EP3948122A1 - Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases - Google Patents

Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases

Info

Publication number
EP3948122A1
EP3948122A1 EP20713167.3A EP20713167A EP3948122A1 EP 3948122 A1 EP3948122 A1 EP 3948122A1 EP 20713167 A EP20713167 A EP 20713167A EP 3948122 A1 EP3948122 A1 EP 3948122A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
gas
work
compression
subjected
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20713167.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Bauer HEINZ
Martin Kamann
Friderike KAMMERMAIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP3948122A1 publication Critical patent/EP3948122A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/005—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by expansion of a gaseous refrigerant stream with extraction of work
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0027—Oxides of carbon, e.g. CO2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F25J1/0055—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream originating from an incorporated cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/007—Primary atmospheric gases, mixtures thereof
    • F25J1/0072—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0085—Ethane; Ethylene
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0087—Propane; Propylene
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0095—Oxides of carbon, e.g. CO2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0212—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a single flow MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0214—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0214—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F25J1/0215—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle with one SCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0214—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F25J1/0215—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle with one SCR cycle
    • F25J1/0216—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle with one SCR cycle using a C3 pre-cooling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0217—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as at least a three level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
    • F25J1/0235—Heat exchange integration
    • F25J1/0242—Waste heat recovery, e.g. from heat of compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0263—Details of the cold heat exchange system using different types of heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F25J1/0268—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer using a dedicated refrigeration means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0274—Retrofitting or revamping of an existing liquefaction unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
    • F25J1/0283—Gas turbine as the prime mechanical driver
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
    • F25J1/0284—Electrical motor as the prime mechanical driver
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0285—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0285—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings
    • F25J1/0288—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings using work extraction by mechanical coupling of compression and expansion of the refrigerant, so-called companders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0289—Use of different types of prime drivers of at least two refrigerant compressors in a cascade refrigeration system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/029—Mechanically coupling of different refrigerant compressors in a cascade refrigeration system to a common driver
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/80—Hot exhaust gas turbine combustion engine
    • F25J2240/82—Hot exhaust gas turbine combustion engine with waste heat recovery, e.g. in a combined cycle, i.e. for generating steam used in a Rankine cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2260/00—Coupling of processes or apparatus to other units; Integrated schemes
    • F25J2260/02—Integration in an installation for exchanging heat, e.g. for waste heat recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/12—External refrigeration with liquid vaporising loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/60—Closed external refrigeration cycle with single component refrigerant [SCR], e.g. C1-, C2- or C3-hydrocarbons

Definitions

  • the present invention relates to a method for liquefying a gas, in particular natural gas, and a corresponding installation according to the respective preambles of the independent claims.
  • mixed refrigerants can be used in natural gas liquefaction
  • different hydrocarbon components and nitrogen are used.
  • one, two or even three mixed refrigerant circuits can be used (Single Mixed Refrigerant, SMR; Dual Mixed Refrigerant,
  • C3MR Propane pre-cooling
  • Natural gas and corresponding other gas mixtures can in particular contain more than 70, preferably more than 90 mol percent methane and in the remainder (among other things)
  • non-hydrocarbon gases such as nitrogen and acid gases.
  • Hydrocarbons such as ethane, propane, butane, etc. are preferably contained less than 10 mole percent. For example, such higher hydrocarbons can be removed upstream of the actual liquefaction.
  • the natural gas or another gas mixture used is preferably essentially free of water and / or carbon dioxide.
  • Processes for liquefying natural gas are energy-intensive. Depending on the technology selected, between 5 and 15% of the energy contained in the feed gas is used internally to generate the required cooling. Increased process efficiency often leads to additional investments, since technically more sophisticated systems have to be used.
  • Simple systems include the recovery of waste heat in the form of process heat, e.g. in a hot oil system, which transfers the heat from the turbine exhaust gas to reboilers in regeneration columns in amine scrubbing, for example,
  • Regenerating gas heaters for dryers or any other heat users at the appropriate temperature level Regenerating gas heaters for dryers or any other heat users at the appropriate temperature level.
  • More complex waste heat recovery systems include a closed one
  • the steam generated by the waste heat can be expanded to perform work in a steam turbine.
  • Any desired refrigeration cycle compressors can be driven with a corresponding steam turbine, including, for example, those of pre-cooling circuits with e.g. Propane, carbon dioxide or ammonia as refrigerants.
  • a gas turbine support for the main compressor is also possible.
  • the present invention proposes a method and a system with the features of the independent claims. Refinements of the present invention are each the subject of the dependent claims and the description below.
  • a method for liquefying a gas wherein the gas is subjected to a heat exchange with a refrigerant and at least part of the refrigerant is subjected to a compression after the heat exchange with the gas, in which the refrigerant can in particular at least partially be evaporated is subjected to a partial or complete liquefaction using a drive generating waste heat.
  • a refrigerant circuit is used, which includes the known steps of heating and evaporation (against the fluid to be cooled, here the gas to be liquefied), recompression (using the drive generating waste heat) and (partial) condensation in the circuit includes.
  • Heat exchanger but also take place via an additional refrigerant.
  • Heat exchange “with the gas” also takes place when heat is extracted from the gas via a further refrigerant and the further refrigerant is pre-cooled with the refrigerant considered here.
  • heat exchange is always used synonymously with the scientifically correct term “heat transfer” and the term “heat exchanger” is used synonymously with the term “heat exchanger”.
  • the present invention relates in particular to closed refrigerant circuits such as are known from the prior art mentioned at the beginning for liquefying natural gas.
  • a first portion of the refrigerant is subjected to heat exchange with the gas in the sense just explained, whereas a second portion of the refrigerant is successively pressurized (in the liquid state), heated (in particular overheating) using the Waste heat of the drive, and a work-performing relaxation is subjected and the partial or complete liquefaction is returned.
  • the second portion of the refrigerant is returned to the refrigerant circuit after its work-performing expansion, in which in particular an evaporation takes place, and thereby combined in particular with the first portion of the refrigerant that was previously the
  • the second portion can be returned to the refrigerant circuit at any point and combined with the first portion; specific positions are explained below.
  • the present invention relates to a
  • Provision of refrigeration used refrigerant circuit is used.
  • a drive of the compressor generates waste heat.
  • a gas turbine is used as the drive, so that the waste heat is provided in particular with the turbine exhaust gas that is taken from an expansion stage of the gas turbine.
  • work-performing expansion of a partial flow of the refrigerant, the aforementioned "second component” is carried out. This is both further pressurized and heated before the work-performing expansion so that the refrigerant is able to absorb the waste heat contained in the turbine exhaust gas of the gas turbine or another waste heat transfer medium. That warmed
  • overheated refrigerant which is obtained by using the waste heat
  • is used as an energy source by the work-performing relaxation so that the waste heat can be converted into another form of energy in this way.
  • the work done in the work-performing relaxation can be explained as follows be used.
  • the work-performing relaxation can also take place in two or more stages with or without intermediate overheating using the waste heat.
  • the work performed during the work-performing expansion is used to compress the same or a different refrigerant.
  • certain compressors are driven by means of the work performed during the work-performing expansion, it cannot be ruled out that other compressors can also be driven in this way.
  • the respective compressors compressing to the highest pressure are im
  • any other compressor or compressor stages that are set up for compression to a lower pressure (designated in the figures as C1, C1 A or C1 B) can also be driven via the work-performing expansion.
  • C1, C1 A or C1 B can also be driven via the work-performing expansion.
  • the work performed during the relaxation can also be used, at least in part, to drive an electrical generator in different configurations of the present invention.
  • the SMR circuits mentioned are often used, since a limited number of components are required in these and there is an appropriate thermodynamic efficiency.
  • the investment costs for a steam plant to use the turbine waste heat are not necessarily economical for a plant of this size if the possible energy savings do not compensate for the additional costs.
  • the present invention can be used particularly in such cases and creates an alternative and advantageous way of utilizing waste heat here.
  • the efficiency of an SMR process can be increased at least 10 to 15 percentage points can be improved by relieving the gas turbine used to drive the refrigerant compressor accordingly.
  • the present invention can also be used advantageously for the liquefaction of natural gas on a larger scale, for example in plants with a capacity of approx. 2 to 10 megatons per year.
  • a capacity of approx. 2 to 10 megatons per year for example in plants with a capacity of approx. 2 to 10 megatons per year.
  • the optimal speed of the various refrigerant compressors is not necessarily similar or identical, so that gears may have to be used between the individual compressors if they are to be driven by means of a common gas turbine. Even with the use of several independent gas turbines, however, there may be an imbalance in the required shaft power for each compressor. In certain situations, the present invention can be used to advantage in that the work performed during the work-performing relaxation is used to support the drive and thus imbalances in speed or power are compensated.
  • a mixed refrigerant can be used as the refrigerant in one or more mixed refrigerant circuits.
  • the refrigerant mixture typically consists of light ones
  • Hydrocarbons with one to five carbon atoms and a maximum of 20 mol percent nitrogen can be used with the mentioned SMR, but also with DMR, MFC or C3MR refrigeration circuits and other refrigeration circuits in which a pure refrigerant is used in addition to a mixed refrigerant, as are basically known from the prior art cited at the beginning .
  • a “pure substance refrigerant” is understood here to mean a refrigerant that has at least 95 mol percent, in particular at least 99 mol percent of a single hydrocarbon, in particular ethane, ethylene, propane or propylene, or another compound with a suitable vapor pressure curve such as ammonia or carbon dioxide, or substantially consists of this.
  • Pure refrigerant can in particular be that which is used in the manner explained is treated, ie from which the first and second portions are formed in the form of corresponding substreams.
  • natural gas or a gas mixture formed using natural gas for example deacidified, dried and / or natural gas freed from low-boiling hydrocarbons, especially those with three or more carbon atoms
  • natural gas or a gas mixture formed using natural gas can be used as the gas to be liquefied and / or a gas turbine can be used as the drive generating waste heat.
  • the compression of the refrigerant comprises in particular a first compression step to a first pressure level and a second compression step to a second pressure level, which is in particular above the first pressure level, the drive in the first compression step and the one in the
  • the work performed relaxation is used in the second compression step.
  • the first compression step can be reduced
  • first compressors or one or more first compressor stages Use of one or more first compressors or one or more first compressor stages, the one or more using the drive at least in part is or are driven, are carried out, and the second compression step can in particular be carried out using one or more second compressors or compressor stages, which is or are at least partially driven using the work performed in the work-performing expansion.
  • the second compression step is driven in particular without the use of the drive producing waste heat, but advantageously only using the work performed in the work-performing relaxation.
  • both compression steps can be implemented by machines that can be operated independently of one another, and no mechanical couplings are required.
  • the work performed during the work-related relaxation can also be used accordingly at any other point.
  • the refrigerant in a preferred embodiment, which is also referred to below as the "first embodiment", can at least partially the first compression step and then at least partially a first while obtaining a first liquid fraction and a first gas fraction
  • Partial liquefaction the first gas fraction in this first embodiment being at least partially subjected to the second compression step and then at least partially subjected to a second partial liquefaction while obtaining a second liquid fraction and a second gas fraction.
  • the entire refrigerant can in particular be subjected to a compression step after it has been evaporated in heat exchange with the gas to be liquefied.
  • the method can thus be used simply and without great additional effort in connection with known methods
  • Gas liquefaction can be used in which appropriate steps are provided. Reference is made to the cited prior art.
  • the first compression step is carried out in particular using a single compressor, which may be multi-stage, but does not compress the refrigerant to different pressures and which is in the
  • the second portion of the refrigerant can, after its work-performing expansion, in the first embodiment, at least partially with that in the first
  • Compression step compressed refrigerant are combined before this is cooled for the first partial liquefaction. In this way, the second part of the
  • Refrigerant is returned to the refrigerant circuit and there again the
  • the second portion of the refrigerant used according to the invention in the first embodiment can be brought in the liquid state for the subsequent relaxation from a pressure level of 10 to 40 bar to a pressure level of 60 to 120 bar.
  • Heating is carried out from a temperature level of 10 to 50 ° C to a temperature level of 200 to 400 ° C.
  • a turbine exhaust gas from a gas turbine used as a drive or another material flow at 400 to 600 ° C. can be present.
  • the work-performing relaxation takes place in particular starting from the pressure level mentioned or a higher pressure level to a pressure level of 10 to 40 bar, whereby the temperature is reduced in particular by about 30 to 100 ° C.
  • the first compression step can take place in particular to a pressure level of 10 to 40 bar and the second compression step to a pressure level of 30 to 70 bar.
  • the subsequent partial condensation steps take place in particular at a temperature level of 10 to 50 ° C.
  • the second portion of the refrigerant, which is ultimately fed to the work-performing expansion comprises in particular 40 to 80% of the first liquid fraction.
  • the second portion of the refrigerant can be partially or completely indirect before its work-performing expansion
  • Heat exchange with the second portion of the refrigerant or a part thereof are subjected to the
  • the first and the second substream can be separated from one another, and in particular on different ones
  • the first partial flow of the second portion can be at a higher temperature level in a first waste heat exchanger with a
  • Turbine exhaust gas are heated, the already partially cooled exhaust gas from the gas turbine being fed to a second waste heat exchanger, in which the second partial flow can be heated to a lower temperature level.
  • advantageous preheating for the subsequent further heating or cooling for the subsequent feed to the first gas fraction can take place after it has been compressed.
  • the second liquid fraction in the first embodiment, can be at least partially relaxed and downstream of the first
  • Compression step are combined with the refrigerant or a part thereof after a corresponding cooling before this is phase separated.
  • a heat exchanger with several sections or several heat exchangers can be used for cooling the gas in indirect heat exchange with the refrigerant, in which the first portion of the refrigerant and the second gas fraction or parts thereof are further cooled to different temperature levels and after expansion can be reheated.
  • the heat exchanger or the plurality of heat exchangers can in particular be designed as a wound tube bundle heat exchanger or as a soldered plate heat exchanger or comprise a plurality of such heat exchangers, including heat exchangers of different types.
