DE69915577T2 - Vorrichtung mit mehreren Kreisläufen und Mehrkomponenten-Kühlmitteln zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas - Google Patents

Vorrichtung mit mehreren Kreisläufen und Mehrkomponenten-Kühlmitteln zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Verflüssigung von industriellem Gas, wobei das Gas zur Bewirkung der Verflüssigung von Umgebungstemperatur auf eine kryogene Temperatur gebracht wird.
  • Stand der Technik
  • Die Verflüssigung von industriellem Gas ist ein energieintensiver Vorgang. Typischerweise wird das industrielle Gas mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel verflüssigt. Obgleich ein derartiges System für eine Bereitstellung von Kälte über einen relativ kleinen Temperaturbereich von Umgebungstemperatur ausgehend gut arbeitet, erweist sich als nicht effizient, wenn Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg wie z. B. von Umgebungstemperatur zu einer kryogenen Temperatur erforderlich ist. Diese Ineffizienz kann durch die Verwendung von mehr als einem Kühlkreislauf angegangen werden, um die erforderliche kryogene Kondensationstemperatur zu erreichen. Allerdings erfordern derartige Systeme einen signifikanten Energieeingang, um die erwünschten Ergebnisse bewerkstelligen zu können.
  • Ein Verfahren zum Kühlen eines industriellen Gases gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus US-A-4 112 700 bekannt. Andere Verfahren zum Kühlen eines industriellen Gases sind aus EP-0 516 093 A1, US-A-5 736 063, WO-99/60 316, WO-97/11 138 und dem Artikel "Chlorofluorocarbons and Ozone" von M. McFarland, Environ Sci. Technol., Vol. 23, Nr. 10, 1998, bekannt.
  • Eine Aufgabe dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Anordnung mit mehreren Kreisläufen, wobei industrielles Gas von Umgebungstemperatur auf eine kältere Temperatur und insbesondere auf eine Tieftemperatur-Verflüssigungstemperatur gebracht werden kann, die mit einer höheren Effizienz als bislang verfügbare Systeme mit mehreren Kreisläufen arbeitet.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die in Anspruch 1 definiert ist.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "nicht toxisch" darauf, dass bei einer Handhabung gemäß akzeptablen Expositionsgrenzen keine akute oder andauernde Gefahr besteht.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "nicht entflammbar" darauf, dass entweder kein Flammpunkt oder ein sehr hoher Flammpunkt von mindestens 600 K vorliegt.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "nicht ozonabreichernd" auf ein Null betragendes ozonabrei cherndes Potenzial, d. h. auf kein Vorliegen von Chlor-, Brom- oder Iodatomen.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "normaler Siedepunkt" auf die Siedetemperatur bei 1 Standardatmosphärendruck, d. h. 1,013 bar (14.696 pound pro inch2 absolut).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" auf das Verbringen von Fluiden in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne irgendeinen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Kühlmittel für veränderliche Last" auf ein Gemisch aus zwei oder mehreren Komponenten in solchen Anteilen, dass die Flüssigphase dieser Komponenten einer kontinuierlichen und ansteigenden Temperaturveränderung zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Gemisches unterzogen wird. Der Blasenpunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Flüssigphase vorliegt, aber die Zufuhr von Wärme die Ausbildung einer sich im Gleichgewicht mit der Flüssigphase befindenden Dampfphase auslöst. Der Taupunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Dampfphase ist, aber eine Extraktion von Wärme die Ausbildung einer im Gleichgewicht mit der Dampfphase vorliegenden Flüssigphase auslöst. Daher ist der Temperaturbereich zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Gemisches derjenige Bereich, in dem sowohl die Flüssig- wie die Dampfphasen im Gleichgewicht koexistieren. In der Praxis dieser Erfindung betragen die Temperaturunterschiede zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt für das Kühlmittel für veränderliche Last mindestens 10°K, vorzugsweise mindestens 20°K und am bevorzugtesten mindestens 50°K.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Fluorkohlenstoff" auf eine der folgenden Verbindungen: Tetrafluormethan (CF4), Perfluorethan (C2F6), Perfluorpropan (C3F8), Perfluorbutan (C4F10), Perfluorpentan (C5F12), Perfluorethen (C2F4), Perfluorpropen (C3F6), Perfluorbuten (C4F8), Perfluorpenten (C5F10), Hexafluorcyclopropan (Cyclo-C3F6) und Octafluorcyclobutan (Cyclo-C4F8).