DE602004001004T2 - Verfahren zur Stickstoffverflüssigung durch Ausnutzung der Verdampfungskälte von flüssigem Methan - Google Patents

Verfahren zur Stickstoffverflüssigung durch Ausnutzung der Verdampfungskälte von flüssigem Methan Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf einen Prozess und eine Vorrichtung zur Verflüssigung einer kryogenen Flüssigkeit bestehend aus den Merkmalen der kennzeichnenden Abschnitte der Ansprüche 1 und 4. Ein solches Verfahren, beziehungsweise Vorrichtung ist aus dem Patent JP 02171580 A und EP 1055894 A bekannt.
  • Da Methan in vielen Regionen der Welt eingesetzt wird, ist es nicht immer möglich eine übliche Methanpipeline zum Transport zu verwenden, stattdessen werden Methantanker verwendet, welche für diesen Einsatzzweck spezialisiert sind.
  • Um die maximale Menge von Methan zu transportieren, sind diese Tanker zur Verringerung des benötigten Volumens auf einen Transport von Methan in flüssiger Form ausgerichtet. Um jedoch Methan in seinem flüssigen Zustand zu halten, muss dieses bei einer kryogenen Temperatur gehalten werden, dessen Wert von dem Lagerdruck abhängt (z. B. –154°C bei 2 bar absolut).
  • In Methantankern wird das Methan in geeigneten Tanks mit einer hoch-thermischen Isolierung (unter dem Einsatz des Dewarflaschen-Prinzips) aufbewahrt.
  • Beim Erreichen des Festlands wird das Methan in gasförmiger Form transportiert oder eingesetzt und muss deshalb verdampft und erhitzt werden. Um das Konzept in anderen Worten auszudrücken kann man sagen, das bei dem Verdampfen und Erhitzen die "Kälte" auf eine andere Flüssigkeit übertragen werden muss, während jene während des Transfers kälter wird.
  • Mit Bezug darauf ist bekannt, dass das Abkühlen eines Gases auf eine Temperatur, welche geringer als die Umgebungstemperatur ist, ein beachtlicher Energieaufwand bezogen auf die Applikation durch thermodynamische Kühlungszyklen erfordert.
  • Im Wesentlichen besteht dieser Energieaufwand aus der Notwendigkeit das zu Gas zu komprimieren, um es zu verflüssigen, so dass es sich erwärmt und dann extrahiert, die Wärme verbunden mit dem Temperaturanstieg aufgrund dieser Kompression abzuführen, da die Kompression effektiver auf einem höheren Temperaturniveau abläuft. Die nachfolgende Expansion des komprimierten und gekühlten Gases in einer Turbine reduziert ferner die Temperatur auf einen kryogenen Wert, was auf die Verflüssigung des Gases Einfluss hat.
  • Auf dieser Grundlage umfasst das flüssige Methan, welches durch Methantanker transportiert wird eine "negative Energie " oder Kälte, wobei es extrem vorteilhaft ist diese beizubehalten.
  • Mit Bezug darauf ist es zum Erwärmen des flüssigen Methans ein übliches Verfahren, dieses flüssige Methan durch einen Wärmetauscher zu zirkulieren, durch welchen Wasser in einem entgegengerichteten Strom zirkuliert, um das Methan von einer Temperatur von –150°C auf eine Temperatur von +15°C zu erwärmen.
  • Wenn keine Energierückgewinnung vorgenommen wird, verändert diese Vergasungsmethode das Ökosystem, da dabei eine künstlich eingeleitete Kühlung des Meerwassers erfolgt.
  • Dieses liegt an dem Einsatz von Wasser zur Abkühlung, welches zur Erwärmung des Methans aus dem Meer gewonnen wird und wieder in das Meer zurück gespeist wird mit einer Temperatur, welche niedriger ist als die Ansaugtemperatur ist.
  • Aufgrund der steigenden Wichtigkeit ausgehend von dem Transport des Methans ist die laufende Forschung auf die Wiedergewinnung der Kälte aus, welche durch die Verflüssigung des Methans in Flüssiggasproduktionszyklen gewonnen wird. (Lindemaschine, Claudemaschine).