  • the first portion of the refrigerant and the second gas fraction or parts thereof (this also applies, without explicit mentioning, to the other fluids mentioned below) at an inlet temperature level of, for example, 10 to 50 ° C as wound Heat exchangers formed heat exchangers supplied and through separate
  • Heat exchanger tubes are cooled.
  • the first portion of the refrigerant can be at a first intermediate temperature level below the heat exchanger
  • Inlet temperature levels of, for example, -20 to -60 ° C are taken, relaxed and fed back to the shell side of the heat exchanger.
  • the second gas fraction can also pass through the heat exchanger on the first
  • the liquid phase is withdrawn at a second intermediate temperature level below the first intermediate temperature level of for example -70 to -100 ° C., relaxed and fed back to the heat exchanger on the shell side.
  • the gas phase is on a third intermediate temperature level below the first intermediate temperature level of for example -70 to -100 ° C., relaxed and fed back to the heat exchanger on the shell side.
  • the gas phase is on a third intermediate temperature level below the first intermediate temperature level of for example -70 to -100 ° C., relaxed and fed back to the heat exchanger on the shell side.
  • the gas phase is on a third
  • the first portion of the refrigerant and the second gas fraction or parts thereof can also be fed to the heat exchanger together at an inlet temperature level in the above-mentioned range and cooled in common passages.
  • extraction temperature level for example, -120 to -160 ° C
  • relaxation can be carried out and the refrigerant, further cooled in this way to a temperature level of, for example, -130 to -170 ° C, is returned through separate passages and after
  • Heating to a temperature level in the range of the inlet temperature level is fed back to the compression.
  • Compression step are designed differently and using two compressor stages, namely a first compressor stage and a second
  • Compressor stage are carried out, but advantageously jointly by driven by the drive producing waste heat.
  • the first compressor stage which can also be constructed in the form of several compressor stages of a compressor, is designated throughout the figures with the reference symbol C1 A, the correspondingly designed second compressor stage with the reference symbol C1 B.
  • the second embodiment relates in particular to a DMR process.
  • two or three heat exchangers or heat exchanger sections are advantageously used, each of which can be designed as a wound heat exchanger or corresponding sections of a wound heat exchanger.
  • two or three “heat exchangers” are referred to, but this should also include corresponding sections of a common heat exchanger.
  • this involves a first, a second and a third heat exchanger in the direction of a falling temperature of the gas to be liquefied.
  • the first and second heat exchangers use the same refrigerant at different evaporation pressures and can therefore also be combined, particularly in the case of inexpensive systems, or the first heat exchanger can be dispensed with in such systems.
  • the invention also relates to such methods and systems, even if reference is not made to them separately below and the invention is described using methods and systems with three heat exchangers.
  • the first compressor stage becomes the first
  • Compression step correspondingly evaporated refrigerant flows from the first and second heat exchangers are supplied to pressure levels of, for example, 5 to 20 bar and 2 to 10 bar, respectively.
  • pressure levels for example, 5 to 20 bar and 2 to 10 bar, respectively.
  • compression to, for example, 15 to 50 bar takes place, in the second
  • the compression stage of the first compression step is compressed to, for example, 40 to 80 bar. After-cooling takes place downstream of the compression stages.
  • the first or second portion of the refrigerant mentioned several times above is formed from the fluid compressed in the first compressor stage, which in addition to the said fluid can also comprise further refrigerant.
  • the second portion comprises in particular 40 to 80%.
  • the first portion is first passed through the first heat exchanger on the pipe side, where it is cooled to a temperature level of, for example, 0 to -20 ° C.
  • a partial stream can be expanded downstream of the first heat exchanger and fed into the first heat exchanger on the shell side. This partial flow in particular represents the entire refrigerant evaporated in the first heat exchanger
  • the non-expanded rest of the first portion of the refrigerant can be used to form a further partial flow, which can be used in a separate further heat exchanger to cool the fluid compressed in the second compression stage of the first compression step and then fed to the first compression stage of the first compression step.
  • a remainder of the first portion is first passed through the second heat exchanger on the pipe side and fed into it
  • This remainder can now be expanded downstream of the second heat exchanger and fed into the second heat exchanger on the shell side. This remainder represents, in particular, all of the refrigerant evaporated in the second heat exchanger.
  • the second portion of the refrigerant can essentially be treated in the manner explained for the first embodiment and in particular fed to the refrigerant compressed in the first compressor stage of the first compression step before it is cooled and condensed. He is led in this way in a circle. That in the second compression stage of the first
  • Compression step compressed refrigerant can in particular the second
  • compression to a pressure level of 70 to 110 bar takes place.
  • the correspondingly compressed refrigerant is cooled and first through the first to third on the pipe side for further cooling
  • This refrigerant component represents, in particular, the entire refrigerant evaporated in the third heat exchanger.
  • Yet another preferred embodiment of the present invention hereinafter also referred to as "third embodiment", comprises that the first compression step is carried out using two compressors, which are now advantageously driven by two separate drives which deliver waste heat. These are largely comparable to the corresponding ones Compressor stages operated in the second embodiment and therefore have the corresponding names.
  • the third embodiment also relates to a DMR process. As in the second embodiment, two or three heat exchangers or heat exchanger sections are advantageously used, so that the above explanations continue to apply.
  • the above features and explanations with regard to the second embodiment also relate to the third embodiment, but the remainder of the first portion of the refrigerant not relaxed downstream of the first heat exchanger is optionally not used to form a further partial flow, which is used to cool the first compression step in the second compressor compressed fluid is used.
  • the second part of the refrigerant, which is ultimately expanded to provide work, is heated with the waste heat from both drives.
  • work performed in the work-performing expansion is used in addition to the drive for the compression of the same refrigerant that is also being expanded for work, and using which the first and second components are formed, although this is in the DMR -Circuits is used in different circuits.
  • work performed in the work-performing expansion is used in the compression of a further refrigerant, i.e. not the same refrigerant that is work-relieved and the first and second components are formed using this.
  • the work-relaxed refrigerant and the refrigerant used to form the first and second portions are referred to as the "first" refrigerant and the further refrigerant as the "second" refrigerant.
  • the first to third configurations are part of the previously mentioned first group of configurations in which only mixed refrigerants are used. These are SMR and DMR circuits, including those in which a mixed refrigerant is used for pre-cooling.
  • SMR and DMR circuits including those in which a mixed refrigerant is used for pre-cooling.
  • a second group of SMR and DMR circuits including those in which a mixed refrigerant is used for pre-cooling.
  • Pure substance refrigerant which is a "first" refrigerant in the sense just explained represents, in the pre-cooling circuit in a first compressor or a first
  • Compressor stage made and the compression of the mixed refrigerant in the mixed refrigerant circuit, which in this sense represents the "second" refrigerant, is carried out using a second compressor or a second compressor stage and a third compressor or a third compressor stage in the type explained below Relaxation work performed is used to drive the third compressor or the third compressor stage.
  • compressors is used below, which should also be understood to mean compressor stages.
  • the first and the second compressor (C1 A and C1 B in the figures) are driven by two separate drives, only the drive of the second compressor being involved a drive such as a gas turbine that supplies waste heat (at least to a significant and usable extent).
  • the drive of the first compressor can for example be done electrically with the generation of significantly smaller (and unusable) amounts of waste heat.
  • a soldered plate heat exchanger and a wound tube bundle heat exchanger are used to cool the gas to be liquefied.
  • two separate refrigerant circuits are implemented, namely a pure substance circuit
  • the pure substance cycle comprises the first compressor
  • the mixed refrigerant cycle comprises the second and third compressors.
  • the pure substance refrigerant of the pure substance cycle is fed to the first compressor in several partial flows, which are in particular heated against the mixed refrigerant from the second compression step and thus pre-cool the mixed refrigerant, and are compressed there. After a subsequent cooling down and
  • the first and second portions of the refrigerant are liquefied.
  • the first and second portions are thus formed from the pure substance refrigerant, the “first” refrigerant, and not the mixed refrigerant, the “second” refrigerant.
  • the first portion is first cooled, then relaxed, against the mixed refrigerant heated, and fed back to the first compressor.
  • the second part is treated as already mentioned and heated with the waste heat from the drive of the second compressor.
  • the mixed refrigerant After being pre-cooled with the pure substance refrigerant of the pure substance cycle, in particular to a temperature level of -20 to -40 ° C., the mixed refrigerant is further cooled on the pipe side in the wound heat exchanger, in particular to a
  • Embodiment "is referred to, includes that the first and the second compressor are driven by a common, waste heat producing drive.
  • work done in the work-performing expansion can be used to compress another refrigerant, with which the gas is subjected to cooling in indirect heat exchange.
  • This can be the case, for example, when using a pure substance or C3MR refrigerant circuit, or in variants of the first group of configurations.
  • a mixed refrigerant is used as the first refrigerant and nitrogen is used as the second refrigerant.
  • the first and second components are fractions of a first refrigerant, namely the mixed refrigerant, and work performed in the work-performing expansion is used in the compression of a second refrigerant, namely nitrogen.
  • the mixed refrigerant can at least partially be subjected to a first compression step and then at least partially to a first partial liquefaction while obtaining a first liquid fraction and a first gas fraction.
  • the first gas fraction can at least partially the second Compression step and then at least partially subjected to a second partial liquefaction while obtaining a second liquid fraction and a second gas fraction. Further treatment can also be identical.
  • the nitrogen becomes one in the fifth embodiment
  • the nitrogen being compressed using the work done in the work-performing expansion of the second portion of the mixed refrigerant.
  • the expansion of the nitrogen can take place in a work-performing manner, and work performed in the work-out expansion of the nitrogen can also be used in the compression of the nitrogen.
  • the compressed nitrogen is successively cooled, subjected to a first indirect heat exchange and thereby cooled, subjected to relaxation, subjected to a second indirect heat exchange and heated in the process, then subjected to the first indirect heat exchange and heated in the process, and fed back to the compression.
  • the gas subjected to partial or complete liquefaction is subcooled.
  • a further embodiment of the present invention differs from the sixth embodiment in that the compression of the nitrogen is carried out in two stages in a first and then a second compression step, the first compression step using the work-performing step Relaxation of the nitrogen work done and the second compression step using the at the
  • the invention also extends to a system for liquefying a gas, the system having means which are designed to subject the gas to cooling in indirect heat exchange with a refrigerant and to compress at least part of the refrigerant after the heat exchange with the gas using a drive generating waste heat and then subjecting it to partial or complete liquefaction.
  • the system has means which are set up for the partial or complete liquefaction to subject a first portion of the refrigerant to the heat exchange with the gas and to subject a second portion of the refrigerant successively to pressurization, heating using the waste heat of the drive and work-performing relaxation and then to partial or complete liquefaction again.
  • Figure 1 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • Figure 2 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • Figure 3 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 4 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 5 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 6 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 7 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 7A illustrates a variant of the method according to FIG.
  • FIG. 8 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 9 illustrates a method according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 1 a method according to an embodiment of the invention is illustrated using a schematic process flow diagram.
  • the process is used to liquefy a gas that is used in the process in
  • Material flow 2 is provided.
  • An overall greatly simplified heat exchanger or low-temperature part 10 is used for liquefaction. To illustrate the general applicability, the heat exchanger part 10 is shown in a greatly simplified manner.
  • Refrigerant is carried out in the form of a heated (“warm”) refrigerant flow W from the heat exchanger part 10. What remains is in a separator D1
  • Air flow A is compressed in a not separately designated compressor stage and burned with fuel F in a combustion chamber (not shown).
  • Dilution gas is expanded in an expansion stage, which is also not specifically designated, and is carried out via a heat exchanger E4 for heat recovery. It can also be a
  • Auxiliary firing take place using further fuel AF.
  • the refrigerant compressed in the compressor C1 is cooled in a heat exchanger E1, partially condensed in the process, and subjected to a phase separation in a separator D2.
  • the gas phase and the liquid phase are fed to the heat exchanger part 10 in the form of separate material flows, with a part of the liquid phase being the “first part” of the refrigerant, previously designated several times
  • Heat exchanger part 10 is supplied and another part is correspondingly increased as a "second part" in the form of a material flow R by means of a pump P1, in one Heat exchanger E3 and then heated in heat exchanger E4, then expanded to perform work in an expansion machine X1, passed through heat exchanger E3, and then combined with the refrigerant compressed in compressor C1 before it is cooled.
  • a compressor C2 is coupled to the expansion machine X1 via a gearbox G.
  • a mixed refrigerant in the form of a heated refrigerant flow W1 from the heat exchanger part 10 can be fed to the compressor C2, so that the waste heat from the gas turbine GT 1 can be used in this way.
  • Figure 1 uses the refrigerant flow W1 in addition to the refrigerant of the
  • Refrigerant flow W is a further mixed refrigerant and thus relates to a DMR circuit.
  • the use of such a further mixed refrigerant is also possible in all the embodiments of the invention explained below, even if there only one mixed refrigerant circuit, possibly with partial circuits,
  • FIG. 2 a method according to a further embodiment of the invention is illustrated using a schematic process flow diagram.
  • the heat exchanger part 10 is illustrated in more detail in FIG. This includes in particular a wound heat exchanger 11 and a separator 12, the function of which will be explained below.
  • the refrigerant flow W1 according to FIG. 1 or a comparable material flow is not provided here, so that in the specific embodiment it is an SMR circuit.
  • the refrigerant flow W is compressed here in a first compression step using a compressor C1 and in a second compression step using a compressor C2, with the drive of the first compressor C1 by means of the gas turbine GT1 and the drive of the second compressor C2 by means of the work-performing expansion Work done in relaxation machine X1 takes place.
  • the material flow W is compressed downstream of the separator D1 in the compressor C1 and then subjected to partial liquefaction in a separator D2 after cooling in a heat exchanger E1 while obtaining a first liquid fraction and a first gas fraction.