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Fluorkohlenwasserstoff" auf eine der folgenden Verbindungen: Fluoroform (CHF3), Petrafluorethan (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 (C2H3F3), Difluorethen (C2H2F2); Trifluorethen (C2HF3), Fluorethen (C2H3F), Pentafluorpropen (C3HF5), Tetrafluorpropen (C3H2F4), Trifluorpropen (C3H3F3), Difluorpropen (C3H4F2), Heptafluorbuten (C4HF7), Hexafluorbuten (C4H2F6) und Nonafluorpenten (C5HF9).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Fluorether" auf eine der folgenden Verbindungen: Trifluormethyoxy-Perfluormethan (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 (Cyclo-C3H5-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 (Cyclo-CF2-O-CF2-O-CF2-) und Cyclo-Perfluorpropylether (Cyclo-C3F6-O).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "atmosphärisches Gas" auf eines der folgenden Gase: Stickstoff (N2), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Neon (Ne), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2) und Helium (He).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "gering ozonabreichernd" auf ein ozonabreicherndes Potenzial von weniger als 0,15 gemäß der Montreal Protocol Convention, wobei Dichlorfluormethan (CCl2F2) ein ozonabreicherndes Potenzial von 1,0 aufweist.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Expansion" auf die Bewirkung einer Druckreduktion.
  • Wie hier verwendet beziehen sich die Begriffe "Turboexpansion" und "Turboexpander" auf ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Strom von Hochdruckfluid durch eine Turbine zur Reduzierung des Drucks und der Temperatur des Fluids, wodurch Kälte erzeugt wird.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "industrielles Gas" auf Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Wasserstoff, Helium, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan und Fluidgemische, die zwei oder mehrere dieser Gase enthalten.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "kryogene Temperatur" auf eine Temperatur von 150°K oder weniger.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Kühlung" auf die Fähigkeit, Wärme von einem unter Umgebungstemperatur liegenden System an die umgebende Atmosphäre abzugeben.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein schematisches Fließdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des industriellen Gasverflüssigungssystems dieser Erfindung mit mehreren Kreisläufen, worin das industrielle Gas mittels indirektem Wärmeaustausch mit beiden der vermischten Kühlmittel gekühlt wird.
  • 2 ist ein schematisches Fließdiagramm einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des industriellen Gasverflüssigungssystems der Erfindung mit mehreren Kreisläufen, die zusätzlich eine Phasentrennung und Turboexpansion eines vermischten Kühlmittels verwendet.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfindung weist allgemein die Verwendung von mindestens zwei definierten vermischten Kühlmitteln auf, um auf effiziente Weise Kälte über einen sehr großen Temperaturbereich hinweg bereitzustellen.
  • Mehrkomponentige Kühlmittelfluide können variable Mengen an Kälte über einen erforderlichen Temperaturbereich hinweg bereitstellen. Die definierten mehrkomponentigen Kühlmittelfluide dieser Erfindung stellen auf effiziente Weise Kälte über einen sehr großen Temperaturbereich hinweg bereit, um auf effiziente Weise industrielle Gase zu verflüssigen. Das erste oder Höhertemperatur-Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid, das in der Praxis dieser Erfindung nützlich ist, weist mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und minde stens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf. Ein bevorzugtes erstes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid, das in der Praxis dieser Erfindung nützlich ist, weist mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens ein atmosphärisches Gas auf. Ein weiteres bevorzugtes erstes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid, das in der Praxis dieser Erfindung nützlich ist, weist mindestens ein Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf. Das zweite oder Niedrigertemperatur-Mehrkomponenten-Kühlmittelfluid, das in der Praxis dieser Erfindung nützlich ist, weist mindestens eine Komponente und vorzugsweise mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens ein atmosphärisches Gas auf. Ein bevorzugtes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid, das in der Praxis dieser Erfindung nützlich ist, weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens zwei atmosphärische Gase auf. Ein weiteres bevorzugtes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid, das in der Praxis dieser Erfindung nützlich ist, weist mindestens ein Fluorether und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.