  • Diese Zyklen bestehen aus wiederholter Kompression, Kühlung und Expansion bis die Luft bei einer Temperatur von –195°C flüssig wird.
  • Insbesondere verwendet man beim Stand der Technik die Kälte hauptsächlich bei der Abkühlung des geeigneten Wärmetauschers.
  • Jedoch umfasst der Stand der Technik eine technische Basis, welche dazu geeignet ist, die Kälte, welche durch das flüssige Methan gegeben ist, in einer Weise zu verwenden, so dass die Energieaufnahme, welche bei dem Kühlen und Verflüssigen von technischen Gasen normalerweise in der Industrie auftritt (Stickstoff, Sauerstoff, Argon) zu erhalten.
  • Diese Konzepte werden mit einigen Zahlenbeispiel erläutert, so werden in der Industrie 13.000 kWh zur Verflüssigung von 25.000 normalen (ein atmosphärische Druck bei 0°C) Kubikmeter an Stickstoff verbraucht.
  • Bei dem Ansatz zum Auffangen von Kälte bei flüssigem Methan Vergasung oder Expansion auf Umgebungstemperatur mit den derzeitigen Techniken wird der Energieverbrauch auf 8400 kWh verringert, wodurch dann 4600 kWh eingespart werden.
  • Dieses ist eine beachtliche Einsparung, aber durch Verbesserung eines Verfahrens, welches zum wiedergewinnen der Kälte von verflüssigt industriellen Gasen eingesetzt werden kann, können in einem direkteren Verflüssigungsprozesses höhere Einsparungen erzielt werden.
  • Es ist ein Merkmal der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Entziehen der Kälte aus flüssigem Methan zu definieren, wodurch die Vergasung vorteilhafter abläuft als bei den derzeit eingesetzten Verfahren. In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird dieses Merkmal durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 4 gelöst.
  • Dieses und andere Merkmale werden hiernach verdeutlicht, unter Bezugnahme auf die eingeschlossene Beschreibung einer Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung entsprechend der Ansprüche.
  • Diese Erfindung wird durch ein nicht einschränkendes Beispiel in Übereinstimmung mit den Zeichnungen dargestellt, welche im Wesentlichen die Einführung des Prozesses darstellen.
  • Mit Bezug auf die Zeichnungen führt eine Flüssigmethan Einlassleitung 1 zu einer Pumpe 2. Die Pumpe 2 (dargestellt in Zentrifugalbauart) speist das Flüssigmethan in einen Wärmetauscher 4, welcher Wärme aus der Leitung 5 durch Stickstoff, welcher in entgegengesetzter Flussrichtung hindurchgeführt wird, entzieht.
  • Der Stickstoff stammt aus einem Wärmetauscher 6 in dem Wasser in einer Leitung 7 von einer Temperatur von ungefähr –98°C auf eine Temperatur von –34°C erwärmt wird.
  • Der Stickstoff verbleibt auf einem relativ hohen Druck um die Temperaturdifferenz zwischen dem Methan und dem Stickstoff zu erhöhen, um gleiche Bedingungen zu erhalten, zum Erreichen einer größeren Absorption der Kälte, welche durch das flüssige Methan vorgegeben ist.
  • Der Stickstoff wird durch den Wärmeübertrag aus dem flüssigen Methan gekühlt und verlässt den Wärmetauscher 4 durch eine Leitung 8, welche sich in zwei Leitungen 9 und 10 verzweigt, um die Kälte zu leiten, die in dem Stickstoff zum Kühlen des Stickstoffkreislaufs innerhalb der spezifischen Kreisläufe 18, 20 und der Vorrichtung fließen, in dem der Stickstoff verflüssigt wird.
  • Präziser fördert die Leitungen 9 die entzogene Kälte von dem Methan auf einen Zwischenstufenkühler (Wärmetauscher) 11, 12, 13, welche jeweils an dem Auslass der drei Stufen 16, 15, 14 einer konventionellen Kompressoreinheit für Stickstoff in dem Kreislauf 18 enthalten ist, wobei jener von einer geschlossenen Bauform ist.