  • the unspecified first gas fraction from the separator D2 is compressed in the second compressor C2 and then subjected to partial liquefaction in a separator D3 after cooling in a heat exchanger E2 while obtaining a second liquid fraction and a second gas fraction.
  • the first liquid fraction from the separator D2 is partly in the form of the
  • Separator D2 is the heat exchanger 1 1 on a first
  • the second gas fraction can also be removed from the heat exchanger at the first intermediate temperature level, expanded and thereby partially liquefied, but with a phase separation outside the heat exchanger 11 into a
  • Liquid phase and a gas phase in the separator 12 is made.
  • the liquid phase and the gas phase formed in the separator 12 are fed back to the heat exchanger 11 separately from one another at the first intermediate temperature level and are further cooled by separate heat exchanger tubes.
  • the liquid phase is removed at a second intermediate temperature level below the first intermediate temperature level, relaxed and fed back to the heat exchanger 11 on the shell side.
  • the gas phase is on a third
  • the portion of the first liquid fraction not used in the form of the material flow R from the separator D2 and the second gas fraction from the separator D3 can be fed together to the heat exchanger 13 and cooled in common passages.
  • a pump 14 conveys the portion of the first liquid fraction used in this way to the pressure of the second gas fraction so that both fractions can be fed to the heat exchanger 13 together.
  • expansion can be carried out via a valve 15 and the refrigerant, which has been further cooled in this way, returned through separate passages and, after appropriate heating, fed back into the separator D1.
  • FIG 4 a further embodiment of the invention is illustrated in which in particular the first compression step previously carried out in the compressor C1 is designed differently and is carried out using two compressor stages (a first compressor stage C1 A and a second compressor stage C1 B). These are jointly driven by the GT1 gas turbine.
  • heat exchangers 16, 17, 18 are used, each of which is designed as a wound heat exchanger. It is in the direction of a
  • the first heat exchanger 16 can optionally
  • the first compressor stage C1A is supplied with correspondingly evaporated refrigerant flows from the first and second heat exchangers 16, 17 and compressed there.
  • a vaporized refrigerant stream from the third heat exchanger 18 is fed to the second compressor stage C1 B and is compressed there. Aftercooling takes place downstream of the compressor stages.
  • the first and second fractions of the refrigerant mentioned several times before, are made from the fluid compressed in the first compressor stage C1 A, which can also comprise further refrigerant in addition to the said refrigerant, which is taken from the separator also denoted here by D2.
  • the first portion is first passed through the first heat exchanger 16 on the pipe side and cooled there.
  • a partial flow can be expanded downstream of the first heat exchanger 16 and fed into the first heat exchanger 16 on the shell side.
  • the non-expanded rest of the first portion of the refrigerant can be used to form a further partial flow, which is used in a separate heat exchanger E5 to cool the fluid compressed in the second compressor stage C1 B of the first compression step and then fed to the first compressor stage C1 A of the first compression step can be.
  • a remainder of the first portion is first passed on the pipe side through the second heat exchanger 17 and cooled in it. This rest can now be downstream of the second
  • Heat exchanger 17 relaxed and fed into the second heat exchanger 17 on the shell side.
  • the second portion of the refrigerant can essentially be treated as previously explained in the form of the material flow R and in particular fed to the refrigerant compressed in the first compressor stage C1 A of the first compression step before it is further cooled and condensed. He is led in this way in a circle.
  • the refrigerant compressed in the second compressor stage C1 B of the first compression step can in particular be fed to the second compression step with the compressor C2 and there, in principle, be compressed as explained for the first embodiment.
  • the correspondingly compressed refrigerant is used in another
  • Heat exchanger E6 cooled and initially passed through the first to third heat exchangers 16, 17, 18 on the pipe side for further cooling. Downstream of the latter, this refrigerant component is expanded and fed into the third heat exchanger 18 on the shell side.
  • FIG. This includes that the first compression step is carried out using two compressors, which here are the better ones
  • FIG. 6 A further embodiment of the present invention is illustrated in FIG. 6 and is implemented in the form of a mixed cycle (e.g. C3MR) process which is precooled with a pure refrigerant.
  • a mixed cycle e.g. C3MR
  • the compression of a pure substance refrigerant (illustrated here by way of example as propane C3H8) in a pre-cooling circuit is carried out here in a first compressor C1 A and the compression of a mixed refrigerant in one
  • Mixture refrigerant circuit takes place using a second compressor C1 B and a third compressor C2.
  • the work done in the work-performing expansion is used to drive the third compressor C2.
  • the first and second compressors C1 A, C1 B are driven by two separate drives, only the drive of the second compressor C1 B is a drive that delivers waste heat (at least to a significant and usable extent) such as a gas turbine GT1.
  • the drive of the first compressor C1A can take place by means of a motor M, for example with the generation of significantly smaller (and unusable) amounts of waste heat.
  • a soldered plate heat exchanger 19 is used in addition to a wound heat exchanger 11 to cool the gas 1 to be liquefied.
  • the refrigerant of the pure substance cycle is heated and evaporated in several partial flows, which are heated and evaporated in particular against the mixed refrigerant from the second compression step and thus the
  • Pre-cool mixed refrigerant fed to the first compressor C1 A and compressed there. After a subsequent cooling and liquefaction, the first and second portions of the refrigerant are also formed here.
  • the first portion is first supercooled, then heated against the mixed refrigerant from the second compressor and evaporated, and fed back to the first compressor C1A.
  • the second Part R is treated as already mentioned and heated with the waste heat from the drive of the second compressor.
  • the mixed refrigerant is mixed with the refrigerant of the
  • FIG. 7 A variant of the embodiment just explained is illustrated in FIG. 7. This includes that the first and the second compressor C1 A, C1 B are driven via a common drive GT1 which produces waste heat.
  • FIG. 7A a partial flow R 'of the refrigerant flow R is not passed through the heat exchanger E3, but rather through a heat exchanger E4', which is arranged downstream of the heat exchanger E4 in the turbine exhaust gas flow of the gas turbine GT1.
  • a partial flow R 'of the refrigerant flow R is not passed through the heat exchanger E3, but rather through a heat exchanger E4', which is arranged downstream of the heat exchanger E4 in the turbine exhaust gas flow of the gas turbine GT1.
  • the precooling of the refrigerant can also be designed differently and in particular include fewer heat exchanger stages than previously shown.
  • work done in the work-performing expansion can be used to compress another refrigerant, with which the gas is subjected to cooling in indirect heat exchange. This can be done, for example, when using a pre-cooled with a pure refrigerant
  • Mixture refrigerant circuit be the case, or in further variants of the invention, which are illustrated in Figures 8 and 9.
  • these further brazed plate heat exchangers 19A and 19B are used, which are made using a
  • Nitrogen cycle are operated.
  • the treatment of the mixed refrigerant results directly from FIGS. 8 and 9 and the above explanations and takes place essentially analogously to, for example, FIG. 3, but here the compressors C1 and C2 are operated using the gas turbine GT1.
  • the nitrogen of the nitrogen cycle is subjected to an expansion machine X2 and a compression in a compressor C3, the compression of the nitrogen taking place in the expansion machine X1 using the work performed during the work-performing expansion of the second portion of the mixed refrigerant.
  • the nitrogen is released
  • Compressors C3 are mechanically coupled here.
  • the compressed nitrogen is successively cooled, subjected to a first indirect heat exchange in the heat exchanger 19B and thereby cooled, subjected to relaxation, a second indirect heat exchange in the
  • a heat exchanger E7 is provided for after-cooling the nitrogen in the nitrogen circuit downstream of the compressor C3.
  • the present invention provides a method for collecting or recovering waste heat that is generated in a gas liquefaction process, comprising liquefying a gas by a heat exchange process using a refrigerant fluid, compressing the used refrigerant fluid from the liquefaction process by a method that uses excess heat generated, the liquefaction of at least a part of the compressed refrigerant fluid, the pumping of a part of the liquefied compressed refrigerant fluid to a higher pressure, the heating of the part of the liquefied compressed refrigerant fluid at a higher pressure by absorbing the excess heat generated by the compression of the used refrigerant fluid whereby the part of the compressed refrigerant fluid is superheated with higher pressure, and using the superheated compressed refrigerant fluid to supply a mechanical process.
  • Refrigerant circuit is used for the cryogenic process of liquefying natural gas.
  • the present invention uses a compressor in the refrigerant circuit, the compressor being driven by a gas turbine or similar energy source which generates waste heat when generating power to operate the compressor.
  • the present invention employs a working expander, with the fluid circuit for the working expander being used to absorb the waste heat from the gas turbine or similar power source that drives the compressor in the refrigerant circuit.
  • the fluid circuit for the working expander being used to absorb the waste heat from the gas turbine or similar power source that drives the compressor in the refrigerant circuit.
  • Fluid circuit for the working expander both pressurized and heated, so that the fluid circuit can absorb the waste heat present in the exhaust gas flow of the gas turbine or other waste heat from the power source that drives the compressor in the refrigeration cycle.
  • Energy source used to drive the work expander.
  • Fluid circuit for the working expander fluid also used for the
  • Refrigerant circuit used used.
  • a second compressor is also used in the refrigerant circuit, the second compressor being driven by the working expander. Accordingly, this
  • the refrigerant fluid that is used in the cryogenic process for liquefaction for natural gas also used to absorb waste heat that is generated to drive the first compressor to provide power to drive the working expander, which in turn drives the second compressor to the To compress refrigerant fluid further.
  • this embodiment of the present invention offers advantages over other systems for detecting waste heat energy.
  • this embodiment of the present invention does not require the introduction of additional working fluids such as e.g. Water, nor the addition of other liquids (e.g. steam, ammonia, propane, etc.) in closed circuits.
  • Compressors C1 and C2 are driven by a single gas turbine GT1.
  • a cryogenic part of the process liquefies the natural gas through a heat exchange process with a mixed refrigerant.
  • the mixed refrigerant In the natural gas liquefaction process, the mixed refrigerant is compressed, cooled and partially liquefied before it is recycled in the cryogenic process.
  • Mixed refrigerant discharged by the cryogenic part can be collected in a container D1, which then flows into the first compressor C1 and the
  • Heat exchanger E1 is conducted. In a corresponding two-stage
  • the liquid portion of the first compressor C1 and a heat exchanger E1 is collected in a storage tank D2, with the vapor portion of the first compressor C1 is fed into the second stage of the process via the second compressor C2 and a heat exchanger E2.
  • the resulting portion is combined from the second compressor C2 and the heat exchanger E2 and collected in a container D3.
  • Fractions can be fed into the cryogenic part to remove the
  • FIG. 2 illustrates one embodiment of the present invention in one
  • Natural gas liquefaction process that uses a single mixed refrigerant (SMR) with a two-stage SMR compression process.
  • the second compressor C2 is driven by a working expander X1 instead of a gas turbine.
  • the working expander X1 is driven by superheated fluid which is supplied from a heat exchanger E4.
  • the liquid released by the working expander X1 is cooled by an economizer or waste heat exchanger E3 and then combined with the refrigerant generated by the first compressor C1.
  • the combined liquids are then further cooled by a heat exchanger E1 or the like and collected in a container D2.
  • Heat exchanger E3 promoted.
  • the cooled fluid pumped into the waste heat exchanger E3 is heated and then passed into the heat exchanger E4.
  • Heat exchanger E4 is in fluid connection with the warm exhaust gas from the gas turbine GT 1, which drives the first compressor C1.
  • the heat exchanger E4 uses the heat from the exhaust gas from the gas turbine GT1 in order to overheat the heated liquid from the waste heat exchanger E3 that is fed to the heat exchanger E4.
  • the superheated fluid from the heat exchanger E4 is then passed into the working expander X1 to drive the second compressor C2.
  • cryogenic portion can be designed with coil heat exchangers (CWHEs), brazed plate heat exchangers (PFHEs), or a combination thereof.
  • CWHEs coil heat exchangers
  • PFHEs brazed plate heat exchangers
  • Figure 3 is an illustration of an embodiment of the present invention below
  • the high pressure flow of the pump P1 is then heated by a waste heat exchanger E3 and fed to the superheater E4.
  • Waste heat exchanger E3 to at least 180 ° C, preferably at least 200 ° C.
  • the hot gas from the superheater E4 is then fed into the working expander X1 and reduced to a pressure which is slightly above the operating pressure of the store D2.
  • the pressure of the stream leaving the working expander X1 is high enough to overcome the pressure drop in heat exchangers E3 and E1 which are still encountering the pressure in D2.
  • the stream exiting from the working expander X1 is then cooled and at least partially condensed by the economizer E3 and the heat exchanger E1 and then returned to the store D2.
  • the one generated by the work expander X1 is then cooled and at least partially condensed by the economizer E3 and the heat exchanger E1 and then returned to the store D2.
  • Shaft power is used to drive compressor C2 to compress the refrigerant which is then stored in accumulator D3 and then fed into the cryogenic part of the process.
  • the pressure ratio of at least three times the suction pressure in container D2, which is generated by pump P1 leads to a similar, only slightly lower pressure ratio in work performing X1, which is a preferred working range for is a working expander.
  • Work expander X1 can be kept under a pressure of 100 bar, which allows an inexpensive mechanical construction.
  • the increased pressure generated by the pump P1 ensures that the working expander X1 receives an inlet pressure that is well above the critical pressure of the fluid, thus avoiding two-phase effects within the fluid.
  • the refrigerant is used in the process for two processes, the natural gas liquefaction process in the cryogenic area and the process of recovering the waste heat generated by the gas turbine to drive the refrigerant compression process. Further improvements can be made to the present invention to improve the performance of the present invention.
  • the performance of the labor expander X1 can be increased by additional firing of an additional heat source in the flue gas ducts of the gas turbine GT1.
  • the work-performing expansion performed by the work-performing expander X1 can be broken down into successive steps, with or without the need to reheat the working fluid at will.
  • the shaft power generated by the working expander X1 could be used to drive other processes, such as a power generator, feed gas compression, end-of-line flash gas compression, any type of refrigerant compression, or any other service that requires electricity.
