DE69909424T2 - Vorrichtung mit einem einzigen Kreislauf und Mehrkomponeneten-Kühlmittel zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas - Google Patents

Vorrichtung mit einem einzigen Kreislauf und Mehrkomponeneten-Kühlmittel zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf die Verflüssigung von industriellem Gas, bei der das Gas von Umgebungstemperatur auf eine kryogene Temperatur gebracht wird, um die Verflüssigung zu bewirken.
  • Stand der Technik
  • Die Verflüssigung von Industriegasen ist ein wichtiger Schritt, der in der Verarbeitung von nahezu allen Industriegastrenn- und Reinigungsvorgängen verwendet wird. Typischerweise wird das industrielle Gas durch indirekten Wärmeaustausch mit einem Kältemittel verflüssigt. Ein derartiges System arbeitet für die Bereitstellung von Kälte über einen relativ kleinen Temperaturbereich von der Umgebungstemperatur aus gut, aber erweist sich als nicht effizient, wenn eine Kühlung über einen großen Temperaturbereich hinweg wie z. B. von Umgebungstemperatur auf eine kryogene Temperatur notwendig ist. Eine Möglichkeit zur Begegnung dieser Ineffizienz besteht in der Verwendung eines Verflüssigungsverfahrens mit mehreren Stromkreisläufen, wobei jeder Kreislauf dazu dient, die Temperatur des Industriegases über einen Teil des Temperaturbereichs hinweg zu reduzieren, bis die notwendige kryogene Kondensationstemperatur erreicht worden ist. Allerdings können derartige Industriegasverflüssiger mit mehreren Kreisläufen kompliziert zu betreiben sein.
  • In Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology: "Vol. 7, Copper Alloys to Distillation", 1978, Wiley & Sons, New York, US-XP 002 145 616 ist erwähnt, dass ein für eine Spitzenausgleichsanlage verwendeter Kältemittelzyklus auf Mehrkomponenten-Kältemitteln basiert werden kann, ohne jedoch irgendwelche Einzelheiten darüber anzugeben, welcher Typ von Kältemitteln verwendet werden sollte.
  • In EP-A-0 516 093 ist eine Kühleinheit beschrieben, die einen Hochtemperatur-Seitenkältemittelkreislauf und einen Niedertemperatur-Seitenkältemittelkreislauf zur Ausbildung eines unabhängigen geschlossenen Kältemittelkreislaufs aufweist, der dadurch einen Kühleffekt bewerkstelligt, dass ein von einem Kompressor abgelassenes Kältemittel kondensiert und anschließend verdampft wird, wobei ein Verdampfer des Hochtemperatur-Seitenkältemittelkreislaufs und der Kondensator des Niedertemperatur-Seitenkältemittelkreislaufs einen Wärmetauscher ausbilden. Die Einheit verwendet ein kein acetropisches Gemisch aufweisendes Kältemittel, das ein aus der aus Argon und Stickstoff bestehenden Gruppe ausgewähltes anorganisches Kältemittel, einen Kohlenwasserstoff und mindestens ein aus der aus Hydrochlorfluorkohlenwasserstoff, Hydrofluorkohlenwasserstoff, Kohlenwasserstoff und Fluorkohlenwasserstoff bestehenden Gruppe ausgewähltes Kältemittel enthält.
  • Substitute für Dichlordifluormethan-Kältemittel sind in WO-A97/11 138 offenbart, wobei die Substitute Kohlenwasserstoffe und/oder Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe enthalten können.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung einer Einzelkreislauf-Verflüssigungsanordnung, die industrielles Gas von Umgebungstemperatur auf eine kryogene Verflüssigungstemperatur bringen kann und die mit einer höheren Effizienz als bislang verfügbare Einzelkreislaufsysteme arbeitet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die ein Verfahren zum Verflüssigen eines Industriegases ist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht toxisch" die nicht bestehende Gefahr eines akuten oder ständigen Gesundheitsrisikos im Umgang eines Stoffes innerhalb akzeptabler Expositionsgrenzen.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht entflammbar" das Vorliegen keines oder eines sehr hohen Flammpunkts von mindestens 600°K.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "nicht ozonabreichernd", dass keinerlei ozonabreicherndes Potenzial, d. h. keine Chlor- oder Bromatome vorliegen.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "normaler Siedepunkt" den Siedetemperatur bei 1 Standardatmosphärendruck, d. h. 14,696 pound pro inch2 absolut.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" das Verbringen von zwei Fluiden in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeglichen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Expansion" die Bewirkung einer Druckreduktion.
  • Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe "Turboexpansion" und "Turboexpander" ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Durchfluss von Hochdruckfluid durch eine Turbine, um den Druck und die Temperatur des Fluids zu verringern, wodurch Kälte erzeugt wird.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kältemittel mit variabler Last" ein Gemisch aus zwei oder mehreren Komponenten in Anteilen, so dass die Flüssigphase dieser Komponenten eine kontinuierliche und zunehmende Temperaturveränderung zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt des Gemisches durchläuft. Der Blasenbildungspunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Flüssigphase vorliegt, aber eine Zufügung von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Flüssigphase vorliegenden Dampfphase auslöst. Der Taupunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Dampfphase ist, aber eine Extrahierung von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Dampfphase vorliegenden Flüssigphase auslöst. Somit ist der Temperaturbereich zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt des Gemisches derjenige Bereich, in der sowohl Flüssig- wie Dampfphasen im Gleichgewicht koexistieren. In der Praxis dieser Erfindung betragen die Temperaturunterschiede zwischen dem Blasenbildungspunkt und dem Taupunkt für das Kältemittel mit variabler Last mindestens 10°K, vorzugsweise mindestens 20°K und am bevorzugtesten mindestens 50°K.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorkohlenwasserstoff' einen der folgenden Stoffe: Tetrafluormethan (CF4), Perfluorethan (C2F6), Perfluorpropan (C3F8), Perfluorbutan (C4F10), Perfluorpentan (C5F12), Perfluorethen (C2F4), Perfluorpropen (C3F6), Perfluorbuten (C4F10), Perfluorpenten (C5F10), Hexafluorcyclopropan (cyclo-C3F6) und Octafluorcyclobutan (cyclo-C4F8).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Hydrofluorkohlenwasserstoff" einen der folgenden Stoffe: Fluoroform (CHF3), Pentauorethan (C2HF5), Tetrafluorethan (C2H2F4), Heptafluorpropan (C3HF7), Hexafluorpropan (C3H2F6), Pentafluorpropan (C3H3F5), Tetrafluorpropan (C3H4F4), Nonafluorbutan (C4HF9), Octafluorbutan (C4H2F8), Undecafluorpentan (C5HF11), Methylfluorid (CH3F), Difluormethan (CH2F2), Ethylfluorid (C2H5F), Difluorethan (C2H4F2), Trifluorethan (C2H3F5), Difluorethen (C2H2F2), Trifluorethen (C2HF3), Fluorethen (C2H3F), Pentafluorpropen (C3HF5), Tetrafluorpropen (C3H2F4), Trifluorpropen (C3H3F3), Difluorpropen (C3H4F2), Heptafluorbuten (C4HF7), Hexafluorbuten (C4H2F6) und Nonafluorpenten (C5HF9).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Fluorether" einen der folgenden Stoffe: Trifluormethyoxyperfluormethan (CF3-O-CF3), Difluormethoxy-perfluormethan (CHF2-O-CF3), Fluormethoxy-perfluormethan (CH2F-O-CF3), Difluormethoxy-difluormethan (CHF2-O-CHF2), Difluormethoxy-perfluorethan (CHF2-O-C2F5), Difluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Difluormethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Perfluorethoxy-fluormethan (C2F5-O-CH2F), Perfluormethoxy-1,1,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Perfluormethoxy-1,2,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Cyclo-1,1,2,2-tetrafluorpropylether (cyclo-C3H2F4-O-), Cyclo-1,1,3,3-tetrafluorpropylether (cyclo-C3H2F4-O-), Perfluormethoxy-1,1,2,2-tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Cyclo-1,1,2,3,3-pentafluorpropylether (cycloC3H5-O-), Perfluormethoxy-perfluoraceton (CF3-O-CF2-O-CF3), Perfluormethoxy-Perfluorethan (CF3-O-C2F5), Perfluormethoxy-1,2,2,2-tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), perfluormethoxy-2,2,2-trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Cyclo-perfluormethoxy-perfluoraceton (cycloCF2-O-CF2-O-CF2-) und Cyclo-perfluorpropylether (cycloC3F6-O).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "atmosphärisches Gas" eines der folgenden Gase: Stickstoff (N2), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Neon (Ne), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2) und Helium (He).