  • An den Ausgang des Zwischenstufenkühler 11 wird der Stickstoff aus dem geschlossenen Kreislauf 18 derart gekühlt, dass er einen Druck von ungefähr 10 bar bei einer Temperatur von ungefähr –141° aufweist.
  • In diesem Zustand wird er durch eine konventionelle kryogene Turbine 17 expandiert, wobei die Temperatur auf –190°C bei einem Druck von 1,4 bar fällt.
  • Der Stickstoff, welcher in dieser Weise in einem geschlossenen Kreislauf 18 gekühlt wird, durchläuft den Wärmetauscher 19 zur Absorption von Hitze aus einem offenen Kreislauf 20 für komprimierten Stickstoff.
  • Der offene Kreislauf 21 umfasst eine Eingangsleitung 21, in dem gasförmiger Stickstoff mit einem Druck von 1,15 bar absolut bei einer Temperatur von 15°C eingespeist wird. Dieser Stickstoff durchläuft nacheinander die Kompression durch eine Kompressoreinheit bestehend aus einer ersten Stufe 22, einer zweiten Stufe 23, einer dritten Stufe 24, einer vierten Stufe 25, einer fünften Stufe 26.
  • Der Stickstoff des offenen Kreislaufs 20 durchläuft die folgenden Kühlsequenzen: Kühlung durchgeführt durch einen Einlass-Wärmetauscher 27, Kühlung durchgeführt durch eine Vielzahl von Zwischenstufen-Wärmetauschern (28, 29, 30, 31) und ferner Kühlung durchgeführt durch einen finalen Wärmetauscher 32 Strom aufwärts zu dem Wärmetauscher 19, welche an dem finalen Teil des offenen Kreislaufs 20, angeordnet ist.
  • Die Wärmetauscher 27, 28, 29, 30, 31, 32 entziehen Wärme aus dem Stickstoff des offenen Kreislaufs 20 durch Transfer der Kälte, welche in dem Stickstoff, welcher durch die Leitungen 10 fließt vorliegt, welcher seinerseits durch die Kälte gekühlt wird, welche aus dem flüssigen Methan in dem Wärmetauscher 4 stammt.
  • Nach dem Sammeln der Wärme durch die jeweiligen Wärmetauscher 11, 12, 13, 27, 28, 29, 30, 31, 32 fließt der Stickstoff der beiden Leitungen 9 und 10 in eine gemeinsame Leitung 33, durch welche Stickstoff in einen Kompressor 34 gespeist wird, welcher mit einem Druck von ungefähr 70 bar entlang der bereits beschriebenen Pfade zirkuliert und in die Richtung, welche durch die Pfeile gekennzeichnet ist, befördert wird.
  • Als Resultat dieses Vorgangs tritt der Stickstoff in dem offenen Kreislauf 20 im gasförmigen Zustand durch die Leitung 21 ein und verlässt in flüssigen Zustand durch die Leitung 3 diesen Kreislauf durch die optimale Ausnutzung der Kälte, welche aus der Vergasung des flüssigen Methans stammt.
  • Der flüssige Stickstoff, welcher in dieser Weise hergestellt wurde kann in gewöhnlichen Luftaufteilungsanlagen zur Produktion von flüssigem Sauerstoff, Stickstoff und Argon eingesetzt werden und des Weiteren für alle möglichen Einsatzarten von flüssigem Stickstoff.
  • Vorteilhafterweise erspart der Prozess zur Wiedergewinnung von Kälte aus flüssigem Methan durch flüssigen Stickstoff in Produktionszyklen, wie sie beschrieben wurden einen wesentlichen Anteil von Energie.
  • Mit Bezug auf das bereits auf realistischen Zahlen basierenden Beispiel bezogen auf das Volumen von 25.000 normalen Kubikmetern Stickstoff ist der Energieverbrauch in diesen Prozess auf rund 3700 kWh gesunken, so dass eine drastische Reduktion der Energieanforderungen gegenüber dem herkömmlichen Verflüssigungsverfahren (zur Stickstoffverflüssigung) erreicht wird.

