DE60124506T2

DE60124506T2 - Vorrichtung und verfahren zur produktgasverflüssigung im kleinmassstab

Info

Publication number: DE60124506T2
Application number: DE60124506T
Authority: DE
Inventors: Einar Brendeng; Olav Bengt NEERAAS
Original assignee: Sinvent AS
Current assignee: Sinvent AS
Priority date: 2000-02-10
Filing date: 2001-02-09
Publication date: 2007-09-20
Anticipated expiration: 2021-02-10
Also published as: ATE345477T1; AU2001236219A1; PT1255955E; NO20000660L; DK1255955T3; NO312736B1; US20030019240A1; EP1255955B1; DE60124506D1; ES2280341T3; NO20000660D0; EP1255955A1; US6751984B2; WO2001059377A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum optionalen Verflüssigen eines Gases, insbesondere von Erdgas, mittels eines Mehrkomponenten-Kältemittels.
Hintergrund
Die Verflüssigung von Gas, insbesondere von Erdgas, ist aus größeren industriellen Anlagen bzw. Kraftwerken bekannt, sogenannten "Basislast"-Kraftwerken, und auch aus Hochlast-Ausgleichs-Kraftwerken (peak shaving plants). Solche Kraftwerke haben die gemeinsame Eigenschaft, dass sie ein erhebliches Quantum per Zeit umwandeln können, so dass sie eine umfangreiche Investitionsvorleistung (upfront investment) ertragen können. Die Kosten pro Gasvolumen werden dabei nach wie vor im Lauf der Zeit relativ gering. Gemeinhin werden bei solchen Anlagen Mehrkomponenten-Kältemittel eingesetzt, da dies der effektivste Weg ist, um die ausreichend niedrigen Temperaturen zu erreichen.
Kleemenko (10. Internationaler Kältekongress 1959) beschreibt einen Prozess zur Mehrkomponenten-Kühlung und -Verflüssigung von Erdgas, basierend auf der Verwendung von Mehrströmungs-Wärmetauschern.
Das US-Patent Nr. 3593535 beschreibt eine Anlage für den gleichen Zweck, basierend auf 3-Strömungsspiral-Wärmetauschern mit einer Aufwärtsströmungsrichtung für das kondensierende Fluid und einer Abwärtsströmungsrichtung für das verdampfende Fluid.
Eine ähnliche Anlage ist aus dem US-Patent Nr. 3364685 bekannt, bei der jedoch die Wärmetauscher Doppelströmungs-Wärmetauscher mit zwei Druckschritten und mit Strömungsrichtungen nach obiger Beschreibung sind. Das Dokument, das als nächstliegender Stand der Technik betrachtet werden kann, lehrt die Anwendung von zwei separaten Kältemittelströmungen, die mit verschiedenen Verdampfungsdrücken arbeiten.
Das US-Patent Nr. 2041745 beschreibt eine Anlage zur Verflüssigung von Erdgas, die teilweise auf Doppelströmungs-Wärmetauschern basiert, wobei die flüchtigste Komponente des Kältemittels in einem offenen Prozess auskondensiert wird. In einem solchen offenen Prozess ist es erforderlich, dass die Gas-Zusammensetzung für den Zweck geeignet ist. Geschlossene Prozesse sind allgemein vielseitiger.
Es besteht jedoch ein Bedarf an Verflüssigung von Gas, insbesondere Erdgas, an vielen Orten, an denen es nicht möglich ist, über größere Vorteile zu verfügen, beispielsweise in Verbindung mit der lokalen Verteilung von Erdgas, wobei die Anlage an einer Gasrohrleitung anzuordnen ist, während das verflüssigte Gas von Lastwagen, kleinen Tankern oder dergleichen transportiert wird. Für solche Situationen besteht ein Bedarf an kleineren und kostengünstigeren Anlagen.
Kleinere Anlagen sind auch geeignet in Verbindung mit kleinen Gasfeldern, beispielsweise einem sogenannten "associated gas", oder in Verbindung mit größeren Anlagen, wo es erwünscht ist, ein Abfackeln des Gases zu vermeiden. Im folgenden wird der Begriff "Produktgas" synonym mit Erdgas verwendet.