  • Ein weiterer Vorteil zusätzlich zu der hohen Effizienz jedes der ersten und zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelgemische besteht darin, dass jedes dieser Gemische nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede der zwei oder mehreren Komponenten jeder der ersten und zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelgemische einen normalen Siedepunkt auf, der sich um mindestens 5° Kelvin von dem normalen Siedepunkt jeder anderen Komponente in diesem Kühlmittelgemisch unterscheidet. Dies erhöht die Effizienz der Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg, der auch kryogene Temperaturen umfasst. Gemäß der Erfindung liegt der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente von jedem der ersten und zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelgemische um mindestens 100° Kelvin über dem normalen normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente dieses mehrkomponentigen Kühlmittelgemisches.
  • Die Erfindung wird weiter mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Nun auf 1 Bezug nehmend wird ein erstes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 19 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 30 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 6,89 bis 41,4 bar (100 bis 600 pound pro inch2 absolut (psia)) liegt. Verdichtetes erstes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid in einer Leitung 20 wird von der Kompressionswärme in einem Nachkühler 31 gekühlt, wobei es vorzugsweise teilweise kondensiert wird, und ein sich ergebendes erstes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 21 wird durch einen Wärmetauscher 130 geleitet, in dem es weiter abgekühlt und vorzugsweise vollständig kondensiert wird. Eine resultierende erste mehrkomponentige Kühlmittelflüssigkeit 22 wird durch ein Ventil 32 gedrosselt, worin sie auf einen Druck expandiert wird, der im allgemeinen in dem Bereich von 1,03 bis 3,48 bar (15 bis 50 psia) liegt, um Kälte zu erzeugen. Die Druckexpansion des Fluids durch das Ventil 32 stellt Kälte durch den Joule-Thomson-Effekt bereit, d. h. durch ein Absenken der Fluidtemperatur auf Grund der Druckreduktion bei konstanter Enthalpie. Typischerweise liegt die Temperatur des expandierten ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids 23 in dem Bereich von 200 bis 250°K. Die Expansion des ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids durch das Ventil 32 bewirkt im allgemeinen weiterhin die Verdampfung eines Teils dieses Fluids.
  • Das Kälte beinhaltende erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid in dem Strom 23 wird anschließend durch den Wärmetauscher 130 geführt, worin es erwärmt und vollständig verdampft wird und dadurch dazu dient, mittels indirektem Wärmeaustausch das verdichtete erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid 21 abzukühlen. Das sich ergebende erwärmte erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid in dem Dampfstrom 19, der im allgemeinen bei einer Temperatur in dem Bereich von 280 bis 320°K liegt, wird zu dem Kompressor 30 zurückgeführt und der Kühlzyklus mit höherer Temperatur beginnt von neuem.
  • Ein zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 8 wird mittels Durchleiten durch einen Kompressor 33 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 6,89 bis 41,4 bar (100 bis 600 psia) liegt. Verdichtetes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 9 wird von der Kompressionswärme in einem Nachkühler 34 gekühlt. Zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 1 wird von dem Nachkühler 34 durch einen Wärmetauscher 130 geführt, worin es mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem oben genannten sich erwärmenden expandierten ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid gekühlt wird. Resultierendes gekühltes verdichtetes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 3, das teilweise kondensiert sein kann, wird weiter abgekühlt und mittels Durchleiten durch einen Wärmetauscher 150 vorzugsweise vollständig kondensiert. Anschließend wird ein sich ergebendes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 4 durch ein Ventil 35 gedrosselt, worin es auf einen Druck expandiert wird, der im allgemeinen in dem Bereich von 1,03 bis 6,89 bar (15 bis 100 psia) liegt, um durch den Joule-Thomson-Effekt Kälte zu erzeugen. Typischerweise liegt die Temperatur des expandierten zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids 5 in dem Bereich von 80 bis 120°K. Die Expansion des zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids durch das Ventil 35 bewirkt im allgemeinen ebenfalls die Verdampfung eines Teils dieses Fluids.
