosselventil 276 auf einen Wert von etwa 3 bara verringert.
Dann wird er über
die Leitungen 222 und 224 in den Austauscher 220 geleitet.
Der flüssige
Strom 274 wird im Kühlkreislauf 278 auf
eine Temperatur von –128°C unterkühlt und
sein Druck adiabatisch über
das Drosselventil 280 auf einen Wert von etwa 3 bara verringert.
Dann wird er über
die Leitungen 226 und 227 in den Austauscher 220 geleitet.
Der dampfförmige
Strom 270 wird verflüssigt
und im Kühlkreislauf 282 auf
eine Temperatur von –163°C unterkühlt. Dann
wird sein Druck adiabatisch über
das Drosselventil 284 auf einen Wert von etwa 3 bara verringert,
ehe er über
die Leitungen 230 und 231 in das kalte Ende des
Austauschers 220 geleitet wird.
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Die
Erfindung bietet in ihrer weitesten Ausführungsform daher eine Verbesserung
in der Technik der Gasverflüssigung,
indem sie mindestens einen flüssigen
Intermediatstrom erzeugt. Dieser stammt aus der Teilkondensation
und der Trennung des gemischten Kältemittels bei einer wärmeren Temperatur
als die niedrigste durch das Vorkühlsystem zur Verfügung gestellten
kältesten
Temperatur oder bei einem niedrigeren Druck als dem höchstens
Endruck des gemischten Kälteerzeugungskreislaufs.
Dieses flüssige
gemischte Kältemittelintermediat
wird zumindest teilweise dazu verwendet, zusätzliche Kälte bei einer niedrigeren Temperatur
als der durch das Vorkühlsystem
zur Verfügung
gestellten zu erzeugen. Diese zusätzliche Kälte kann im Hauptwärmetauscher
verwendet werden. Die Erfindung ist ein effizienteres Verfahren,
das im Vergleich zu Verfahren des Standes der Technik bei einer
vorgegebenen Kompressionsenergie mehr LNG erzeugt.