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "gering ozonabreichernd" ein ozonabreicherndes Potenzial von weniger als 0,15 gemäß der Montrealer Protokollkonvention, bei der Dichlorfluormethan (CCl2F2) ein ozonabreicherndes Potenzial von 1,0 aufweist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "industrielles Gas" Stickstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Helium, Kohlendioxid, Argon, Methan, Kohlenmonoxid sowie Fluidgemische, die zwei oder mehrere dieser Stoffe aufweisen.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "kryogene Temperatur" eine Temperatur von 150°K oder weniger.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kühlung" das Vermögen, Wärme von einem bei unter Umgebungstemperatur liegendem System an die umgebende Atmosphäre abzuführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Einzelkreislauf-Verflüssigungssystems von Industriegas dieser Erfindung.
  • 2 ist ein schematisches Ablaufdiagramm einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Einzelkreislauf-Verflüssigungssystems von Industriegas dieser Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfindung weist allgemein die Verwendung eines festgelegten vermischten Kältemittels für eine effiziente Bereitstellung von Kälte über einen sehr großen Temperaturbereich hinweg wie z. B. von Umgebungstemperatur auf eine kryogene Temperatur auf. Eine derartige Kälte kann für die Verflüssigung von Industriegasen, die einen solch großen Temperaturbereich benötigen, auf effiziente Weise und ohne den Bedarf nach einer Verwendung mehrerer komplizierter Kühlkreisläufe verwendet werden. Das Einzelschleifensystem der Erfindung beinhaltet eine einzelne Kompressionsausrüstung, die ein- oder mehrstufige Kompressoren beinhaltet, welche das gesamte Mehrkomponenten-Kältemittelgemisch als ein einzelnes Gemisch verarbeiten, das nachfolgend durch ein J/T-Ventil oder eine Flüssigkeitsturbine zur Erzeugung von Kälte expandiert wird.
  • Die Endung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Nun auf die 1 Bezug nehmend wird ein Mehrkomponenten-Kältemittel 60 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 30 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen innerhalb des Bereichs von 689 bis 5516 kPa (100 bis 800 pound pro inch2 absolut (psia)) liegt. Der Kompressor kann eine einzelne Stufe oder mehrere Stufen aufweisen. Vorzugsweise liegt das Kompressionsverhältnis, d. h. das Verhältnis des Drucks eines komprimierten Mehrkomponenten-Kältemittels 61 zu dem Fluid 60 innerhalb des Bereichs von 2 bis 15 und übertrifft am bevorzugtesten 5. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der Kompressor 30 drei Kompressionsstufen mit einem Kompressionsverhältnis von 2,5 bis 3,0 für jede Stufe auf. In dem Fall, wenn der Kompressor 30 ein mit Öl geschmierter Kompressor ist, kann der Auslass von dem Kompressor, wie durch eine gestrichelte Linie 68 dargestellt, zu einem Separator 10 geleitet werden, wo jegliches Öl in dem Auslass getrennt und über eine Leitung 70 zu dem Kompressor zurückgeführt wird. Dann wird das gereinigte Kältemittel über eine Leitung 69 in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt.