  • the entire cooling system will have at least one refrigerant which consists either of a pure component or a mixture of components, wherein the refrigerant can be at least partially condensed at ambient temperature in one embodiment of the invention.
  • the allowable refrigerant components could include nitrogen and light paraffinic or olefinic hydrocarbons from C1 to C5 (such as CH4, C2H4, C2H6, C2H6, C3H6, C3H8, iC4H10, nC4H10, nC4H10, iC5H12, nC5H12, nC5H12, etc.) .
  • the cooling system can also contain more than one circuit, the additional circuits being pure refrigerant circuits and / or mixed refrigerant circuits and / or gas expansion circuits.
  • the configuration decouples a high pressure compressor C2 from the low pressure compressors C1A, C1B, which are driven by a common shaft which is driven by the gas turbine GT1.
  • This embodiment of the present invention also obviates the need for a transmission which would be required to operate compressor C2 at a higher pressure and operating speed when compressor C2 has a similar capacity to compressor C1 A or C1 B.
  • Figure 5 is an embodiment of the present invention using a dual mixture refrigerant configuration (DMR) with three coil heat exchangers (CWHEs) in the cryogenic part, the compressors C1 A and C1 B being driven by independent gas turbines GT 1 A and GT 1 B, with the waste heat of the two gas turbines GT 1 A and GT1 B is used in the heat exchangers E4A and E4B in order to superheat the liquid fed into the working machines X1.
  • DMR dual mixture refrigerant configuration
  • CWHEs coil heat exchangers
  • Figure 6 is an embodiment of the present invention using a C3MR (propane precooled mixed refrigerant) configuration with a single coil heat exchanger (CWFIEs) in the cryogenic compartment.
  • the compressors C1 A and C1 B are driven by independent power mechanisms, with the waste heat from the gas turbine GT 1, which drives the compressor C1 B, being used to superheat the fluid supplied to the working expander X1.
  • the embodiment shown in Figure 8 would use a suitable fluid such as propane, propylene or other hydrocarbons for the pre-cooling process
  • the compressors C1 A and C1 B can be driven by a common gas turbine GT 1.
  • the additional circuits can be pure refrigerant circuits, mixed refrigerant circuits and / or gas expansion circuits.
  • one or more gas turbines can be operated in parallel or in series in other configurations.
  • an alternative application of the present invention for a gas liquefaction process with a two-stage cryogenic process for example, an alternative application of the present invention for a gas liquefaction process with a two-stage cryogenic process.
  • a mixed refrigerant circuit is used for precooling and liquefaction and a gas expansion process is used for subcooling the natural gas in separate stages of the cryogenic process.
  • the invention comprises a method for separating waste heat that is generated in a gas liquefaction process, comprising liquefying a gas by using a heat exchange process a refrigerant fluid, compressing the used refrigerant fluid from the liquefaction process by a method that generates excess heat, liquefying at least a portion of the compressed refrigerant fluid, pumping a portion of the liquefied compressed refrigerant fluid to a higher pressure, heating the portion of the liquefied compressed refrigerant fluid at higher pressure by capturing the excess heat generated by the compression of the spent refrigerant fluid, thereby reducing the part of the compressed
  • Refrigerant fluid is superheated at higher pressure, and using the superheated compressed refrigerant fluid to perform a mechanical process.
  • a method for recovering waste heat that is generated in a gas liquefaction process is provided according to the first aspect, further comprising that the mechanical process represents a further compression of the compressed refrigerant fluid.
  • a method for recovering waste heat that is generated in a gas liquefaction process is provided according to the first aspect, wherein the mechanical process is furthermore the operation of a working expander.
  • a method for recovering waste heat generated in a gas liquefaction process according to the 3rd aspect further comprising heating the part of the liquefied compressed
  • a method for recovering waste heat that is generated in a gas liquefaction process is provided according to the fourth aspect, wherein furthermore the fluid from the working expander used in the heat exchange is combined with the liquefied, compressed refrigerant fluid.
  • a method for recovering waste heat that is generated in a gas liquefaction process is provided according to the third aspect, further comprising that the mechanical process represents a further compression of the compressed refrigerant fluid.
  • a method for recovering waste heat that is generated in a gas liquefaction process is provided according to the 6th aspect, further comprising that the further compression refrigerant fluid is the refrigerant fluid in the liquefaction step.
  • a method for recovering waste heat that is generated in a gas liquefaction method is provided according to the 1st aspect, further comprising that the mechanical method generates electrical energy.
  • a method for recovering waste heat that is generated in a gas liquefaction process is provided according to the 1st aspect, further comprising that the heating of the part of the liquefied compressed refrigerant fluid at higher pressure, the auxiliary firing of an additional heat source in the is captured excess heat generated by the compression of the spent refrigerant fluid.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Gases, wobei das Gas im indirekten Wärmetausch mit einem Kältemittel einer Abkühlung unterworfen wird und zumindest ein Teil des Kältemittels nach dem Wärmetausch mit dem Gas einer Verdichtung unter Verwendung eines Abwärme erzeugenden Antriebs (GT1) sowie einer teilweisen oder vollständigen Verflüssigung unterworfen wird. Nach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung wird ein erster Anteil des Kältemittels dem Wärmetausch mit dem Gas unterworfen und ein zweiter Anteil des Kältemittels wird nacheinander einer Druckbeaufschlagung, einer Erwärmung unter Verwendung der Abwärme des Antriebs (GT1) und einer arbeitsleistenden Entspannung unterworfen und danach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung wieder zugeführt. Eine entsprechende Anlage ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.

Description

Beschreibung
Verfahren und Anlage zum Verflüssigen eines Gases
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Gases, insbesondere von Erdgas, und eine entsprechende Anlage gemäß den jeweiligen Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Verfahren und Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas sind bekannt und beispielsweise im Artikel "Natural Gas" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry,
Onlinepublikation 15. Juli 2006, DOI: 10.1002/14356007.a17_073.pub2, insbesondere Abschnitt 3, "Liquefaction", oder bei Wang und Economides, "Advanced Natural Gas Engineering", Gült Publishing 2010, DOI: 10.1016/C2013-0-15532-8, insbesondere Kapitel 6, "Liquefied Natural Gas (LNG)", beschrieben.
Insbesondere können bei der Erdgasverflüssigung Gemischkältemittel aus
unterschiedlichen Kohlenwasserstoffbestandteilen und Stickstoff zum Einsatz kommen. Beispielsweise können dabei ein, zwei oder sogar drei Gemischkältemittelkreisläufe eingesetzt werden (engl. Single Mixed Refrigerant, SMR; Dual Mixed Refrigerant,
DMR; Mixed Fluid Cascade, MFC). Auch Gemischkältemittelkreisläufe mit
Propanvorkühlung (C3MR) oder allgemeiner unter Verwendung eines
Reinstoffkältemittels (siehe unten) sind bekannt.
Wenngleich die vorliegende Erfindung nachfolgend überwiegend unter Bezugnahme auf die Verflüssigung von Erdgas beschrieben wird, eignen sich die vorgeschlagenen Maßnahmen grundsätzlich auch zur Verflüssigung anderer Gasgemische. Erdgas und entsprechende andere Gasgemische können insbesondere mehr als 70, vorzugsweise mehr als 90 Molprozent Methan und im verbleibenden Rest (unter anderem)
Nichtkohlenwasserstoffgase wie Stickstoff und Sauergase aufweisen. Auch höhere Kohlenwasserstoffe, insbesondere Ethan, können enthalten sein. Höhere
Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan usw. sind vorzugsweise zu weniger als 10 Molprozent enthalten. Beispielsweise können derartige höhere Kohlenwasserstoffe stromauf der eigentlichen Verflüssigung entfernt werden. Ein zur Verflüssigung eingesetztes Erdgas oder ein anderes Gasgemisch ist vorzugsweise im Wesentlichen frei von Wasser und/oder Kohlendioxid.
Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas sind energieintensiv. Je nach gewählter Technologie werden zwischen 5 und 15% der im Speisegas enthaltenen Energie intern verbraucht, um die erforderliche Kälte zu erzeugen. Eine erhöhte Prozesseffizienz führt häufig zu zusätzlichen Investitionen, da technisch anspruchsvollere Systeme eingesetzt werden müssen.
Große Kältekreislaufverdichter werden meist von Gasturbinen angetrieben, die nur 30 bis 45% der Energie des Brenngases, d.h. seines Heizwerts, in mechanische
Wellenleistung umsetzen. Der Rest, d.h. 55 bis 70% der Energie, geht verloren, wenn die Abwärme des Turbinenabgases nicht genutzt wird.
Für die Nutzung der Abwärme von Turbinenabgasen existieren unterschiedliche Konzepte. Einfache Systeme umfassen die Rückgewinnung der Abwärme in Form von Prozesswärme, z.B. in einem Heißölsystem, das die Wärme aus dem Turbinenabgas beispielsweise auf Reboiler von Regenerationskolonnen in Aminwäschen,
Regeneriergasheizungen für Trockner oder beliebige andere Wärmenutzer auf entsprechendem Temperaturniveau überträgt.
Komplexere Abwärmenutzungssysteme umfassen einen geschlossenen
Dampfkreislauf. Der durch die Abwärme erzeugte Dampf kann in einer Dampfturbine arbeitsleistend entspannt werden. Mit einer entsprechenden Dampfturbine können beliebige Kältekreislaufverdichter angetrieben werden, darunter beispielsweise solche von Vorkühlkreisläufen mit z.B. Propan, Kohlendioxid oder Ammoniak als Kältemittel. Auch eine Unterstützung einer Gasturbine für den Hauptverdichter ist möglich.
Es besteht insgesamt der Wunsch nach der Erhöhung des Wirkungsgrads in der Erdgasverflüssigung und anderen Gasverflüssigungsverfahren ohne die aufwendige Installation eines Kreislaufs auf Basis eines zusätzlichen Arbeitsfluids wie Dampf. Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Anlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Gases vorgeschlagen, wobei das Gas einem Wärmetausch mit einem Kältemittel unterworfen wird und zumindest ein Teil des Kältemittels nach dem Wärmetausch mit dem Gas, bei dem das Kältemittel insbesondere zumindest teilweise verdampft werden kann, einer Verdichtung unter Verwendung eines Abwärme erzeugenden Antriebs sowie einer teilweisen oder vollständigen Verflüssigung unterworfen wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also ein Kältemittelkreislauf eingesetzt, der die an sich bekannten Schritte Erwärmung und Verdampfung (gegen das abzukühlende Fluid, hier das zu verflüssigende Gas), Rückverdichtung (unter Verwendung des Abwärme erzeugenden Antriebs) und (Teil-) Kondensation im Kreislauf umfasst.
Generell sei nachfolgend immer dann, wenn von einer "Verdampfung" die Rede ist, eine teilweise oder vollständige Verdampfung gemeint. Entsprechend soll auch unter einer "Kondensation" eine teilweise oder vollständige Kondensation verstanden werden, auch wenn dies jeweils nicht explizit angegeben ist. Der Wärmetausch des Kältemittels "mit dem Gas" kann dabei in Form eines indirekten Wärmetauschs zwischen dem Gas und dem Kältemittel ohne ein zwischengeschaltetes weiteres Kältemittel, d.h. über eine gemeinsame Wärmeaustauschfläche eines
Wärmetauschers, aber auch über ein zusätzliches Kältemittel erfolgen. Ein
Wärmetausch "mit dem Gas" findet also auch statt, wenn dem Gas über ein weiteres Kältemittel Wärme entzogen wird und das weitere Kältemittel mit dem hier betrachteten Kältemittel vorgekühlt wird. Der Begriff des "Wärmetauschs" wird hier stets synonym mit dem wissenschaftlich korrekteren Begriff "Wärmeübertragung" und der Begriff "Wärmetauscher" wird synonym mit dem Begriff "Wärmeübertrager" verwendet.
Wie insoweit ebenfalls bekannt, kann die Erwärmung und Verdampfung, die
Rückverdichtung und die (Teil-) Verflüssigung in Form beliebiger (Druck- oder
Temperatur-) Stufen oder in Form mehrerer Teilströme parallel zueinander erfolgen, wobei entsprechende Teilströme an beliebigen Stellen miteinander vereinigt oder aus einem Ausgangsstrom gebildet werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft dabei insbesondere geschlossene Kältemittelkreisläufe, wie sie zur Verflüssigung von Erdgas aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekannt sind.
Erfindungsgemäß wird nach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung des Kältemittels ein erster Anteil des Kältemittels dem Wärmetausch mit dem Gas im soeben erläuterten Sinn unterworfen, wohingegen ein zweiter Anteil des Kältemittels nacheinander einer Druckbeaufschlagung (in flüssigem Zustand), einer Erwärmung (insbesondere Überhitzung) unter Verwendung der Abwärme des Antriebs, und einer arbeitsleistenden Entspannung unterworfen und der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung wieder zugeführt wird. Mit anderen Worten wird der zweite Anteil des Kältemittels nach seiner arbeitsleistenden Entspannung, bei der insbesondere eine Verdampfung erfolgt, also in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt und dabei insbesondere mit dem ersten Anteil des Kältemittels vereinigt, das zuvor dem
Wärmetausch mit dem Gas unterworfen wurde und dabei ebenfalls verdampft wurde. Es wird also ein Teilkreislauf geschaffen. Grundsätzlich kann der zweite Anteil dabei an beliebiger Stelle wieder in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt und mit dem ersten Anteil vereinigt werden; spezifische Positionen sind weiter unten erläutert.