Claims (5)

  1. Verfahren zur Verflüssigung einer kryogenen Flüssigkeit durch die Ausnutzung der Verdampfungskälte von flüssigem Methan, welche die Schritte aufweist, Abkühlen (4) einer ersten kryogenen Flüssigkeit (5), vorzugsweise Stickstoff mit flüssigem Methan (1), und Verwendung einer ersten kryogenen Flüssigkeit als Kühlflüssigkeit in einer ersten Kompressoreinheit (22, 23, 24, 25, 26), beides für die Zwischenkühlung (27, 28, 29, 30, 31, 32) und für die Eingangs- und Ausgangskühler (27, 32) der ersten Kompressoreinheit, die kryogene Flüssigkeit (3) wird durch die erste Kompressoreinheit (22, 23, 24, 25, 26) komprimiert und in einem Wärmetauscher (19) verflüssigt, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher durch eine weitere separate kryogene Flüssigkeit gekühlt wird, welche in einem geschlossenen Kreislauf zirkuliert, eine weitere separate kryogene Flüssigkeit wird regelmäßig durch eine zweite Kompressoreinheit (14, 15, 16) komprimiert, und dann durch eine kryogene Turbine (17) expandiert, um eine Kühlungstemperatur zu erreichen, welche tiefer ist als die Verflüssigungstemperatur der kryogenen Flüssigkeit und welche dann in den Wärmetauscher (19) gespeist wird, in der die erste kryogene Flüssigkeit und ebenso als Kühlflüssigkeit in der zweiten Kompressoreinheit eingesetzt wird (14, 15, 16), ebenso als zweite Zwischenstufenkühlung (12, 13) und als zweite Ausgangskühlung (11) der zweiten Kompressoreinheit.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, worin eine weitere separate kryogene Flüssigkeit Stickstoff ist, welche durch Abkühlung mittels der Expansion in der kryogenen Turbine (17) auf eine Temperatur von –190°C gebracht wird, so dass eine Verflüssigung des Stickstoff durch Unterschreitung der –180°C Temperaturmarke durch den Wärmetauscher (19) erreicht wird, der flüssige Stickstoff wird durch eine gesteuerte Leitung (3) des offenen Verflüssigungskreislaufs ausgestoßen.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, worin der Stickstoff in einer Luftzerlegungsanlage zur Produktion von flüssigen Sauerstoff, Stickstoff und Argon oder für den weiteren möglichen Gebrauch von flüssigem Stickstoff aufbereitet wird.
  4. Vorrichtung zur Verflüssigung einer kryogenen Flüssigkeit zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung einen ersten geschlossenen Kreislauf (33) mit einer ersten kryogenen Flüssigkeit (vorzugsweise Stickstoff) aufweist, und der erste geschlossene Kreislauf ein erstes Wärmetauschmittel (4) zu Abkühlung einer ersten kryogenen Flüssigkeit durch flüssiges Methan aufweist; ein offener Kreislauf (20) weist erste Kompressionsmittel (22–26) zur Komprimierung der kryogenen Flüssigkeit und Wärmetauschmittel (19) zur Verflüssigung der komprimierten kryogenen Flüssigkeit (3) auf; die ersten Kompressormittel (22–26) weisen Vorstufenkühler (28–31) auf, Eingangs- und Ausgangskühler (27, 32) zur Kühlung der kryogenen Flüssigkeit, worin die Kühler durch die erste kryogene Flüssigkeit gekühlt werden; gekennzeichnet durch einen zweiten geschlossenen Kreislauf (18), in dem eine weitere separate kryogene Flüssigkeit zirkuliert; der zweite geschlossenen Kreislauf (18) weist zweite Kompressormittel (14–16) zur Komprimierung der weiteren separaten kryogenen Flüssigkeit und Expandermittel (17) zum Expandieren der weiteren separaten kryogenen Flüssigkeit auf, worin das Expandermittel (17) mit dem Wärmetauschermittel (19) verbunden ist; und das zweite Kompressormittel
  5. (14–16) weist einen zweiten Zwischenstufenkühler (12, 13) auf, und einen zweiten Ausgangskühler (11) zur Kühlung der weiteren separaten kryogenen Flüssigkeit, worin die zweiten Zwischenstufen und die zweiten Ausgangskühler durch die erste gekühlte kryogene Flüssigkeit gekühlt werden.
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