Für solche Anlagen sind niedrige Investitionskosten wichtiger als eine Energieoptimierung. Außerdem kann eine kleine Anlage in der Fabrik zusammengebaut und zu dem Nutzungsort in einem oder mehreren Standard-Containern transportiert werden.
Aufgabe
Somit ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Prozessanlage für die Kühlung und optionale Verflüssigung von Gas, insbesondere Erdgas, bereitzustellen, die für eine Verflüssigung in geringem und mittleren Umfang geeignet ist.
Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Anlage für die Kühlung und optionale Verflüssigung von Gas bereitzustellen, bei der die Investitionskosten moderat sind.
Somit ist es eine abgeleitete Aufgabe, ein Verfahren und eine kleine Prozessanlage zur Kühlung und optionalen Verflüssigung von Gas, insbesondere Erdgas, mit einem Mehrkomponenten-Kältemittel bereitzustellen, wobei die Anlage lediglich auf herkömmlichen Doppelströmungs-Plattenwärmetauschern und herkömmlichen, ölgeschmierten Kompressoren basiert. Ferner ist es eine abgeleitete Aufgabe, eine kleine Anlage für die Verflüssigung von Erdgas bereitzustellen, wobei die Anlage in der Fabrik montiert zu dem Einsatzort transportiert werden kann.
Die Erfindung
Die oben erwähnten Aufgaben werden durch ein Verfahren erfüllt, wie es durch Anspruch 1 definiert ist, und eine Anlage, wie sie durch Anspruch 5 definiert ist.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens und der Anlage gemäß der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche offenbart.
Bei der Anlage gemäß der Erfindung wird eine kleine Anlage zum Kühlen und Verflüssigen erhalten, bei der die Anlagekosten einen kostengünstigen Betrieb nicht verhindern. Durch die Art und Weise, in der die Komponenten der Anlage kombiniert werden, wird vermieden, dass Öl von den Kompressoren, welches bis zu einem gewissen Grad das Kältemittel kontaminiert, der Strömung des Kältemittels bis zu den kältesten Teil der Anlage folgt. So wird vermieden, dass das Öl gefriert und Leitungen etc. verstopft, was ein wesentlicher Teil der Erfindung ist.
Um dies zu erreichen, war es notwendig, eine Einrichtung zur Verteilung von Kältemitteln zwischen Paaren von Wärmetauschern in separaten Reihen aufzunehmen, wobei die Wärmetauscher, welche die Produktströmung kühlen, als Primär-Wärmetauscher bezeichnet werden, und die Wärmetauscher, welche verschiedene Komponenten des Mehrkomponenten-Kältemittels kühlen/erwärmen, als Sekundär-Wärmetauscher bezeichnet werden. Die Primär- und Sekundär-Wärmetauscher können vom gleichen Typ sein und ähnliche Dimensionen aufweisen, die Anzahl von Platten hängt jedoch von der Strömungsgeschwindigkeit durch die Wärmetauscher ab.
Die Anwendung von Mehrkomponenten-Kältemittel ist per se zwar bekannt, die Erzielung der inhärenten Vorteile, bei denen sehr niedrige Temperaturen in einer einfachen Anlage erreicht werden können, basierend auf herkömmlichen Komponenten, ist es aber nicht. Bei der Anlage gemäß der Erfindung wird auch eine natürliche Strömungsrichtung in der Anlage erreicht, nämlich derart, dass sich verdampfendes Fluid nach oben bewegt, während kondensierendes Fluid sich nach unten bewegt und vermieden wird, dass die Schwerkraft den Prozess negativ beeinflusst.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 ein Strömungsdiagramm einer Prozessanlage gemäß der Erfindung,
2 eine alternative Ausführungsform der Anlage von 1,
3 einen Abschnitt der Anlage von 1, mit einer bevorzugten Ausführungsform einer Verteilungsvorrichtung für das Kältemittel,
4 den gleichen Abschnitt wie in 3, mit einer anderen Ausführungsform der Verteilungsvorrichtung für das Kältemittel,
5 den gleichen Abschnitt wie in 3 und 4, mit einer noch anderen Ausführungsform der Verteilungsvorrichtung für das Kältemittel, und
6 den gleichen Abschnitt wie in den 3, 4 und 5 mit einer noch anderen Ausführungsform der Verteilungsvorrichtung für das Kältemittel.