Die vorliegende Erfindung betrifft also, mit anderen Worten, ein
Gasverflüssigungsverfahren, bei dem mindestens ein Verdichter in einem zur
Bereitstellung von Kälte verwendeten Kältemittelkreislauf eingesetzt wird. Ein Antrieb des Verdichters erzeugt Abwärme. Als Antrieb wird insbesondere eine Gasturbine eingesetzt, so dass die Abwärme insbesondere mit dem Turbinenabgas, das einer Expansionsstufe der Gasturbine entnommen wird, bereitgestellt wird. In der vorliegenden Erfindung wird eine arbeitsleistende Entspannung eines Teilstroms des Kältemittels, des erwähnten "zweiten Anteils" vorgenommen. Dieses wird vor der arbeitsleistenden Entspannung sowohl weiter druckbeaufschlagt als auch erwärmt, damit das Kältemittel zur Aufnahme der im Turbinenabgas der Gasturbine oder einem anderen Abwärmeträger enthaltenen Abwärme befähigt ist. Das erwärmte,
insbesondere überhitzte, Kältemittel, das durch Nutzung der Abwärme erhalten wird, wird durch die arbeitsleistende Entspannung als Energiequelle verwendet, so dass auf diese Weise die Abwärme in eine andere Energieform überführt werden kann. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit kann wie nachfolgend erläutert genutzt werden. Die arbeitsleistende Entspannung kann auch zwei- oder mehrstufig mit oder ohne Zwischenüberhitzung unter Verwendung der Abwärme erfolgen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, wie nachfolgend in Ausgestaltungen erläutert, insbesondere vorgesehen, dass die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit zur Verdichtung desselben oder eines anderen Kältemittels verwendet wird. Wenngleich in den nachfolgenden Ausgestaltungen bestimmte Verdichter mittels der bei der arbeitsleistenden Entspannung geleisteten Arbeit angetrieben werden, ist nicht ausgeschlossen, dass auch andere Verdichter auf diese Weise angetrieben werden können. In den konkreten Ausgestaltungen der Erfindung sind in einigen Fällen beispielsweise die jeweils auf den höchsten Druck verdichtenden Verdichter im
Kältemittelkreislauf (in den Figuren mit C2 bezeichnet) mit entsprechenden
Entspannungsmaschinen gekoppelt. Alternativ kann aber auch ein Antrieb beliebiger anderer Verdichter oder Verdichterstufen, die zur Verdichtung auf einen niedrigeren Druck eingerichtet sind (in den Figuren mit C1 , C1 A oder C1 B bezeichnet), über die arbeitsleistende Entspannung erfolgen. Gleichwohl ist ein Betrieb parallel geschalteter Verdichter möglich, von denen einer mittels der bei der arbeitsleistenden Entspannung geleisteten Arbeit und ein weiterer auf andere Weise angetrieben wird, und die parallelen Teilströme des Kältemittels verdichten.
Die bei der Entspannung geleistete Arbeit kann in unterschiedlichen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung auch zumindest teilweise zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt werden.
In mittelgroßen Anlagen zur Erdgasverflüssigung mit einer Kapazität von
beispielsweise ca. 0,3 bis 2 Megatonnen pro Jahr werden häufig die erwähnten SMR- Kreisläufe eingesetzt, da in diesen eine begrenzte Anzahl von Komponenten erforderlich ist und ein angemessener thermodynamischer Wirkungsgrad vorliegt. Die Investitionskosten für eine Dampfanlage zur Nutzung der Turbinenabwärme sind für eine derartige Anlagengröße jedoch nicht notwendigerweise wirtschaftlich, wenn die möglichen Energieeinsparungen die zusätzlichen Kosten nicht kompensieren. Die vorliegende Erfindung ist besonders in derartigen Fällen einsetzbar und schafft hier eine alternative und vorteilhafte Möglichkeit der Abwärmenutzung. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung kann der Wirkungsgrad eines SMR-Prozesses um mindestens 10 bis 15 Prozentpunkte verbessert werden, indem die zum Antreiben des Kältemittelverdichters verwendete Gasturbine entsprechend entlastet wird.
Andererseits kann die vorliegende Erfindung auch zur Erdgasverflüssigung im größeren Maßstab, beispielsweise in Anlagen mit einer Kapazität von ca. 2 bis 10 Megatonnen pro Jahr, vorteilhaft genutzt werden. In derartigen Anlagen ist
typischerweise mehr als ein Kältemittelverdichter erforderlich, um die genannte Kapazität zu erreichen. Die optimale Drehzahl der verschiedenen Kältemittelverdichter ist dabei nicht notwendigerweise ähnlich oder identisch, so dass ggf. Getriebe zwischen den einzelnen Verdichtern eingesetzt werden müssen, falls diese mittels einer gemeinsamen Gasturbine angetrieben werden sollen. Auch bei Verwendung von mehreren unabhängigen Gasturbinen kann es jedoch zu einem Ungleichgewicht der erforderlichen Wellenleistung für jeden Verdichter kommen. In bestimmten Situationen kann die vorliegende Erfindung dabei vorteilhaft genutzt werden, indem die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit unterstützend zum Antrieb eingesetzt und damit Ungleichgewichte in Drehzahl oder Leistung ausgeglichen werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere ein Gemischkältemittel in einem oder mehreren Gemischkältemittelkreisläufen als das Kältemittel verwendet werden. Das Kältemittelgemisch besteht typischerweise aus leichten
Kohlenwasserstoffen mit einem bis fünf Kohlenstoffatomen sowie höchstens 20 Molprozent Stickstoff. Die Erfindung kann bei den erwähnten SMR-, aber auch bei DMR, MFC- oder C3MR-Kältekreisläufen sowie anderen Kältekreisläufen, in denen zusätzlich zu einem Gemischkältemittel ein Reinstoffkältemittel verwendet wird, eingesetzt werden, wie sie grundsätzlich aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt sind. Unter einem "Reinstoffkältemittel" wird hier ein Kältemittel verstanden, das zumindest 95 Molprozent, insbesondere zumindest 99 Molprozent eines einzigen Kohlenwasserstoffs, insbesondere Ethan, Ethylen, Propan oder Propylen, oder einer anderen Verbindung mit einer geeigneten Dampfdruckkurve wie Ammoniak oder Kohlendioxid aufweist, oder im Wesentlichen aus diesem besteht. Ist nachfolgend beispielsweise von "Propan" oder auch von einem "Propankältekreislauf" die Rede, seien die diesbezüglichen Erläuterungen stets so zu verstehen, dass sie auch allgemeiner ein Reinstoffkältemittel betreffen. Die Bezugnahme auf einen bestimmten Reinstoff dient lediglich zur Veranschaulichung. Ein entsprechendes
Reinstoffkältemittel kann dabei insbesondere jenes sein, das in der erläuterten Weise behandelt wird, d.h. aus dem der erste und zweite Anteil in Form von entsprechenden Teilströmen gebildet gebildet werden.
Wie mehrfach erwähnt, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere Erdgas oder ein unter Verwendung von Erdgas gebildetes Gasgemisch (beispielsweise entsäuertes, getrocknetes und/oder von schwer siedenden Kohlenwasserstoffen, insbesondere solchen mit drei und mehr Kohlenstoffatomen, befreites Erdgas) als das zu verflüssigende Gas verwendet werden und/oder es kann eine Gasturbine als der Abwärme erzeugende Antrieb verwendet werden.
Besondere Vorteile ergeben sich in Ausgestaltungen der Erfindung, wenn bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit zusätzlich zu dem Antrieb bei der Verdichtung desselben Kältemittels verwendet wird, das auch arbeitsleistend entspannt wird, und unter Verwendung dessen der erste und zweite Anteil gebildet werden. Auf diese Weise kann ein zur Verdichtung ansonsten verwendeter Antrieb um die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit entlastet werden und es ergeben sich entsprechende Energieeinsparungen, die direkt auf die Nutzung der Abwärme zurückzuführen sind. Die flüssige Druckbeaufschlagung des später entsprechend arbeitsleistend entspannten zweiten Anteils des Kältemittels erfordert dadurch vergleichsweise deutlich weniger Energie. Derartige Ausgestaltungen werden nachfolgend zunächst erläutert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung, d.h. in einer ersten Gruppe von
Ausgestaltungen, werden ausschließlich Gemischkältemittel, aber keine
Reinstoffkältemittel im oben genannten Sinn eingesetzt. Hierbei kann es sich aber duchaus auch um solche Ausgestaltungen handeln, bei denen eine Vorkühlung unter Verwendung eines Gemischkältemittels erfolgt. In dieser ersten Gruppe von
Ausgestaltungen umfasst die Verdichtung des Kältemittels insbesondere einen ersten Verdichtungsschritt auf ein erstes Druckniveau und einen zweiten Verdichtungsschritt auf ein zweites Druckniveau, das insbesondere oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, wobei der Antrieb in dem ersten Verdichtungsschritt und die bei der
arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit in dem zweiten Verdichtungsschritt verwendet wird. So kann insbesondere der erste Verdichtungsschritt unter
Verwendung eines oder mehrerer erster Verdichter oder einer oder mehrerer erster Verdichterstufen, der oder die zumindest teilweise unter Verwendung des Antriebs angetrieben wird oder werden, durchgeführt werden, und der zweite Verdichtungsschritt kann insbesondere unter Verwendung eines oder mehrerer zweiter Verdichter oder Verdichterstufen, der oder die zumindest teilweise unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung geleisteten Arbeit angetrieben wird oder werden, durchgeführt werden. Der zweite Verdichtungsschritt wird dabei insbesondere ohne Verwendung des Abwärme produzierenden Antriebs angetrieben, sondern vorteilhafterweise nur unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung geleisteten Arbeit. Auf diese Weise können beide Verdichtungsschritte durch unabhängig voneinander betreibbare Maschinen realisiert werden und es sind keine mechanischen Kopplungen erforderlich. Wie auch nachfolgend noch erläutert, kann die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit aber auch an beliebigen anderen Stellen entsprechend genutzt werden.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in einer bevorzugten Ausgestaltung, die nachfolgend auch als "erste Ausgestaltung" bezeichnet wird, das Kältemittel zumindest teilweise dem ersten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer ersten Flüssigfraktion und einer ersten Gasfraktion zumindest teilweise einer ersten
Teilverflüssigung unterworfen werden, wobei die erste Gasfraktion in dieser ersten Ausgestaltung zumindest teilweise dem zweiten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer zweiten Flüssigfraktion und einer zweiten Gasfraktion zumindest teilweise einer zweiten Teilverflüssigung unterworfen wird. Dem ersten
Verdichtungsschritt kann in dieser ersten Ausgestaltung insbesondere das gesamte Kältemittel unterworfen werden, nachdem dieses im Wärmetausch mit dem zu verflüssigenden Gas verdampft wurde. Das Verfahren kann somit einfach und ohne großen Zusatzaufwand im Zusammenhang mit bekannten Verfahren zur
Gasverflüssigung eingesetzt werden, in denen entsprechende Schritte vorgesehen sind. Auf den zitierten Stand der Technik wird verwiesen.
Der erste Verdichtungsschritt wird in der ersten Ausgestaltung insbesondere unter Verwendung eines einzigen, zwar ggf. mehrstufigen, jedoch das Kältemittel nicht auf unterschiedliche Drücke verdichtenden Verdichters durchgeführt, der in den
betreffenden Figuren durchgängig mit dem Bezugszeichen C1 versehen ist. Der zweite Verdichtungsschritt wird in dieser und den nachfolgenden Ausgestaltungen
insbesondere unter Verwendung eines unabhängig von dem ersten Verdichtungsschritt betriebenen Verdichters durchgeführt, der in den Figuren durchgängig mit dem
Bezugszeichen C2 versehen ist.
Der zweite Anteil des Kältemittels kann nach dessen arbeitsleistender Entspannung in der ersten Ausgestaltung zumindest teilweise mit dem in dem ersten
Verdichtungsschritt verdichteten Kältemittel vereinigt werden, bevor dieses für die erste Teilverflüssigung abgekühlt wird. Auf diese Weise kann der zweite Anteil des
Kältemittels in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt und dort wieder den
erforderlichen Verdichtungs- und Kondensationsschritten unterworfen werden.
Insbesondere kann der erfindungsgemäß verwendete zweite Anteil des Kältemittels in der ersten Ausgestaltung in flüssigem Zustand für die anschließende Entspannung von einem Druckniveau von 10 bis 40 bar auf ein Druckniveau von 60 bis 120 bar gebracht werden. Durch die Erwärmung mittels der Abwärme wird insbesondere eine
Erwärmung von einem Temperaturniveau von 10 bis 50 °C auf ein Temperaturniveau von 200 bis 400 °C vorgenommen. Beispielsweise kann ein Turbinenabgas einer als Antrieb verwendeten Gasturbine oder ein anderer Stoffstrom bei 400 bis 600 °C vorliegen. Die arbeitsleistende Entspannung erfolgt in der ersten Ausgestaltung insbesondere ausgehend von dem erwähnten Druckniveau oder einem höheren Druckniveau auf ein Druckniveau von 10 bis 40 bar, wodurch sich die Temperatur insbesondere um etwa 30 bis 100 °C verringert. In der ersten Ausgestaltung kann der erste Verdichtungsschritt insbesondere auf ein Druckniveau von 10 bis 40 bar und der zweite Verdichtungsschritt auf ein Druckniveau von 30 bis 70 bar erfolgen. Die sich jeweils anschließenden Teilkondensationsschritte erfolgen dabei insbesondere jeweils auf ein Temperaturniveau von 10 bis 50 °C. Der zweite Anteil des Kältemittels, der letztlich der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt wird, umfasst insbesondere 40 bis 80% der ersten Flüssigfraktion.