  • Ein Kälte beinhaltendes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 5 wird dann durch den Wärmetauscher 150 geleitet, worin es mittels indirektem Wärmeaustausch mit Kälte erwärmt wird und vorzugsweise industrielles Gas verflüssigt, und worin es mittels indirektem Wärmeaustausch mit sich abkühlendem und vorzugsweise sich verflüssigendem industriellem Gas erwärmt wird und worin es durch indirekten Wärmeaustausch mit gekühltem, verdichtetem zweitem mehrkomponentigem Kühlmittelfluid erwärmt wird, um dessen weitere Kühlung zu bewirken. Resultierendes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid wird von dem Wärmetauscher 150 in einem Strom 6 durch den Wärmetauscher 130 geführt, worin es mittels indirektem Wärmeaustausch mit abkühlendem verdichtetem zweitem mehrkomponentigem Kühlmittelfluid und ebenfalls mittels indirektem Wärmeaustausch mit kühlendem industriellem Gas erwärmt wird. Das sich ergebende erwärmte zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid in einem Dampfstrom 8, der im allgemeinen bei einer Temperatur in dem Bereich von 280 bis 320°K liegt, wird zu dem Kompressor 33 zurückgeführt und der Kühlzyklus mit niedrigerer Temperatur beginnt von neuem.
  • Industrielles Gas, z. B. Stickstoff oder Sauerstoff, wird in einem Strom 10 durch den Wärmetauscher 130 geleitet, worin es mittels indirektem Wärmeaustausch mit sowohl dem sich erwärmenden ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid wie dem sich erwärmenden zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid gekühlt wird. Das resultierende industrielle Gas wird anschließend in einem Strom 111 von dem Wärmetauscher 130 durch den Wärmetauscher 150 geleitet, worin es gekühlt und vorzugsweise mittels indirek tem Wärmeaustausch mit sich erwärmendem expandiertem zweitem mehrkomponentigem Kühlmittelfluid verflüssigt wird, um gekühltes und vorzugsweise verflüssigtes industrielles Gas 12 zu erzeugen. Obgleich nicht dargestellt sollte sich verstehen, dass das verflüssigte Gas 12 bei einem erhöhten Druckpegel vorliegen kann. Somit könnte es anschließend expandiert und phasengetrennt werden, sodass die Niederdruckflüssigkeit zu einem Speicher oder zu einer Verwendungsstelle geleitet werden würde, während das Niederdruckgas durch die Wärmetauscher 150 und 130 wiedererwärmt und mit Einsatzgas 10 an dem warmen Ende rekombiniert werden würde. Wie beim Stand der Technik wohlbekannt kann das Niederdruckgas eine gewisse Verdichtung erfordern, um seine Hinzufügung zu dem Einsatzgas 10 zu ermöglichen.
  • Für den Fachmann versteht sich, dass die Erfindung mit mehr als den in den Zeichnungen dargestellten zwei Kühlkreisläufen verwendet werden kann. Zum Beispiel kann die Erfindung mit einem System mit drei oder mehreren Kühlkreisläufen angewendet werden. In solchen Situationen könnten die ersten und zweiten Mehrkomponenten-Kühlmittel-Kreisläufe dieser Erfindung zwei Kreisläufe mit oberer Temperatur, zwei Kreisläufe mit unterer Temperatur oder zwei Kreisläufe mit Zwischentemperatur sein.
  • In 1 wird ein einzelner hartgelöteter Aluminiumkernwärmetauscher 100 mit zwei Abschnitten 130 und 150 verwendet. Der obere oder wärmere Temperaturabschnitt 130 weist fünf Durchläufe und der untere oder kühlere Temperaturabschnitt 150 weist drei Durchläufe auf. Das sich erwärmende expandierte erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid dient dazu, das industrielle Gas direkt zu kühlen, zusätzlich zu der Kühlung des verdichteten ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids und des verdichteten zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids im Zusammenhang mit dem oberen Abschnitt 130 des einzelnen Kernwärmetauschers 100.
  • 2 illustriert eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die fünf Wärmetauscher verwendet und ebenfalls das Kühlen des industriellen Gases mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem sich erwärmenden expandierten ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid beinhaltet. Diese fünf Wärmetauscher sind mit 45, 46, 47, 48 und 49 bezeichnet. In der in 2 illustrierten Ausführungsform wird das industrielle Gas zuerst einer Kühlung bei einer niedrigeren Temperatur als dem Wärmeaustausch mit der höchsten Temperatur unterzogen, d. h. in dem Wärmetauscher 46, zu welchem der Strom 23 geführt wird, der als der Strom 24 austritt, und zu dem ebenso der Strom 5 geführt wird, der als Strom 107 austritt. Zu dem Wärmetauscher 46 wird auch ein zweiter mehrkomponentiger Kühlmittelfluidstrom 2 geleitet, der daraus als ein Strom 3 austritt. Die die Fluidströme identifizierenden Bezugszeichen und die weitere Ausrüstung für diese Ausführungsform sind für die allgemeinen Elemente die gleichen wie diejenigen der in 1 illustrierten Ausführungsform und werden nicht erneut ausführlich beschrieben werden.