  • Komprimiertes Mehrkomponenten-Kältemittel in einer Leitung 62 wird von der Kompressionswärme in einem Nachkühler 2 gekühlt, wo es vorzugsweise teilweise kondensiert wird, und ein sich ergebendes Mehrkomponenten-Kältemittel 63 wird durch einen Wärmetauscher 1 geleitet, wo es weiter abgekühlt und vorzugsweise vollständig kondensiert wird. Eine resultierende Mehrkomponenten-Kältemittelflüssigkeit 64 wird durch ein Ventil 65 gedrosselt, in dem sie auf einen Druck expandiert wird, der im allgemeinen in dem Bereich von 103 bis 689 kPa (15 bis 100 psia) liegt und daher Kälte erzeugt. Die Druckexpansion des Fluids durch das Ventil 65 stellt Kälte durch den Joule-Thomson-Effekt bereit, d. h. die Fluidtemperatur wird aufgrund der Druckreduktion bei konstanter Enthalpie verringert. Typischerweise liegt die Temperatur des expandierten Mehrkomponenten-Kältemittels 66 innerhalb des Bereichs von 70 bis 200°K und vorzugsweise innerhalb des Bereichs von 80 bis 120°K. Die Expansion des Mehrkomponenten-Kältemittels durch das Ventil 65 bewirkt ebenfalls die Verdampfung eines Teils des Fluids.
  • Das Kälte tragende zweiphasige Mehrkomponenten-Kältemittel in dem Strom 66 wird anschließend durch den Wärmetauscher 1 geführt, wo es erwärmt und vollständig verdampft wird und daher dazu dient, mittels indirektem Wärmeaustausch das komprimierte Mehrkomponenten-Kältemittel 63 abzukühlen. Ebenfalls dient die Erwärmung des Fluids 66 zum Verflüssigen von Industriegas, was nachfolgend ausführlicher beschrieben werden wird. Das sich ergebende erwärmte Mehrkomponenten-Kältemittel wird in einem Dampfstrom 67, der im allgemeinen bei einer Temperatur in dem Bereich von 260 bis 330°K liegt, zu dem Kompressor 30 zurückgeführt und der Kälteryklus beginnt von neuem.
  • Industriegas, z. B. Stickstoff, wird in einem Strom 80 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 32 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen innerhalb des Bereichs von 207 bis 5516 kPa (30 bis 800 psia) liegt, und ein resultierender Industriegasstrom 81 wird mittels Durchleiten durch einen Nachkühler 4 von der Kompressionswärme gekühlt. Ein komprimierter Industriegasstrom 82 wird anschließend durch den Wärmetauscher 1 geleitet, wo er gekühlt, kondensiert, und vorzugsweise durch indirekten Wärmeaustausch mit dem oben erwähnten, sich erwärmenden Kälte tragenden Mehrkomponenten-Kältemittel unterkühlt wird. Danach wird dass sich ergebende verflüssigte Industriegas in einem Strom 83 durch ein Ventil 84 geleitet und als ein Strom 85 zu einer Verwendungsstelle und/oder zu einem Speichertank geführt.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass obgleich die Erfindung zum Verflüssigen von bei Umgebungstemperatur vorliegenden Industriegasen beschrieben ist, die Erfindung ebenfalls zum Verflüssigen vorgekühlter industrieller Gase verwendet werden kann. In einigen Fällen kann das industrielle Gas durch ein anderes Kühlverfahren vorgekühlt und anschließend dem Mehrkomponenten-Kühlsystem dieser Erfindung zwecks weiterer Kühlung und Verflüssigung zugeführt werden.
  • In der Praxis dieser Erfindung stellt das Mehrkomponenten-Kältemittel die erforderliche Kälte zum Verflüssigen des Industriegases auf den erwünschten Pegel in einer sehr effizienten Weise bereit, die dazu führt, dass die Kühlungs- und Erwärmungskurven nahe zusammen und so parallel zueinander wie nur möglich gebracht werden, um die Unumkehrbarkeiten des Verflüssigungsvorgangs auf ein praktikables Minimum zu reduzieren. Das kondensierende Mehrkomponenten-Kältemittel ändert seine Zusammensetzung ständig und daher ermöglicht seine Kondensationstemperatur eine Verbesserung der Effizienz der Industriegasverflüssigung. Die Verbesserung stammt von der Verwendung der festgelegten multiplen Komponenten in dem Kältemittel, die jeweils ihren eigenen normalen Siedepunkt und zugeordnete latente Verdampfungswärme aufweisen. Die geeignete Auswahl der Kältemittelkomponenten und optimale Konzentrationen in dem Gemisch zusammen mit Betriebsdruckpegeln und Kältemittelzyklen ermöglichen die Erzeugung von variablen Mengen an Kälte über den erforderlichen Temperaturbereich hinweg. Die Bereitstellung der variablen Kälte als eine Funktion der Temperatur erlaubt die optimale Steuerung von Wärmeaustausch-Temperaturunterschieden innerhalb des Verflüssigungssystems und verringert somit die Energieanforderungen des Systems.