In der ersten Ausgestaltung kann der zweite Anteil des Kältemittels vor dessen arbeitsleistender Entspannung teilweise oder vollständig einem indirekten
Wärmetausch mit dem zweiten Anteil des Kältemittels oder einem Teil hiervon (d.h. zumindest teilweise "mit sich selbst") unterworfen werden, der bereits der
arbeitsleistenden Entspannung unterworfen worden ist, bevor letzterer mit der ersten Gasfraktion vereinigt wird. Wird der zweite Anteil des Kältemittels nur teilweise dem erwähnten Wärmetausch mit sich selbst unterworfen, erfolgt dies in Form eines ersten Teilstroms des zweiten Anteils, wohingegen ein zweiter Teilstrom des zweiten Anteils nicht diesem
Wärmetausch mit sich selbst unterworfen wird. Der erste und der zweite Teilstrom können getrennt voneinander, und insbesondere auf unterschiedlichen
Temperaturniveaus, der Erwärmung unter Verwendung der Abwärme unterworfen und danach, sowie vor der arbeitsleistenden Entspannung, wieder miteinander vereinigt werden. So kann beispielsweise der erste Teilstrom des zweiten Anteils auf einem höheren Temperaturniveau in einem ersten Abwärmetauscher mit einem
Turbinenabgas erwärmt werden, wobei das bereits teilweise abgekühlte Abgas der Gasturbine einem zweiten Abwärmetauscher zugeführt wird, in dem der zweite Teilstrom auf einem geringeren Temperaturniveau angewärmt werden kann. Auf diese Weise kann eine vorteilhafte Vorerwärmung für die nachfolgende weitere Erwärmung bzw. eine Abkühlung für die nachfolgende Zuspeisung zu der ersten Gasfraktion nach deren Verdichtung erfolgen.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in der ersten Ausgestaltung die zweite Flüssigfraktion zumindest teilweise entspannt und stromab des ersten
Verdichtungsschritts mit dem Kältemittel oder einem Teil hiervon nach einer entsprechenden Abkühlung vereinigt werden, bevor dieses phasengetrennt wird.
Für die Abkühlung des Gases im indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittel kann in der ersten Ausgestaltung ein Wärmetauscher mit mehreren Abschnitten oder können mehrere Wärmetauscher verwendet werden, worin der erste Anteil des Kältemittels und die zweite Gasfraktion oder Teile hiervon auf unterschiedliche Temperaturniveaus weiter abgekühlt und nach einer Entspannung wieder erwärmt werden können. Der Wärmetauscher oder die mehreren Wärmetauscher können insbesondere als gewickelte Rohrbündel-Wärmetauscher oder als gelötete Platten-Wärmetauscher ausgebildet sein oder mehrere solche Wärmetauscher, auch Wärmetauscher unterschiedlicher Art, umfassen.
Beispielsweise können in der ersten Ausgestaltung der erste Anteil des Kältemittels und die zweite Gasfraktion oder jeweils Teile hiervon (entsprechendes gilt auch, ohne explizite Erwähnung, für die anderen nachfolgend genannten Fluide) auf einem Eintrittstemperaturniveau von beispielsweise 10 bis 50 °C dem als gewickelten Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher zugeführt und durch separate
Wärmetauscherrohre abgekühlt werden. Der erste Anteil des Kältemittels kann dem Wärmetauscher auf einem ersten Zwischentemperaturniveau unterhalb des
Eintrittstemperaturniveaus von beispielsweise -20 bis -60 °C entnommen, entspannt und mantelseitig wieder dem Wärmetauscher zugeführt werden. Die zweite Gasfraktion kann in diesem Fall dem Wärmetauscher ebenfalls auf dem ersten
Zwischentemperaturniveau entnommen werden, bei dem es in teilkondensierter Form vorliegt. Nach einer Phasentrennung außerhalb des Wärmetauschers werden die Flüssigphase und die Gasphase getrennt voneinander auf dem ersten
Zwischentemperaturniveau dem Wärmetauscher wieder zugeführt und durch separate Wärmetauscherrohre weiter abgekühlt. Die Flüssigphase wird auf einem zweiten Zwischentemperaturniveau unterhalb des ersten Zwischentemperaturniveaus von beispielsweise -70 bis -100 °C entnommen, entspannt und mantelseitig wieder dem Wärmetauscher zugeführt. Die Gasphase wird auf einem dritten
Zwischentemperaturniveau unterhalb des zweiten Zwischentemperaturniveaus von beispielsweise -120 bis -160 °C entnommen, entspannt und ebenfalls mantelseitig wieder dem Wärmetauscher zugeführt. Die auf diese Weise mantelseitig vereinigten Fluide werden wieder der Verdichtung zugeführt.
Wird ein gelöteter Platten-Wärmetauscher verwendet, können der erste Anteil des Kältemittels und die zweite Gasfraktion oder jeweils Teile hiervon auch gemeinsam auf einem Eintrittstemperaturniveau im oben genannten Bereich dem Wärmetauscher zugeführt und in gemeinsamen Passagen abgekühlt werden. Nach einer Entnahme am kalten Ende des Wärmetauschers auf einem Entnahmetemperaturniveau von beispielsweise -120 bis -160°C kann eine Entspannung vorgenommen werden und das auf diese Weise weiter auf ein Temperaturniveau von beispielsweise -130 bis -170 °C abgekühlte Kältemittel wird durch separate Passagen zurückgeführt und nach
Erwärmung auf ein Temperaturniveau im Bereich des Eintrittstemperaturniveaus wieder der Verdichtung zugeführt.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, nachfolgend auch als "zweite Ausgestaltung" bezeichnet, kann insbesondere der erste
Verdichtungsschritt abweichend ausgestaltet werden und unter Verwendung von zwei Verdichterstufen, nämlich einer ersten Verdichterstufe und einer zweiten
Verdichterstufe, durchgeführt werden, die jedoch vorteilhafterweise gemeinsam von dem Abwärme liefernden Antrieb angetrieben werden. Die erste Verdichterstufe, die baulich auch in Form mehrerer Verdichterstufen eines Verdichters ausgebildet sein können, wird in den Figuren durchgängig mit dem Bezugszeichen C1 A bezeichnet, die entsprechend ausgebildete zweite Verdichterstufe mit dem Bezugszeichen C1 B. Die zweite Ausgestaltung betrifft insbesondere einen DMR-Prozess. In diesem werden vorteilhafterweise zwei oder drei Wärmetauscher oder Wärmetauscherabschnitte verwendet, die jeweils als gewickelte Wärmetauscher oder entsprechende Abschnitte eines gewickelten Wärmetauschers ausgebildet sein können. Nachfolgend wird lediglich der Einfachheit halber von zwei oder drei "Wärmetauschern" gesprochen, worunter aber auch entsprechende Abschnitte eines gemeinsamen Wärmetauschers fallen sollen. Es handelt sich hierbei in Richtung einer absteigenden Temperatur des zu verflüssigenden Gases im hier verwendeten Sprachgebrauch um einen ersten, einen zweiten und einen dritten Wärmetauscher. Der erste und der zweite Wärmetauscher verwenden in den Ausgestaltungen mit drei Wärmetauschern das gleiche Kältemittel bei unterschiedlichen Verdampfungsdrücken und können daher, insbesondere bei kostengünstigen Anlagen, auch zusammengefasst werden bzw. kann in solchen Anlagen auf den ersten Wärmetauscher verzichtet werden. Die Erfindung betrifft auch derartige Verfahren und Anlagen, auch wenn nachfolgend nicht gesondert hierauf Bezug genommen wird und die Erfindung anhand von Verfahren und Anlagen mit drei Wärmetauschern beschrieben wird.
In der zweiten Ausgestaltung werden der ersten Verdichterstufe des ersten
Verdichtungsschritts entsprechend verdampfte Kältemittelströme aus dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher auf Druckniveaus von beispielsweise 5 bis 20 bar bzw. 2 bis 10 bar zugeführt. In der ersten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts erfolgt eine Verdichtung auf beispielsweise 15 bis 50 bar, in der zweiten
Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts erfolgt eine Verdichtung auf beispielsweise 40 bis 80 bar. Stromab der Verdichtungsstufen erfolgt jeweils eine Nachkühlung. Der zuvor mehrfach angesprochene erste bzw. zweite Anteil des Kältemittels wird aus dem in der ersten Verdichterstufe verdichteten Fluid, das zusätzlich zu dem genannten auch weiteres Kältemittel umfassen kann, gebildet. Auch hiervon umfasst der zweite Anteil insbesondere 40 bis 80%.
Der erste Anteil wird zunächst rohrseitig durch den ersten Wärmetauscher geführt und dort auf ein Temperaturniveau von beispielsweise 0 bis -20 °C abgekühlt. Ein Teilstrom kann stromab des ersten Wärmetauschers entspannt und mantelseitig in den ersten Wärmetauscher eingespeist werden. Dieser Teilstrom stellt insbesondere das gesamte in dem ersten Wärmetauscher verdampfte Kältemittel dar. In den erwähnten
Ausgestaltungen mit nur zwei Wärmetauschern entfallen die für den ersten
Wärmetauscher beschriebenen Maßnahmen. Der nicht entspannte Rest des ersten Anteils des Kältemittels kann zur Bildung eines weiteren Teilstroms verwendet werden, der in einem separaten weiteren Wärmetauscher zur Kühlung des in der zweiten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Fluids verwendet und danach der ersten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts zugespeist werden kann. Ein von dem ersten Anteil auch hiernach verbleibender Rest wird zunächst rohrseitig durch den zweiten Wärmetauscher geführt und in diesem auf ein
Temperaturniveau von beispielsweise -30 bis -70 °C abgekühlt. Dieser Rest kann nun stromab des zweiten Wärmetauschers entspannt und mantelseitig in den zweiten Wärmetauscher eingespeist werden. Dieser Rest stellt insbesondere das gesamte in dem zweiten Wärmetauscher verdampfte Kältemittel dar.
Der zweite Anteil des Kältemittels kann in der zweiten Ausgestaltung im Wesentlichen in der zur ersten Ausgestaltung erläuterten Weise behandelt und insbesondere dem in der ersten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Kältemittel zugespeist werden, bevor dieses abgekühlt und kondensiert wird. Er wird auf diese Weise im Kreis geführt. Das in der zweiten Verdichterstufe des ersten
Verdichtungsschritts verdichtete Kältemittel kann insbesondere dem zweiten
Verdichtungsschritt zugeführt und dort grundsätzlich wie zu der ersten Ausgestaltung erläutert verdichtet werden. Insbesondere erfolgt eine Verdichtung auf ein Druckniveau von 70 bis 1 10 bar. Das entsprechend verdichtete Kältemittel wird abgekühlt und zunächst zur weiteren Abkühlung rohrseitig durch den ersten bis dritten
Wärmetauscher geführt. Stromab dessen wird dieser Kältemittelanteil entspannt und mantelseitig in den dritten Wärmetauscher eingespeist. Dieser Kältemittelanteil stellt insbesondere das gesamte in dem dritten Wärmetauscher verdampfte Kältemittel dar.
Eine nochmals weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, nachfolgend auch als "dritte Ausgestaltung" bezeichnet, umfasst, dass der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung von zwei Verdichtern durchgeführt wird, die nun vorteilhafterweise von zwei getrennten, Abwärme liefernden Antrieben angetrieben werden. Diese werden weitgehend vergleichbar wie die entsprechenden Verdichterstufen in der zweiten Ausgestaltung betrieben und tragen daher die entsprechenden Bezeichnungen. Die dritte Ausgestaltung betrifft ebenfalls einen DMR- Prozess. Es werden, wie in der zweiten Ausgestaltung, vorteilhafterweise zwei oder drei Wärmetauscher oder Wärmetauscherabschnitte verwendet, so dass die obigen Erläuterungen weiter gelten. Die obigen Merkmale und Erläuterungen bezüglich der zweiten Ausgestaltung betreffen auch die dritte Ausgestaltung, wobei jedoch der stromab des ersten Wärmetauschers nicht entspannte Rest des ersten Anteils des Kältemittels wahlweise nicht zur Bildung eines weiteren Teilstroms verwendet wird, welcher zur Kühlung des im zweiten Verdichter des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Fluids dient. Der zweite Anteil des Kältemittels, der letztlich arbeitsleistend entspannt wird, wird mit der Abwärme beider Antriebe erwärmt.
Wie erwähnt, wird in den soeben erläuterten Ausgestaltungen bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit zusätzlich zu dem Antrieb bei der Verdichtung des desselben Kältemittels verwendet, das auch arbeitsleistend entspannt wird, und unter Verwendung dessen der erste und zweite Anteil gebildet werden, wenngleich dieses in den DMR-Kreisläufen in unterschiedlichen Kreisläufen eingesetzt wird. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich im Gegensatz dazu Vorteile, wenn bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit bei der Verdichtung eines weiteren Kältemittels verwendet wird, also nicht desselben Kältemittels, das arbeitsleistend entspannt und unter Verwendung dessen der erste und zweite Anteil gebildet werden. Zur besseren Unterscheidung wird das arbeitsleistend entspannte Kältemittel und zur Bildung des ersten und zweiten Anteils verwendete Kältemittel als "erstes" Kältemittel und das weitere Kältemittel als "zweites" Kältemittel bezeichnet.
Die erste bis dritte Ausgestaltung sind Teil der zuvor angesprochenen ersten Gruppe von Ausgestaltungen, in denen ausschließlich Gemischkältemittel eingesetzt werden. Es handelt sich dabei um SMR- und DMR-Kreisläufe, also auch solche, bei denen zur Vorkühlung ein Gemischkältemittel eingesetzt wird. Eine zweite Gruppe von
Ausgestaltungen, die nun erläutert wird, umfasst Ausgestaltungen, in denen zusätzlich ein Reinstoffkältemittel in einem Vorkühlkreislauf eingesetzt wird. Es handelt sich also unter anderem um C3MR-Kreisläufe.
In der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen wird die Verdichtung des
Reinstoffkältemittels, das hier ein "erstes" Kältemittel im soeben erläuterten Sinn darstellt, in dem Vorkühlkreislauf in einem ersten Verdichter oder einer ersten
Verdichterstufe vorgenommen und die Verdichtung des Gemischkältemittels in dem Gemischkältemittelkreislauf, das in diesem Sinn das "zweite" Kältemittel darstellt, erfolgt unter Verwendung eines zweiten Verdichters oder einer zweiten Verdichterstufe und eines dritten Verdichters oder einer dritten Verdichterstufe in der nachfolgend erläuterten Art. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit wird zum Antrieb des dritten Verdichters oder der dritten Verdichterstufe genutzt. Lediglich der Übersichtlichkeit halber wird nachfolgend von Verdichtern gesprochen, worunter auch Verdichterstufen verstanden werden sollen.