  • Die in 2 illustrierte Ausführungsform der Erfindung verwendet eine Flüssigkeitsexpansion an Stelle von oder zusätzlich zu der Drosselung von verdichtetem gekühltem zweitem mehrkomponentigem Kühlmittelfluid, um Kälte zu erzeugen. Nun auf 2 Bezug nehmend ist ein weiter abgekühltes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 4 ein Zweiphasenstrom und dieser wird in einen Phasenseparator 50 geleitet. Dampf 51 von dem Phasenseparator 50 wird durch ein Ventil 52 gedrosselt, um durch den Joule-Thomson-Effekt Kälte zu erzeugen. Flüssigkeit 53 von dem Phasenseparator 50 wird zur Erzeugung von Kälte durch eine Flüssigkeitsturbine 54 turboexpandiert. Die zwei sich ergebenden Ströme 55 und 56 werden kombiniert, um ein Kälte beinhaltendes expandiertes zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 57 auszubilden, das erwärmt wird, um die Kühlung des verdichteten zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids und die Kühlung und vorzugsweise die Verflüssigung des industriellen Gases auf eine Weise zu bewirken, die ähnlich zu der zuvor beschriebenen ausfällt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkohlenstoffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkohlenstoffen und Fluorkohlenwasserstoffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkohlenstoffen und atmosphärischen Gasen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkohlenstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen.
  • Obgleich das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid, das in der Praxis dieser Erfindung nützlich ist, andere Komponenten wie z. B. Chlorfluorkohlenwasserstoffe und/oder Kohlenwasserstoffe enthalten kann, enthält das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid vorzugsweise keine Chlorfluorkohlenwasserstoffe. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid keine Kohlenwasserstoffe, und am bevorzugtesten enthält das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid weder Chlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe. Am bevorzugtesten ist das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd, und am bevorzugtesten ist jede Komponente des ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids entweder ein Fluorkohlenstoff, ein Fluorkohlenwasserstoff, ein Fluorether oder ein atmosphärisches Gas.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkohlenstoffen und atmosphärischen Gasen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkohlenstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen.
  • Das zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid enthält weder Chlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe. Am bevorzugtesten ist das zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd und am bevorzugtesten ist jede Komponente des zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid entweder ein Fluorkohlenstoff ein Fluorkohlenwasserstoff ein Fluorether oder ein atmosphärisches Gas.
  • Die Erfindung erweist sich bei der effizienten Bewerkstelligung kryogener Temperaturen aus Umgebungstemperaturen als besonders vorteilhaft. Die Tabellen 1–4 führen bevorzugte Beispiele von ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid-Gemischen an, die in der Praxis dieser Erfindung nützlich sind. Die in den Tabellen 1–4 angegebenen Konzentrationsbereiche sind in Molprozent.
  • Tabelle 1
    Figure 00080001
  • Tabelle 2
    Figure 00080002
  • Tabelle 3
    Figure 00080003
  • Tabelle 4
    Figure 00080004
  • Die Tabellen 5–10 führen bevorzugte Beispiele von zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid-Gemischen an, die in der Praxis dieser Erfindung nützlich sind. Die in den Tabellen 5–10 angegebenen Konzentrationsbereiche sind in Molprozent.