Eine Zuführströmung von Gas, z.B. von Erdgas, wird durch eine Leitung 10 zugeführt. Dieses Rohmaterial wird mit einer Temperatur von beispielsweise etwa 20°C und mit einem Druck zugeführt, der so hoch wie zulässig für den in Frage kommenden Wärmetauscher ist, z.B. 30 barg. Das Erdgas wurde vorgetrocknet und CO₂ wurde bis zu einem Grad entfernt, bei dem keine Verfestigung (Gefrieren) in den Wärmetauschern vorkommt. Das Erdgas wird in dem ersten Primär-Wärmetauscher 12 auf ca. –25 bis –75°C, typischerweise –30°C durch Wärmeaustausch mit einem Low-Level(Niederdruck)-Kältemittel abgekühlt, das dem Wärmetauscher über die Leitung 92 zugeführt und von dem Wärmetauscher über die Leitung 96 abgeführt wird. Das gekühlte Erdgas strömt ferner durch die Leitung 14 bis zu dem nächsten Primär-Wärmetauscher, an dem es nochmals abgekühlt, kondensiert und unterkühlt wird, und zwar auf etwa –85 bis –112°C durch einen Wärmeaustausch mit Low-Level-Kältemittel, das dem Wärmetauscher durch eine Leitung 84 zugeführt wird und von dem Wärmetauscher über eine Leitung 88 abgeführt wird. Falls erforderlich können schwach-flüchtige Komponenten des Erdgases von dem Rest der Produktströmung zwischen den Wärmetauschern 12 und 16 getrennt werden, indem ein Phasenseparator (nicht gezeigt) eingeführt wird. Von dem Wärmetauscher 16 strömt das kondensierte Erdgas durch die Leitung 18 zu einem weiteren Wärmetauscher 20, an der das kondensierte Erdgas auf eine Temperatur abgekühlt wird, die niedrig genug ist, um eine geringe oder keine Verdampfung bei dem anschließenden Drosseln auf den Druck des Speicherbehälters 28 zu gewährleisten. Die Temperatur kann typischerweise –136°C bei 5 bara oder –156°C bei 1,1 bara in dem Speicherbehälter 28 sein, und das Erdgas wird dem Behälter über ein Drosselventil 24 und eine Leitung 26 zugeführt.
Das Low-Level-Kältemittel, das dem Wärmetauscher 20 über eine Leitung 78 zugeführt wird, ist in der Prozessanlage am kältesten und umfasst nur die flüchtigsten Teile des Kältemittels.
Das Low-Level-Kältemittel in der Leitung 96 von dem Wärmetauscher 12 wird mit dem Low-Level-Kältemittel in der Leitung 94 von dem Wärmetauscher 64 zusammengeführt, an dem es zum Kühlen eines High-Level-Kältemittels verwendet wird, und von diesem Punkt durch eine Leitung 40 zu mindestens einem Kompressor 46 geleitet, an dem der Druck auf typische Weise auf 25 barg erhöht wird. Das Kältemittel strömt dann durch eine Leitung 52 zu einem Wärmetauscher 54, an dem die gesamte, von dem Kältemittel aus dem Erdgas in den oben beschriebenen Schritten aufgenommene Wärme durch einen Wärmeaustausch mit einer verfügbaren Quelle wie kaltem Wasser entfernt wird. Das Kältemittel wird dadurch auf eine Temperatur von typischerweise etwa 20°C gekühlt und teilweise kondensiert. Von da an strömt das Kältemittel durch eine Leitung 58 zu einem Phasen-Separator 60, an der die flüchtigsten Komponenten an der Oberseite durch eine Leitung 62 ausgesondert werden. Dieser Teil des Kältemittels bildet das High-Level-Kältemittel zu dem Sekundär-Wärmetauscher 64, der parallel zu dem Primär-Wärmetauscher 12 angeordnet ist. Im Wärmetauscher 64 wird das High-Level-Kältemittel aus der Leitung 62 durch das Low-Level-Kältemittel, welches dem Wärmetauscher 64 über eine Leitung 90 zugeführt wird, und aus demselben über eine Leitung 94 abgezogen wird, gekühlt und teilweise kondensiert. Von diesem Punkt an strömt das High-Level-Kältemittel durch eine Leitung 66 zu einem zweiten Phasen-Separator 68. Wiederum werden die flüchtigsten Fraktionen in ein High-Level-Kältemittel über eine Leitung 70 ausgesondert und einem Sekundär-Wärmetauscher 72 zugeführt, der parallel zu dem Primär-Wärmetauscher 16 angeordnet ist. In dem Wärmetauscher 72 wird das High-Level-Kältemittel aus der Leitung 70 durch ein Low-Level-Kältemittel, das dem Wärmetauscher 72 über eine Leitung 82 zugeführt wird, und von demselben über eine Leitung 68 abgeführt wird, gekühlt und teilweise kondensiert.