  • 2 illustriert eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verflüssigungsverfahrens der Erfindung von Industriegas. Die Bezugszeichen in 2 sind für die allgemeinen Elemente die gleichen wie diejenigen in 1 und diese allgemeinen Elemente werden nicht erneut ausführlich beschrieben werden.
  • Nun auf die 2 Bezug nehmend bewirkt die Durchleitung des verflüssigten Industriegases 83 durch das Ventil 84 die Verdampfung eines Teils des Industriegases. Ein sich ergebender zweiphasiger Strom 95 wird anschließend in einen Phasenseparator 96 eingespeist, in dem das industrielle Gas in Flüssigkeit, die aus dem Separator 96 in einem Strom 86 heraus zu einer Verwendungsstelle und/oder zur Speicherung geleitet wird, und in Dampf getrennt, der aus dem Phasenseparator 96 in einem Strom 87 zu dem Wärmetauscher 1 geführt wird. Wahlweise und wie durch die gestrichelten Linien dargestellt könnte das verflüssigte Industriegas 83 durch einen Turboexpander 97 turboexpandiert werden, um zusammen mit zusätzlicher Kälte einen zweiphasigen Strom 95 zu erzeugen. Der Industriegasdampf in dem Strom 87 wird durch den Wärmetauscher 1 geführt, wo er durch indirekten Wärmeaustausch mit dem kondensierenden Industriegas 82 erwärmt wird und daher die Verflüssigung weiter verbessert. Ein resultierender erwärmter Industriegasdampf 88 wird mit dem Strom 80 zur Ausbildung eines Stroms 89 kombiniert, der anschließend in den Kompressor 32 eingespeist wird.
  • Das in der Praxis dieser Erfindung nützliche Mehrkomponenten-Kältemittel enthält mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe, um die erforderliche Kälte bei jeder Temperatur bereitstellen zu können. Die Auswahl von Kältemittelkomponenten hängt von der Kältelast gegenüber der Temperatur für die jeweilige Verfahrensanwendung ab. Geeignete Komponenten werden in Abhängigkeit von ihrem normalen Siedepunkt, ihrer latenten Wärme, der Entflammbarkeit, der Toxizität und dem Ozonabreicherungspotenzial ausgewählt werden.
  • Eine bevorzugte und in der Praxis dieser Erfindung nützliche Ausführungsform des Mehrkomponenten-Kältemittes weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.
  • Eine weitere bevorzugte und in der Praxis dieser Erfindung nützliche Ausführungsform des Mehrkomponenten-Kältemittels weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens zwei atmosphärische Gase auf.
  • Noch eine weitere bevorzugte und in der Praxis dieser Erfindung nützliche Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen Mehrkomponenten-Kältemittels weist mindestens ein Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponenten-Kältemittel ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponenten-Kältemittel ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen und Hydrofluorkohlenwasserstoffen. In noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponenten-Kältemitte ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen und atmosphärischen Gasen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponenten-Kältemittel ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen, Hydrofluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Mehrkomponenten-Kältemittel ausschließlich aus Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen.
  • Obgleich das in der Praxis dieser Erfindung nützliche Mehrkomponenten-Kältemittel andere Komponenten enthalten kann, weist das Mehrkomponenten-Kältemittel weder Hydrochlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe auf. Am bevorzugtesten ist das Mehrkomponenten-Kältemittel nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd. Am bevorzugtesten ist jede Komponente des Mehrkomponenten-Kältemittels entweder ein Fluorkohlenwasserstoff, ein Hydrofluorkohlenwasserstoff ein Fluorether oder ein atmosphärisches Gas.