In einer entsprechenden Ausgestaltung der Erfindung, nachfolgend auch als "vierte Ausgestaltung" bezeichnet, werden der erste und der zweite Verdichter (C1 A und C1 B in den Figuren) von zwei getrennten Antrieben angetrieben, wobei es sich nur bei dem Antrieb des zweiten Verdichters um einen Abwärme (zumindest in nennenswertem und nutzbarem Umfang) liefernden Antrieb wie eine Gasturbine handelt. Der Antrieb des ersten Verdichters kann beispielsweise unter Erzeugung deutlich geringerer (und nicht nutzbarer) Abwärmemengen elektrisch erfolgen.
Abweichend zur zweiten und dritten Ausgestaltung werden in der vierten Ausgestaltung zur Abkühlung des zu verflüssigenden Gases ein gelöteter Platten-Wärmetauscher und ein gewickelter Rohrbündel-Wärmetauscher eingesetzt. Es sind, wie erwähnt, zwei getrennte Kältemittelkreisläufe realisiert, nämlich ein Reinstoffkreislauf mit
Reinstoffkältemittel zur Vorkühlung und ein Kältemittelkreislauf mit Gemischkältemittel. Der Reinstoffkreislauf umfasst, wie bereits angesprochen, den ersten Verdichter, der Gemischkältemittelkreislauf dagegen den zweiten und den dritten Verdichter.
Das Reinstoffkältemittel des Reinstoffkreislaufs wird in mehreren Teilströmen, die insbesondere gegen das Gemischkältemittel aus dem zweiten Verdichtungsschritt erwärmt werden und damit das Gemischkältemittel vorkühlen, dem ersten Verdichter zugeführt und dort verdichtet. Nach einer anschließenden Abkühlung und
Verflüssigung werden auch hier der erste und der zweite Anteil des Kältemittels gebildet. Im Unterschied zu den zuvor erläuterten Ausgestaltungen werden der erste und der zweite Anteil damit also aus dem Reinstoffkältemittel, dem "ersten" Kältemittel, und nicht dem Gemischkältemittel, dem "zweiten" Kältemittel, gebildet. Der erste Anteil wird zunächst abgekühlt, anschließend entspannt, gegen das Gemischkältemittel erwärmt, und wieder dem ersten Verdichter zugeführt. Der zweite Anteil wird wie bereits zuvor erwähnt behandelt und dabei mit der Abwärme des Antriebs des zweiten Verdichters erwärmt.
Das Gemischkältemittel wird nach seiner Vorkühlung mit dem Reinstoffkältemittel des Reinstoffkreislaufs, insbesondere auf ein Temperaturniveau von -20 bis -40 °C, in dem gewickelten Wärmetauscher rohrseitig weiter abgekühlt, insbesondere auf ein
Temperaturniveau von -120 bis -160 °C. Stromab hiervon wird es entspannt und mantelseitig dem gewickelten Wärmetauscher zugeführt. Nach einer Entnahme aus dem gewickelten Wärmetauscher und entsprechender Erwärmung wird eine weitere Erwärmung in dem gelöteten Platten-Wärmetauscher durchgeführt und es erfolgt anschließend eine Verdichtung in dem zweiten und dritten Verdichter.
Eine Variante der soeben erläuterten vierten Ausgestaltung, die als "fünfte
Ausgestaltung" bezeichnet wird, umfasst, dass der erste und der zweite Verdichter über einen gemeinsamen, Abwärme produzierenden Antrieb angetrieben werden.
In allen Fällen kann bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit bei der Verdichtung eines weiteren Kältemittels verwendet werden, mit dem das Gas der Abkühlung im indirekten Wärmetausch unterworfen wird. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung eines Reinstoff- bzw. C3MR-Kältemittelkreislaufs der Fall sein, oder in Varianten der ersten Gruppe von Ausgestaltungen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die hier als "sechste Ausgestaltung" bezeichnet wird, wird als das erste Kältemittel ein Gemischkältemittel und als das zweite Kältemittel Stickstoff verwendet. Auch in dieser Ausgestaltung sind der erste und zweite Anteil Anteile eines ersten Kältemittels, nämlich des Gemischkältemittels, und bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit wird bei der Verdichtung eines zweiten Kältemittels, nämlich des Stickstoffs, verwendet.
Grundsätzlich kann in der sechsten Ausgestaltung, wie zuvor beispielsweise zur ersten Ausgestaltung erläutert, das Gemischkältemittel zumindest teilweise einem ersten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer ersten Flüssigfraktion und einer ersten Gasfraktion zumindest teilweise einer ersten Teilverflüssigung unterworfen werden. Die erste Gasfraktion kann zumindest teilweise dem zweiten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer zweiten Flüssigfraktion und einer zweiten Gasfraktion zumindest teilweise einer zweiten Teilverflüssigung unterworfen wird. Auch die weitere Behandlung kann identisch sein.
Der Stickstoff wird in der fünften Ausgestaltung allgemein gesprochen einer
Entspannung und einer Verdichtung unterworfen, wobei die Verdichtung des Stickstoffs unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Anteils des Gemischkältemittels geleisteten Arbeit erfolgt. Die Entspannung des Stickstoffs kann in der fünften Ausgestaltung arbeitsleistend erfolgen, wobei bei der arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffs geleistete Arbeit ebenfalls bei der Verdichtung des Stickstoffs verwendet werden kann.
Der verdichtete Stickstoff wird nacheinander abgekühlt, einem ersten indirekten Wärmetausch unterworfen und dabei abgekühlt, der Entspannung unterworfen, einem zweiten indirekten Wärmetausch unterworfen und dabei erwärmt, danach dem ersten indirekten Wärmetausch unterworfen und dabei erwärmt, und wieder der Verdichtung zugeführt. In dem zweiten indirekten Wärmetausch wird dabei das der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung unterworfene Gas unterkühlt.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, hier als "siebte Ausgestaltung" bezeichnet, unterscheidet sich von der sechsten Ausgestaltung dadurch, dass die Verdichtung des Stickstoffs zweistufig in einem ersten und danach einem zweiten Verdichtungsschritt durchgeführt wird, wobei der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffs geleisteten Arbeit und der zweite Verdichtungsschritt unter Verwendung der bei der
arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Anteils des Gemischkältemittels geleisteten Arbeit erfolgt.
Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anlage zum Verflüssigen eines Gases, wobei die Anlage Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, das Gas im indirekten Wärmetausch mit einem Kältemittel einer Abkühlung zu unterwerfen und zumindest einen Teil des Kältemittels nach dem Wärmetausch mit dem Gas einer Verdichtung unter Verwendung eines Abwärme erzeugenden Antriebs und anschließend einer teilweisen oder vollständigen Verflüssigung zu unterwerfen. Die Anlage weist erfindungsgemäß Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, nach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung einen ersten Anteil des Kältemittels dem Wärmetausch mit dem Gas zu unterwerfen und einen zweiten Anteil des Kältemittels nacheinander einer Druckbeaufschlagung, einer Erwärmung unter Verwendung der Abwärme des Antriebs und einer arbeitsleistenden Entspannung zu unterwerfen und danach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung wieder zuzuführen.
Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Anlage, die vorteilhafterweise zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung und beliebiger zuvor erläuterter Ausgestaltungen eingerichtet ist, sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, welche Anordnungen gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 2 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 3 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 4 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 5 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 6 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 7 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
Figur 7A veranschaulicht eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 7.
Figur 8 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung. Figur 9 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert.
Identische Elemente sind nicht in allen Figuren gesondert bezeichnet.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In Figur 1 ist ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung anhand eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht.
Das Verfahren dient zur Verflüssigung eines Gases, das dem Verfahren in
gasförmigem Zustand als Stoffstrom 1 zugeführt und in verflüssigter Form als
Stoffstrom 2 bereitgestellt wird. Zur Verflüssigung dient hier ein insgesamt stark vereinfachter Wärmetauscher- bzw. Tieftemperaturteil 10. Zur Veranschaulichung der allgemeinen Anwendbarkeit ist der Wärmetauscherteil 10 stark vereinfacht dargestellt.
Kältemittel wird in Form eines erwärmten ("warmen") Kältemittelstroms W aus dem Wärmetauscherteil 10 ausgeführt. In einem Abscheider D1 wird verbliebenes
Kondensat abgetrennt. Es folgt eine Verdichtung des Kältemittels des Stoffstroms W in einem ersten Verdichtungsschritt unter Verwendung eines Verdichters C1 , der durch eine Gasturbine GT1 angetrieben wird. In der Gasturbine GT1 wird Luft eines
Luftstroms A in einer nicht gesondert bezeichneten Verdichterstufe verdichtet und mit Brennstoff F in einer (nicht gezeigten) Brennkammer verbrannt. Fleißgas wird in einer ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Expansionsstufe entspannt und über einen Wärmetauscher E4 zur Wärmerückgewinnung ausgeführt. Es kann auch eine
Hilfsfeuerung unter Verwendung weiteren Brennstoffs AF erfolgen.
Das im Verdichter C1 verdichtete Kältemittel wird in einem Wärmetauscher E1 abgekühlt, dabei teilkondensiert, und in einem Abscheider D2 einer Phasentrennung unterworfen. Die Gas- und die Flüssigphase werden in Form getrennter Stoffströme dem Wärmetauscherteil 10 zugeführt, wobei ein Teil der Flüssigphase als zuvor mehrfach entsprechend bezeichneter "erster Anteil" des Kältemittels dem
Wärmetauscherteil 10 zugeführt wird und ein weiterer Teil entsprechend als "zweiter Anteil" in Form eines Stoffstroms R mittels einer Pumpe P1 druckerhöht, in einem Wärmetauscher E3 und danach in dem Wärmetauscher E4 erwärmt, sodann in einer Entspannungsmaschine X1 arbeitsleistend entspannt, durch den Wärmetauscher E3 geführt, und anschließend mit dem im Verdichter C1 verdichteten Kältemittel vor dessen Abkühlung vereinigt.
Mit der Entspannungsmaschine X1 ist ein Verdichter C2 über ein Getriebe G gekoppelt. Dem Verdichter C2 kann ein Gemischkältemittel in Form eines erwärmten Kältemittelstroms W1 aus dem Wärmetauscherteil 10 zugeführt werden, so dass auf diese Weise eine Nutzung der Abwärme der Gasturbine GT 1 möglich ist. Die Figur 1 verwendet mit dem Kältemittelstrom W1 zusätzlich zu dem Kältemittel des
Kältemittelstroms W ein weiteres Gemischkältemittel und betrifft damit einen DMR- Kreislauf. Die Verwendung eines derartigen weiteren Gemischkältemittels ist in allen nachfolgend erläuterten Ausgestaltungen der Erfindung ebenfalls möglich, auch wenn dort jeweils nur ein Gemischkältemittelkreislauf, ggf. mit Teilkreisläufen,
veranschaulicht sein sollte.
In Figur 2 ist ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung anhand eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht. In Figur 2 ist dabei insbesondere der Wärmetauscherteil 10 näher veranschaulicht. Dieser umfasst insbesondere einen gewickelten Wärmetauscher 1 1 und einen Abscheider 12, deren Funktion weiter unten erläutert wird.
Der Kältemittelstrom W1 gemäß Figur 1 oder ein vergleichbarer Stoffstrom wird hier nicht bereitgestellt, so dass es sich in der konkreten Ausgestaltung um einen SMR- Kreislauf handelt. Der Kältemittelstrom W wird hier in einem ersten Verdichtungsschritt unter Verwendung eines Verdichters C1 und in einem zweiten Verdichtungsschritt unter Verwendung eines Verdichters C2 verdichtet, wobei der Antrieb des ersten Verdichters C1 mittels der Gasturbine GT1 und der Antrieb des zweiten Verdichters C2 mittels der bei der arbeitsleistenden Entspannung in der Entspannungsmaschine X1 geleisteten Arbeit erfolgt.
Der Stoffstrom W wird stromab des Abscheiders D1 in dem Verdichter C1 verdichtet und anschließend nach Abkühlung in einem Wärmetauscher E1 unter Erhalt einer ersten Flüssigfraktion und einer ersten Gasfraktion in einem Abscheider D2 einer Teilverflüssigung unterworfen. Die nicht gesondert bezeichnete erste Gasfraktion aus dem Abscheider D2 wird in dem zweiten Verdichter C2 verdichtet und anschließend nach Abkühlung in einem Wärmetauscher E2 unter Erhalt einer zweiten Flüssigfraktion und einer zweiten Gasfraktion in einem Abscheider D3 einer Teilverflüssigung unterworfen.
Die erste Flüssigfraktion aus dem Abscheider D2 wird teilweise in Form des
Stoffstroms R behandelt wie bereits zuvor erläutert. Der Rest wird in Form eines nicht gesondert bezeichneten Stoffstroms, wie auch die zweite Gasfraktion aus dem
Abscheider D2, dem gewickelten Wärmetauscher 1 1 zugeführt. Die genannten Kältemittelströme werden durch separate Wärmetauscherrohre geführt und abgekühlt.
Die nicht in Form des Stoffstroms R verwendete erste Flüssigfraktion aus dem
Abscheider D2 wird dem Wärmetauscher 1 1 auf einem ersten
Zwischentemperaturniveau unterhalb des entsprechenden Eintrittstemperaturniveaus entnommen, entspannt und mantelseitig wieder dem Wärmetauscher 1 1 zugeführt werden. Die zweite Gasfraktion kann dem Wärmetauscher ebenfalls auf dem ersten Zwischentemperaturniveau entnommen, entspannt und dabei teilverflüssigt werden, wobei aber eine Phasentrennung außerhalb des Wärmetauschers 1 1 in eine
Flüssigphase und eine Gasphase in dem Abscheider 12 vorgenommen wird.