Aus dem Wärmetauscher 72 strömt das teilweise kondensierte High-Level-Kältemittel über eine Leitung 74 zu einem Drosselventil 76 zum Drosseln auf einen niedrigen Druck, und strömt von diesem Punkt als Low-Level-Kältemittel über eine Leitung 78 zu dem letzten Wärmetauscher 20, an dem der letzte Schritt der Unterkühlung des an diesem Punkt verflüssigten Erdgases stattfindet. Das Kältemittel in der Leitung 78 ist somit auf der niedrigsten Temperatur im gesamten Prozess, typischerweise im Bereich von –140°C bis –160°C. In 1 stellt der Wärmetauscher 20 den dritten Kühlungsschritt des Produktgases dar.
Alternativ kann das teilweise kondensierte High-Level-Kältemittel in der Leitung 74 zu einem zusätzlichen Wärmetauscher 114, siehe 2, geleitet werden, an dem das High-Level-Kältemittel von 74 durch ein dem Wärmetauscher 114 über eine Leitung 120 im Anschluss an eine Drosselung auf einen niedrigen Druck durch ein Drosselventil 118 zugeführtes Low-Level-Kältemittel unterkühlt wird.
Von dem ersten Phasen-Separator 60 strömt der weniger flüchtige Teil des Kältemittels durch eine Leitung 100, wird durch ein Ventil 102 auf einen niedrigen Druck gedrosselt, wird mit Strömungen von Low-Level-Kältemittel aus den Leitungen 86 und 88, welche jeweils die Wärmetauscher 72 und 16 verlassen, gemischt, wonach die vereinigte Strömung des Low-Level-Kältemittels zu den Wärmetauschern 12 und 64 weiterströmt und zwischen diesen auf eine Weise verteilt wird, die weiter unten mit Bezug auf 3 bis 5 beschrieben wird. Zusammen mit der weniger flüchtigen Fraktion des Kältemittels in der Leitung 100 bestehen immer einige Verunreinigungen in der Form von Öl, wenn gewöhnliche ölgekühlte Kompressoren eingesetzt werden. Somit ist es ein wichtiges Merkmal bei der vorliegenden Erfindung, dass diese erste, nicht-flüchtige Strömung 100 von Kältemittel von dem ersten Phasen-Separator 60 nur für einen Wärmeaustausch in dem Paar Wärmetauscher 12/64 verwendet wird, die am wärmsten sind, da die Wärmetauscher den ersten Kühlschritt des Produktgases bilden.
Von dem zweiten Phasen-Separator 68 strömt der weniger flüchtige Teil des Kältemittels durch die Leitung 108, wird auf einen niedrigen Druck durch ein Ventil 110 gedrosselt, wird mit Low-Level-Kältemittel 80 von dem Wärmetauscher 20 gemischt und danach den Wärmetauschern 16 und 72 zugeführt, zwischen denen das Kältemittel auf eine Weise verteilt wird, die weiter unten mit Bezug auf 3 bis 6 beschrieben wird.