  • Die Erfindung wird besonders vorteilhaft verwendet, um auf effiziente Weise ausgehend von Umgebungstemperaturen kryogene Temperaturen zu erreichen. Die Tabellen 1–5 führen bevorzugte Beispiele von in der Praxis dieser Erfindung nützlichen Mehrkomponenten-Kältemittelgemischen auf. Die in den Tabellen 1–5 angegebenen Konzentrationsbereiche sind in Mol.%. Tabelle 1
    Komponente Konzentrationsbereich
    C5F12 5–25
    C4F10 0–15
    C3F8 10–40
    C2F6 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
    Tabelle 2
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5 – 25
    C4F10 0–15
    C3F8 10–40
    CHF3 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
    Tabelle 3
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–25
    C3H2F6 0–15
    C2H2F4 5–20
    C2HF5 5–20
    C2F6 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
    Tabelle 4
    Komponente Konzentrationsbereich
    CHF2-O-C2HF4 5–25
    C4F10 0–15
    CF3-O-CHF2 10–40
    CF3-O-CF3 0–20
    C2F6 0–30
    CF4 10–50
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
    Tabelle 5
    Komponente Konzentrationsbereich
    C3H3F5 5–25
    C3H2F6 0–15
    CF3 – 0 – CHF3 10–40
    CHF3 0–30
    CF4 0–25
    Ar 0–40
    N2 10–80
    Ne 0–10
    He 0–10
  • Tabelle 6 führt ein zur Verwendung mit der Erfindung besonders bevorzugtes Mehrkomponenten-Kältemittel auf, um Kälte bis zu einem relativ niedrigen Pegel zuzuführen, wie z. B. für die Verflüssigung von Stickstoff. Tabelle 6
    Komponente Molanteil
    Perfluorpentan 0,11
    Perfluorpropan 0,10
    Fluoroform 0,09
    Tetrafluormethan 0,13
    Argon 0,22
    Stickstoff 0,29
    Neon 0,06
  • Tabelle 7 führt ein weiteres zur Verwendung mit der Erfindung bevorzugtes Mehrkomponenten-Kältemittel auf, um Kälte bis zu einem relativ niedrigen Pegel zuzuführen, wie z. B. für die Verflüssigung von Stickstoff Tabelle 7
    Komponente Molanteil
    Perfluorpentan 0,15
    Perfluorpropan 0,15
    Fluoroform 0,10
    Tetrafluormethan 0,24
    Argon 0,15
    Stickstoff 0,21
  • Die Erfindung ist besonders nützlich für die Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich und insbesondere über einen Temperaturbereich hinweg, der kryogene Temperaturen einschließt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verfügt jede der beiden oder mehreren Komponenten des Kältemittelgemisches über einen normalen Siedepunkt, der sich um mindestens 5° Kelvin, bevorzugter um mindestens 10° Kelvin und am bevorzugtesten um mindestens 20° Kelvin von dem normalen Siedepunkt jeder anderen Komponente in diesem Kältemittelgemisch unterscheidet. Dies erhöht die Effektivität der Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich und insbesondere über einen Temperaturbereich hinweg, der kryogene Temperaturen einschließt. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Mehrkomponenten-Kältemittels um mindestens 50°K, vorzugsweise um mindestens 100°K und am bevorzugtesten um mindestens 200°K höher als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Mehrkomponenten-Kältemittels.
  • Die Komponenten und ihre Konzentrationen, die das in der Praxis dieser Endung nützliche Mehrkomponenten-Kältemittel ausbilden, sind derart beschaffen, dass ein Mehrkomponenten-Kältemittel für veränderliche Last ausgebildet und vorzugsweise eine solche veränderliche Lastcharakteristik über den gesamten Temperaturbereich des Verfahrens der Erfindung hinweg aufrechterhalten wird. Dies erhöht die Effizienz, mit der die Kälte erzeugt und über solch einen großen Temperaturbereich hinweg verwendet werden kann, deutlich. Die definierte bevorzugte Gruppe von Komponenten weist den zusätzlichen Nutzen auf, dass sie zur Ausbildung von Fluidgemischen verwendet werden können, die nicht toxisch, nicht entflammbar und gering oder nicht ozonabreichernd sind. Dies stellt zusätzliche Vorteile gegenüber konventionellen Kältemitteln bereit, die typischerweise toxisch, entflammbar und/oder ozonabreichernd sind.