  • Tabelle 5
    Figure 00090001
  • Tabelle 6
    Figure 00090002
  • Tabelle 7
    Figure 00090003
  • Tabelle 8
    Figure 00100001
  • Tabelle 9
    Figure 00100002
  • Tabelle 10
    Figure 00100003
  • Die Erfindung ist für die Bereitstellung von Kälte über einen breiten Temperaturbereich und insbesondere einen Temperaturbereich hinweg, der kryogene Temperaturen umfasst, besonders nützlich. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die zwei oder mehreren Komponenten von entweder dem ersten oder dem zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelgemisch oder von beiden Gemischen einen normalen Siedepunkt auf, 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 Kühlmittelgemisch unterscheidet. Dies verbessert die Effektivität der Bereitstellung von Kälte über einen weiten Temperaturbereich und insbesondere einen Temperaturbereich hinweg, der kryogene Temperaturen umfasst. Der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des ersten und/oder zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids ist um mindestens 100°K und am bevorzugtesten um mindestens 200°K höher als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente dieses mehrkomponentigen Kühlmittelfluids.
  • Die Komponenten und ihre Konzentrationen, welche die ersten und die zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluide ausmachen, sind in der Praxis dieser Erfindung nützlich, um z. B. ein mehrkomponentiges Kühlmittelfluid für veränderliche Last auszubilden und um ein derartiges veränderliches Lastmerkmal vorzugsweise über den gesamten Temperaturbereich des Verfahrens der Erfindung aufrechtzuerhalten. Dies verbessert die Effizienz, mit der die Kälte erzeugt und über einen derart weiten Temperaturbereich hinweg verwendet werden kann, deutlich. Die definierte bevorzugte Gruppe von Komponenten weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass sie für die Ausbildung von Fluidgemischen verwendet werden kann, die nicht toxisch, nicht entflammbar und nur gering oder nicht ozonabreichernd sind. Dies stellt zusätzliche Vorteile gegenüber konventionellen Kühlmitteln bereit, die typischerweise toxisch, entflammbar und/oder ozonabreichernd sind.
  • Ein bevorzugtes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid für veränderliche Last, das als das in der Praxis dieser Erfindung nützliche erste und/oder zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid verwendet werden kann und 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.
  • Zum Beispiel kann die Erfindung zum Kühlen oder zum Kühlen und Verflüssigen von zwei oder mehreren industriellen Gasströmen anstatt des in Zeichnungen dargestellten einzelnen industriellen Gasstroms benutzt werden.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Kühlen eines industriellen Gases, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein erstes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid komprimiert wird; (B) das komprimierte erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid gekühlt wird und das gekühlte komprimierte erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid expandiert wird, um Kälte zu erzeugen; (C) das expandierte erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem komprimierten ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid erwärmt wird, um das Kühlen des komprimierten ersten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids zu bewirken; (D) ein zweites mehrkomponentiges Kühlmittelfluid komprimiert wird, welches mindestens eine erste Komponente und mindestens ein atmosphärisches Gas enthält; (E) das expandierte erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem komprimierten zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid erwärmt wird, um das komprimierte zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid zu kühlen; (F) das gekühlte komprimierte zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid weiter gekühlt wird und das weiter gekühlte zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid expandiert wird, um Kälte zu erzeugen; (G) das expandierte zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem komprimierten zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid erwärmt wird, um das weitere Kühlen des komprimierten zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids zu bewirken; und (H) das expandierte zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit industriellem Gas erwärmt wird, um das industrielle Gas zu kühlen; dadurch gekennzeichnet, dass das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid mindestens eine erste aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente und mindestens eine zu der ersten Komponente unterschiedliche zweite Komponente aufweist, die aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und die mindestens eine erste Komponente des zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids mindestens eine aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente ist, wobei das zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid weder Chlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe enthält, und wobei der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids mindestens 100 K höher liegt als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gekühlte industrielle Gas als Flüssigkeit vorliegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner das industrielle Gas mittels indirektem Wärmeaustausch mit expandiertem erstem mehrkomponentigen Kühlmittelfluid gekühlt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Expansion des weiter gekühlten zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids um eine Joule-Thomson-Expansion handelt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei der Expansion des weiter gekühlten zweiten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids mindestens zum Teil um eine Turboexpansion handelt.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid mindestens eine aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente und mindestens ein atmosphärisches Gas aufweist.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste mehrkomponentige Kühlmittelfluid mindestens einen Fluorether und mindestens eine aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente aufweist.
  8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid mindestens zwei aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe ausgewählte Komponenten und mindestens zwei atmosphärische Gase aufweist.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und/oder das zweite mehrkomponentige Kühlmittelfluid mindestens zwei 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 ausgewählte Komponenten aufweist.
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