Das Low-Level-Kältemittel, das durch die Paare von Wärmetauschern aufwärts strömt, die parallel angeordnet sind, und die als Primär-Wärmetauscher zum Kühlen des Produktgases und als Sekundär-Wärmetauscher zum Kühlen von High-Level-Kältemittel bezeichnet werden, werden durch die Wärme, die sie von dem Erdgas und von dem High-Level-Kältemittel aufnehmen, erwärmt und teilweise verdampft. Die Strömung des Low-Level-Kältemittels wird für jedes Paar der Wärmetauscher 16/72 und 12/64 jeweils in Teilströmungen aufgeteilt, die danach wieder zusammengeführt werden. Es ist von Vorteil, dass die beiden Strömungen des Low-Level-Kältemittels, welches jedes Paar von Wärmetauschern verlässt, die gleiche Temperatur aufweisen, das heißt, dass die Temperatur des Low-Level-Kältemittels in der Leitung 86 annähernd die gleiche ist wie die Temperatur des Low-Level-Kältemittels in der Leitung 88. Es besteht eine entsprechende Situation für die Temperatur in den Leitungen 94 und 96. Um diese Situation zu erreichen, ist eine Verteilungsvorrichtung an der Einlassseite jedes Paars Wärmetauscher angeordnet.
3 zeigt einen Schnitt der Anlage von 1, umfassend einen ersten Phasen-Separator 60, zwei Paare Primär- und Sekundär-Wärmetauscher 12/64 (auch als erster Kühlschritt bezeichnet) und 16/72 (auch als zweiter Kühlschritt bezeichnet) sowie die Leitungen, welche diese Komponenten verbinden. Außerdem zeigt 3 eine als Ejektor geformte Verteilungsvorrichtung 106, welche die Strömungen von Kältemittel aus den Leitungen 86, 88 und 104 aufnimmt, siehe 1, wobei die Geschwindigkeitsenergie aus der Druckminderung von einem hohen zu einem niederen Druckpegel in der Leitung 104 dazu verwendet wird, den Druckverlust in einem Mischer für eine feine Verteilung der Flüssigkeit in der Zweiphasenströmung auszugleichen. Auf dieser stromabwärtigen Seite teilt die Verteilungsvorrichtung 106 die Strömung auf und verteilt sie zwischen den beiden Leitungen 90 und 92, welche zu dem Primär-Wärmetauscher 12 und dem Sekundär-Wärmetauscher 64 führen, die das nächste Paar Wärmetauscher bilden, und zwar in einem in geeigneter Weise durch ein korrektes Flächenverhältnis in der Verteilervorrichtung festgelegten Verhältnis. 4 zeigt einen alternativen Weg zum Steuern der Verteilung des Kältemittels zwischen den Leitungen 90 und 92. An der stromabwärtigen Seite der Wärmetauscher 12 und 64, und genauer gesagt an den Leitungen 96 bzw. 94 sind Temperatur-Steuereinrichtungen (TC) angeordnet, so dass die Temperatur aufgezeichnet werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das Trägheitsventil 118 kontinuierlich oder periodisch so einzustellen, dass die Temperaturen in den Leitungen 94 und 96 so gleich wie möglich werden, da dies der rationellste Weg zum Betrieb der Anlage ist. Die Einstellung des Verteilers 106 kann manuell erfolgen, obwohl bevorzugt wird, dass sie automatisch mittels einer prozessorgesteuerten Schaltung erfolgt.
Eine entsprechende Anordnung (nicht gezeigt) zur Verteilung/Steuerung ist vorzugsweise auch an der Einlassseite der Wärmetauscher 16 und 72 angeordnet, mit einer Temperatursteuerung der Leitungen 86 und 88.
Die 3 bis 6 zeigen auch Steuermittel, die zwischen dem Phasen-Separator 60 und dem Drosselventil 102 zwischengeschaltet sind, welches kontinuierlich auf eine Weise gesteuert wird, die gewährleistet, dass der Pegel der Kondensphase in dem Phasen-Separator zwischen einem Maximal- und einem Minimalpegel gehalten wird.