  • Ein in der Praxis dieser Erfindung nützliches und bevorzugtes Mehrkomponenten-Kältemittel für veränderliche Last, das nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd ist, weist zwei oder mehrere Komponenten aus der aus C5F12, CHF2-O-C2HF4, C4HF9, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, C4F10, CF3-O-C2H2F3, C3HF7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C3F8, C2HF5, CF3-O-CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne und He bestehenden Gruppe auf.
  • Mit der Verwendung dieser Erfindung ist nun eine Verflüssigung von Industriegas auf eine effizientere Weise und unter Verwendung eines Einzelkreislauf-Verflüssigungszyklus möglich, indem auf effizientere Weise Kälte von Umgebungstemperatur ausgehend zu den für die Verflüssigung erforderlichen kryogenen Temperaturpegeln bereitgestellt wird. Beispielsweise kann der Verflüssigungskreislauf mehr als einen Wärmetauscher mit einer Phasentrennung des Industriegases und einer Rückführung des Industriegasdampfes nach jedem Wärmetauscher aufweisen, was ähnlich wie zu der Illustration in 2 ausfällt.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Verflüssigen von industriellem Gas, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein Mehrkomponentenkühlfluid für veränderliche Last, welches mindestens eine aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente sowie mindestens eine unterschiedliche aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente aufweist, verdichtet wird, wobei das Mehrkomponentenkühlfluid weder Chlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe enthält, (B) das verdichtete Mehrkomponentenkühlfluid gekühlt wird, um das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens teilweise zu kondensieren; (C) das gekühlte, verdichtete Mehrkomponentenkühlfluid expandiert wird, um Kälte zu erzeugen; (D) das expandierte Mehrkomponentenkühlfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem verdichteten Mehrkomponentenkühlfluid erwärmt wird, um das Kühlen des verdichteten Mehrkomponentenkühlfluids zu bewirken; und (E) das expandierte Mehrkomponentenkühlfluid in eine Wärmetauschbeziehung mit industriellem Gas gebracht wird und das expandierte Mehrkomponentenkühlfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem Industriegas erwärmt wird, um das industrielle Gas zu verflüssigen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner das industrielle Gas durch einen Kompressor verdichtet wird, bevor der Wärmeaustausch des Industriegases mit dem expandierten Mehrkomponentenkühlfluid erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem ferner der Druck des verflüssigten Industriegases gesenkt wird, um einen Teil des verflüssigten Industriegases zu industriellem Gasdampf zu entspannen, und der industrielle Gasdampf zu dem Kompressor geleitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem ferner der industrielle Gasdampf mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem sich verflüssigenden, verdichteten Industriegas erwärmt wird, bevor der industrielle Gasdampf zu dem Kompressor geleitet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens zwei unterschiedliche Komponenten aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente sowie mindestens ein atmosphärisches Gas aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens zwei unterschiedliche Komponenten aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluoräther bestehenden Gruppe, sowie mindestens zwei atmosphärische Gase aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens einen Fluoräther und mindestens eine unterschiedliche Komponente aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem jede der Komponenten des Mehrkomponentenkühlfluids einen normalen Siedepunkt hat, der sich um mindestens 5 Grad Kelvin von dem normalen Siedepunkt jeder der anderen Komponenten des Mehrkomponentenkühlfluids unterscheidet.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Mehrkomponentenkühlfluids mindestens 50 Grad Kelvin über dem normalen Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Mehrkomponentenkühlfluids liegt.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Mehrkomponentenkühlfluid mindestens zwei unterschiedliche Komponenten aus der aus C5F12, CHF2-O-C2HF4, C4HF9, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, C4F10, CF3-O-C2H2F3, C3HF7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C3F8, C2HF5, CF3-O-CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne und He bestehenden Gruppe aufweist.
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