5 zeigt eine alternative Steuerungsart der Verteilung des Kältemittels zwischen den Leitungen 90 und 92, von denen nur ein Trägheitsventil 18 benutzt wird, wobei der Öffnungsgrad dieses Ventils durch die Temperatur-Steuereinrichtungen TC gesteuert wird. In diesem Fall ist es angebracht, eine Mischvorrichtung 124 eines geeigneten Typs einzusetzen, die schematisch mit einer Zick-Zack-Linie angedeutet ist.
6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verteilungsvorrichtung. Das Prinzip ist allgemein das gleiche, aber eine mechanisch unterschiedliche Lösung wird angewandt, da die Vorrichtung zwei separate Ventile 120, 122 aufweist, die mit jeder der Leitungen 90, 92 verbunden sind, wobei der Öffnungsgrad wiederum von den Temperatur-Steuereinrichtungen TC gesteuert wird.
Für die Verflüssigung von Erdgas ist vorzuziehen, dass die Anlage zwei Phasen-Separatoren 60 und 68 aufweist, wie 1 zeigt, und als Konsequenz daraus eine Kühlung/Kondensation in drei Schritten der Produktströmung. Für andere Zwecke kann ein Schritt weniger genügen, und nur ein Phasen-Separator. Die Kühlfähigkeit wird dann etwas geringer. Es ist auch möglich, mehr als drei Schritte anzuwenden, dies ist aber für gewöhnlich für relativ kleine Anlagen aus wirtschaftlichen und betriebstechnischen Standpunkten nicht geeignet.
1 zeigt zwar nur einen Kompressor, es ist aber oft angebrachter, das Kältemittel in zwei seriellen Schritten, vorzugsweise mit dazwischengeschalteter Kühlung, zu komprimieren. Dies hat mit dem Kompressionsgrad zu tun, der mit einfachen, ölgeschmierten Kompressoren erzielbar ist, und kann gemäß dem jeweiligen Bedarf durch einen Fachmann angepasst werden.
Wiederum gemäß 1 kann es angebracht sein, einen zusätzlichen Wärmetauscher aufzunehmen, wie nachstehend erläutert wird. Da das Low-Level-Kältemittel in der Leitung 40 normalerweise eine Temperatur aufweist, die niedriger ist als das High-Level-Kältemittel in der Leitung 58, kann es angebracht sein, diese im Wärmeaustausch gegeneinander auszutauschen (nicht dargestellt), womit die Temperatur des High-Level-Kältemittels weiter vor dessen Einleitung in den Phasen-Separator 60 über die Leitung 58 gesenkt wird.
Durch das Verfahren und die Anlage gemäß der Erfindung wird eine Lösung bereitgestellt, durch die Gas wie Erdgas kostengünstig in geringem Umfang verflüssigt werden kann, da die eingesetzten Prozessmittel von sehr einfacher Art sind. Die Steuerung und Anpassung des Prozesses gewährleistet, dass Öl von den Kompressoren, welches das Produktgas kontaminiert, nicht gefrieren und Leitungen oder Wärmetauscher verstopfen kann, da das Öl die kältesten Teil der Anlage nicht erreicht.

Claims

Verfahren zum Kühlen und optionalen Verflüssigen eines Produktgases, das Kohlenwasserstoff enthaltende Gase oder Stickstoff aufweist, insbesondere zum Verflüssigen von Erdgas, basierend auf einem Mehrkomponenten-Kältemittel in geschlossener Schleife in Gegenströmung, das mit dem zu kühlenden Gas in Wärmeaustausch tritt und optional in mindestens zwei Schritten kondensiert wird, wobei mindestens ein Phasenseparator (60, 68) zum Trennen des Mehrkomponenten-Kältemittels in eine flüchtige Fraktion, die ein High-Level-Kältemittel bildet, und eine weniger flüchtige Fraktion, die anschließend an eine Drosselung ein Low-Level-Kältemittel bildet, wobei das Low-Level-Kältemittel in zwei separate Teilströme aufgeteilt wird, das zu kühlende Produktgas zu einem Gegenströmungs-Wärmeaustausch durch mindestens zwei in Reihe verbundene herkömmliche Doppelströmungsplatten-Wärmetauscher (12, 16, 20), die nachstehend als Primär-Wärmetauscher bezeichnet werden, gerichtet wird, herkömmliche ölgeschmierte Kompressoren (46) zum Komprimieren des Kältemittels anschließend an jeden Kühlzyklus eingesetzt werden, wonach die von dem Kältemittel in dem Kühlzyklus aufgenommene Wärme durch Wärmeaustausch, beispielsweise mit Wasser, abgeführt wird, das High-Level-Kältemittel von einem jeweiligen Phasenseparator (60, 68) in dem Gegenströmungs-Wärmetausch mit einem der Teilströme des Low-Level-Kältemittels von dem gleichen Phasen-Separator (60, 68) durch Passieren eines nachstehend als Sekundär-Wärmetauscher bezeichneten und parallel zu einem gegebenen Primär-Wärmetauscher angeordneten Doppelströmungsplatten-Wärmetauschers (64, 72) gekühlt wird, so dass der Primär-Wärmetauscher (12, 16) und der Sekundär- Wärmetauscher (64, 72) in Paaren (12/64, 16/72) auftreten, die jeweils einen betreffenden Kühlschritt festlegen, wobei der Primär- und Sekundär-Wärmetauscher jedes Paars mit dem gleichen Druck auf der Seite des Low-Level-Kältemittels arbeitet, während das gekühlte High-Level-Kältemittel in mindestens einem anschließenden Kühlschritt eingesetzt wird, der andere der Teilströme des Low-Level-Kältemittels von einem jeweiligen Phasen-Separator dazu verwendet wird, das Produktgas in dem entsprechenden Primär-Wärmetauscher (12, 16) eines jeweiligen Paars Wärmetauscher (12/64, 16/72) zu kühlen und optional zu verflüssigen, und das Low-Level-Kältemittel in separate Teilströme in einem bestimmtem steuerbaren Verhältnis aufgeteilt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Low-Level-Kältemittel, das zwischen Paaren von Primär- und Sekundär-Wärmetauschern aufgeteilt wird, in einem solchen Verhältnis zwischen den Wärmetauschern jedes Paars verteilt wird, dass die Temperatur des Low-Level-Kältemittels, das den Primär-Wärmetauscher in jedem Paar verlässt, in etwa gleich der Temperatur des Low-Level-Kältemittels ist, das den Sekundär-Wärmetauscher des gleichen Paars verlässt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsrichtung durch die Wärmetauscher im wesentlichen vertikal ist, und dass die Strömung von High-Level-Kältemittel und Produktgas zum Kühlen und teilweisen oder vollständigen Verflüssigen im wesentlichen nach unten gerichtet ist, während die Strömung von Low-Level-Kältemittel, das allmählich erwärmt und teilweise verdampft wird, im wesentlichen nach oben gerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) drei Primär- und zwei Sekundär-Wärmetauscher verwendet werden, b) zwei Phasen-Separatoren für das Kältemittel eingesetzt werden, wobei die flüchtigste Fraktion aus den ersten Separatoren das High-Level-Kältemittel für den Sekundär-Wärmetauscher des ersten Kühlschritts bildet, während die flüchtigste Fraktion aus dem zweiten der Separatoren das High-Level-Kältemittel für den Sekundär-Wärmetauscher des zweiten Kühlschritts bildet, während die weniger flüchtige Fraktion aus dem ersten der Separatoren anschließend an eine Drosselung einen Teil des Low-Level-Kältemittels für beide Wärmetauscher des ersten Kühlschritts bildet und die weniger flüchtige Fraktion für den zweiten der Phasen-Separatoren anschließend an eine Drosselung einen Teil des Low-Level-Kältemittels für beide Wärmetauscher des zweiten Kühlschritts bildet, wobei das High-Level-Kältemittel, das den Sekundär-Wärmetauscher des zweiten Kühlschritts anschließend an die Drosselung verlässt, ein Low-Level-Kältemittel bildet, welches das Produktgas in dem Primär-Wärmetauscher in einem dritten und letzten Kühlschritt kühlt und kondensiert, c) das Produktgas anschließend an die Kühlung und Verflüssigung in den drei Temperaturschritten und optional anschließend an die Drosselung auf einen niedrigeren Druck in einen Behälter zur Lagerung geleitet wird, und dass d) zwei Kompressoren mit einem dazwischengeschalteten Kühler zum Komprimieren des Kältemittels anschließend an jeden Kühlzyklus verwendet werden.
Prozessanlage zum Ausführen eines Verfahrens gemäß Anspruch 1, wobei die Anlage Wärmetauscher, Kompressoren, Phasen-Separatoren, Drosselventile, Verteilungsvorrichtungen und Rohrleitung umfasst, und mindestens ein Phasen-Separator (60, 68) zum Trennen des komprimierten, gekühlten und teilweise kondensierten Kältemittels in eine Dampfphase (62, 70), die ein High-Level-Kältemittel bildet, und eine kondensierte Phase (100, 108), die anschließend an die Drosselung eine Komponente eines Low-Level-Kältemittels bildet, und wobei zwischen Paaren von Wärmetauschern, die einen Primär- und einen Sekundär-Wärmetauscher bilden (16/72 bzw. 12/64), die mit dem gleichen Druck auf der Low-Level-Kältemittelseite arbeiten, eine Verteilungsvorrichtung (106) angeordnet ist, um das Low-Level-Kältemittel zwischen den Paaren von Wärmetauschern (16/72 bzw. 12/64) mit einem bestimmten steuerbaren Verhältnis zu verteilen, Wärmetauscher (12, 16, 20) zum Wärmeaustausch zwischen einem Produktgas und einem Low-Level-Kältemittel in einer seriellen Reihe angeordnet sind, die mindestens zwei Wärmetauscher (12, 20) umfasst, welche die Primär-Wärmetauscher festlegen, wobei die Reihe parallel zu einer seriellen Reihe von Wärmetauschern (64, 72) angeordnet ist oder mindestens ein Wärmetauscher (64) die Sekundär-Wärmetauscher für einen Wärmeaustausch zwischen High-Level-Kältemittel-Komponenten und Low-Level-Kältemittel-Komponenten aus einem jeweiligen Phasen-Separator festlegt, während der Primär-Wärmetauscher (20), der mit der niedrigsten Temperatur arbeitet, einen parallelen Sekundär-Wärmetauscher aufweisen kann oder nicht, und sowohl die Primär- als auch die Sekundär-Wärmetauscher (12, 16, 20, 64, 72) herkömmliche Doppelströmungsplatten-Wärmetauscher sind, und mindestens ein Kompressor (46) zum Komprimieren des Low-Level-Kältemittels zu einem höheren Druck nach einem abgeschlossenen Zyklus der Kältemittelschleife und ein anschließender (tertiärer) Plattenwärmetauscher (54) zum Entfernen von Nettowärme, die von dem Kältemittel unter der teilweisen Kondensierung des Kältemittels durch Wärmeaustausch, beispielsweise mit Wasser, absorbiert wird, vorgesehen ist.
Prozessanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressoren (46) herkömmliche ölgeschmierte Kompressoren sind.
Prozessanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (12, 16, 20, 64, 72, 54) mit Kupfer gelötete Platten-Wärmetauscher sind.
Prozessanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilungsvorrichtung (106) zum Verteilen des Low-Level-Kältemittels zwischen jedem Paar eines Primär-(12 bzw. 16) und eines Sekundär-(64 bzw. 72) Wärmetauscher hauptsächlich Mittel zum Mischen des Kältemittels von den Primär- und Sekundär-Wärmetauschern umfasst, vorzugsweise durch einen Ejektor bzw. ein Auswurfteil zum Verwenden der Druckenergie des High-Level-Kältemittels zum Verkleinern des Fluids der Zweiphasenströmung, und mit einer Verteilervorrichtung zum Verteilen des Kältemittels in einem herkömmlichen Verhältnis entsprechend den Kühlungsanforderungen zwischen dem nächsten Paar eines Primär- und eines Sekundär-Wärmetauschers.