Die in dem Abscheider 12 gebildete Flüssigphase und die Gasphase werden getrennt voneinander auf dem ersten Zwischentemperaturniveau dem Wärmetauscher 1 1 wieder zugeführt und durch separate Wärmetauscherrohre weiter abgekühlt. Die Flüssigphase wird auf einem zweiten Zwischentemperaturniveau unterhalb des ersten Zwischentemperaturniveaus entnommen, entspannt und mantelseitig wieder dem Wärmetauscher 1 1 zugeführt. Die Gasphase wird auf einem dritten
Zwischentemperaturniveau unterhalb des zweiten Zwischentemperaturniveaus entnommen, entspannt und ebenfalls mantelseitig wieder dem Wärmetauscher 1 1 zugeführt. Die auf diese Weise mantelseitig vereinigten Fluide werden in Form des Stoffstroms W wieder der Verdichtung zugeführt.
Der Stoffstrom R wird nach dessen arbeitsleistender Entspannung mit dem Kältemittel vereinigt, das in dem Verdichter C1 verdichtet wurde, bevor dieses für die erste Teilkondensation abgekühlt wird. Die zweite Flüssigfraktion aus dem Abscheider D3 wird über ein Ventil V1 entspannt und in den Abscheider D2 zurückgeführt. In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht, die sich von der Ausgestaltung gemäß Figur 2 insbesondere dadurch unterscheidet, dass anstelle des gewickelten Rohrbündel-Wärmetauschers 1 1 ein gelöteter Platten-Wärmetauscher 13 vorgesehen ist.
Wie hier veranschaulicht, können der nicht in Form des Stoffstroms R verwendete Anteil der ersten Flüssigfraktion aus dem Abscheider D2 und die zweite Gasfraktion aus dem Abscheider D3 gemeinsam dem Wärmetauscher 13 zugeführt und in gemeinsamen Passagen abgekühlt werden. Eine Pumpe 14 fördert dabei den so verwendeten Anteil der ersten Flüssigfraktion auf den Druck der zweiten Gasfraktion, damit beide Fraktionen gemeinsam dem Wärmetauscher 13 zugespeist werden können. Nach einer Entnahme am kalten Ende kann eine Entspannung über ein Ventil 15 vorgenommen und das auf diese Weise weiter abgekühlte Kältemittel durch separate Passagen zurückgeführt und nach einer entsprechenden Erwärmung wieder in den Abscheider D1 eingespeist werden.
In Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht, in der insbesondere der zuvor in dem Verdichter C1 durchgeführte erste Verdichtungsschritt abweichend ausgestaltet ist und unter Verwendung von zwei Verdichterstufen (einer ersten Verdichterstufe C1 A und einer zweiten Verdichterstufe C1 B) durchgeführt wird. Diese werden hier gemeinsam von der Gasturbine GT1 angetrieben.
Es werden ferner drei Wärmetauscher 16, 17, 18 verwendet, die jeweils als gewickelte Wärmetauscher ausgebildet sind. Es handelt sich hierbei in Richtung einer
absteigenden Temperatur des zu verflüssigenden Gases 1 im hier verwendeten Sprachgebrauch um einen ersten Wärmetauscher 16, einen zweiten Wärmetauscher 17 und einen dritten Wärmetauscher 18. Der erste Wärmetauscher 16 kann ggf.
entfallen, wie oben ausführlich erläutert.
Der ersten Verdichterstufe C1A werden entsprechend verdampfte Kältemittelströme aus dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 16, 17 zugeführt und dort verdichtet. Der zweiten Verdichterstufe C1 B wird ein verdampfter Kältemittelstrom aus dem dritten Wärmetauscher 18 zugeführt und dort verdichtet. Stromab der Verdichterstufen erfolgt jeweils eine Nachkühlung. Der zuvor mehrfach angesprochene erste und zweite Anteil des Kältemittels werden aus dem in der ersten Verdichterstufe C1 A verdichteten Fluid, das zusätzlich zu dem genannten auch weiteres Kältemittel umfassen kann, gebildet, welches dem auch hier mit D2 bezeichneten Abscheider entnommen wird.
Der erste Anteil wird zunächst rohrseitig durch den ersten Wärmetauscher 16 geführt und dort abgekühlt. Ein Teilstrom kann stromab des ersten Wärmetauschers 16 entspannt und mantelseitig in den ersten Wärmetauscher 16 eingespeist werden. Der nicht entspannte Rest des ersten Anteils des Kältemittels kann zur Bildung eines weiteren Teilstroms verwendet werden, der in einem separaten Wärmetauscher E5 zur Kühlung des in der zweiten Verdichterstufe C1 B des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Fluids verwendet und danach der ersten Verdichterstufe C1 A des ersten Verdichtungsschritts zugespeist werden kann. Ein von dem ersten Anteil auch hiernach verbleibender Rest wird zunächst rohrseitig durch den zweiten Wärmetauscher 17 geführt und in diesem abgekühlt. Dieser Rest kann nun stromab des zweiten
Wärmetauschers 17 entspannt und mantelseitig in den zweiten Wärmetauscher 17 eingespeist werden.
Der zweite Anteil des Kältemittels kann im Wesentlichen wie zuvor erläutert in Form des Stoffstroms R behandelt und insbesondere dem in der ersten Verdichterstufe C1 A des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Kältemittel zugespeist werden, bevor dieses weiter abgekühlt und kondensiert wird. Er wird auf dieser Weise im Kreis geführt.
Das in der zweiten Verdichterstufe C1 B des ersten Verdichtungsschritts verdichtete Kältemittel kann insbesondere dem zweiten Verdichtungsschritt mit dem Verdichter C2 zugeführt und dort grundsätzlich wie zu der ersten Ausgestaltung erläutert verdichtet werden. Das entsprechend verdichtete Kältemittel wird in einem weiteren
Wärmetauscher E6 abgekühlt und zunächst zur weiteren Abkühlung rohrseitig durch den ersten bis dritten Wärmetauscher 16, 17, 18 geführt. Stromab des letzteren wird dieser Kältemittelanteil entspannt und mantelseitig in den dritten Wärmetauscher 18 eingespeist.
Eine nochmals weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in Figur 5 veranschaulicht. Diese umfasst, dass der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung von zwei Verdichtern durchgeführt wird, die hier der besseren
Vergleichbarkeit halber wie zuvor mit C1 A und C1 B bezeichnet sind, aber nun von zwei getrennten, Abwärme liefernden Antrieben (Gasturbinen) GT1A und GT1 B angetrieben werden. Entsprechend sind die zuvor einfach vorhandenen Wärmetauscher E3 und E4 nun in Form der Wärmetauscher E3A, E3B und E4A, E4B doppelt vorhanden Der zweite Anteil des Kältemittels, der letztlich in Form des Stoffstroms R arbeitsleistend entspannt wird, wird in dieser Ausgestaltung zuvor mit der Abwärme beider Antriebe GT 1 A und GT 1 B erwärmt.
Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, ist in Figur 6 veranschaulicht und ist in Form eines mit einem Reinstoffkältemittel vorgekühlten Gemischkreislauf- (z.B. C3MR-) Prozesses ausgeführt.
Die Verdichtung eines Reinstoffkältemittels (hier beispielhaft als Propan C3H8 veranschaulicht) in einem Vorkühlkreislauf wird hier in einem ersten Verdichter C1 A vorgenommen und die Verdichtung eines Gemischkältemittels in einem
Gemischkältemittelkreislauf erfolgt unter Verwendung eines zweiten Verdichters C1 B und eines dritten Verdichters C2. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit wird zum Antrieb des dritten Verdichters C2 genutzt. Der erste und der zweite Verdichter C1 A, C1 B werden von zwei getrennten Antrieben angetrieben, wobei es sich nur bei dem Antrieb des zweiten Verdichters C1 B um einen Abwärme (zumindest in nennenswertem und nutzbarem Umfang) liefernden Antrieb wie eine Gasturbine GT1 handelt. Der Antrieb des ersten Verdichters C1A kann beispielsweise unter Erzeugung deutlich geringerer (und nicht nutzbarer) Abwärmemengen mittels eines Motors M erfolgen.
Abweichend zu den zuvor erläuterten Ausgestaltungen werden zur Abkühlung des zu verflüssigenden Gases 1 ein gelöteter Platten-Wärmetauscher 19 zusätzlich zu einem gewickelten Wärmetauscher 1 1 eingesetzt. Das Kältemittel des Reinstoffkreislaufs wird in mehreren Teilströmen, die insbesondere gegen das Gemischkältemittel aus dem zweiten Verdichtungsschritt, erwärmt und verdampft werden und damit das
Gemischkältemittel vorkühlen, dem ersten Verdichter C1 A zugeführt und dort verdichtet. Nach einer anschließenden Abkühlung und Verflüssigung werden auch hier der erste und der zweite Anteil des Kältemittels gebildet. Der erste Anteil wird zunächst unterkühlt, anschließend gegen das Gemischkältemittel aus dem zweiten Verdichter erwärmt und verdampft, und wieder dem ersten Verdichter C1A zugeführt. Der zweite Anteil R wird wie bereits zuvor erwähnt behandelt und dabei mit der Abwärme des Antriebs des zweiten Verdichters erwärmt.
Das Gemischkältemittel wird nach seiner Vorkühlung mit dem Kältemittel des
Reinstoffkältemittelkreislaufs in dem gewickelten Wärmetauscher 1 1 rohrseitig weiter abgekühlt. Stromab hiervon wird es entspannt und mantelseitig dem gewickelten Wärmetauscher 1 1 zugeführt. Nach einer Entnahme aus dem gewickelten
Wärmetauscher 1 1 und entsprechender Erwärmung wird eine weitere Erwärmung in dem gelöteten Platten-Wärmetauscher 19 durchgeführt und es erfolgt anschließend eine Verdichtung in dem zweiten und dritten Verdichter C1 B und C2.
Eine Variante der soeben erläuterten Ausgestaltung ist in Figur 7 veranschaulicht, Diese umfasst, dass der erste und der zweite Verdichter C1 A, C1 B über einen gemeinsamen, Abwärme produzierenden Antrieb GT1 angetrieben werden.
Wiederum eine Variante der in Figur 7 veranschaulichten Ausgestaltung, die aber ohne weiteres auch als eine Variante beispielsweise der in Figur 6 dargestellten
Ausgestaltung oder einer anderen Ausführungsform der Erfindung realisiert sein kann, ist in Figur 7A dargestellt. Hier wird ein Teilstrom R' des Kältemittelstroms R nicht durch den Wärmetauscher E3 geführt, sondern durch einen Wärmetauscher E4', der stromab des Wärmetauschers E4 im Turbinenabgasstrom der Gasturbine GT1 angeordnet ist. Wie in Form gestrichelter, aber nicht gesondert bezeichneter
Stoffströme und Wärmetauscher dargestellt, kann die Vorkühlung des Kältemittels auch abweichend ausgestaltet sein und insbesondere weniger Wärmetauscherstufen umfassen als zuvor dargestellt.
In allen Fällen kann bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit bei der Verdichtung eines weiteren Kältemittels verwendet werden, mit dem das Gas der Abkühlung im indirekten Wärmetausch unterworfen wird. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung eines mit einem Reinstoffkältemittel vorgekühlten
Gemischkältemittelkreislaufs der Fall sein, oder in weiteren Varianten der Erfindung, die in den Figuren 8 und 9 veranschaulicht sind. In diesen werden weitere gelötete Platten-Wärmetauscher 19A und 19B verwendet, die unter Verwendung eines
Stickstoffkreislaufs betrieben werden. Die Behandlung des Gemischkältemittels ergibt sich direkt aus den Figuren 8 und 9 und den vorstehenden Erläuterungen und erfolgt im Wesentlichen analog wie beispielsweise in Figur 3, wobei aber hier die Verdichter C1 und C2 unter Verwendung der Gasturbine GT1 betrieben werden.
Der Stickstoff des Stickstoffkreislaufs wird in der Ausgestaltung gemäß Figur 8 in einer Entspannungsmaschine X2 und einer Verdichtung in einem Verdichter C3 unterworfen, wobei die Verdichtung des Stickstoffs unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Anteils des Gemischkältemittels geleisteten Arbeit in der Entspannungsmaschine X1 erfolgt. Die Entspannung des Stickstoffs erfolgt
arbeitsleistend in einer Entspannungsmaschine X2, wobei bei der arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffs geleistete Arbeit ebenfalls bei der Verdichtung des Stickstoffs verwendet wird. Die Entspannungsmaschinen X1 und X2 sowie der
Verdichter C3 sind hier mechanisch gekoppelt.
Der verdichtete Stickstoff wird nacheinander abgekühlt, einem ersten indirekten Wärmetausch in dem Wärmetauscher 19B unterworfen und dabei abgekühlt, der Entspannung unterworfen, einem zweiten indirekten Wärmetausch in dem
Wärmetauscher 19A unterworfen und dabei erwärmt, danach wieder dem ersten indirekten Wärmetausch in dem Wärmetauscher 19B unterworfen und dabei erwärmt, und wieder der Verdichtung zugeführt. In dem zweiten indirekten Wärmetausch in dem Wärmetauscher 19A wird dabei das zuvor der teilweisen oder vollständigen
Verflüssigung unterworfene Gas unterkühlt. Zur Nachkühlung des Stickstoffs in dem Stickstoffkreislauf stromab des Verdichters C3 ist ein Wärmetauscher E7 vorgesehen.
In der Ausgestaltung gemäß Figur 9, die ansonsten im Wesentlichen der
Ausgestaltung der Figur 8 entspricht, erfolgt die Verdichtung des Stickstoffs zweistufig in einem ersten und danach einem zweiten Verdichtungsschritt in Verdichtern C3 und C4, wobei der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung der bei der
arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffs in einer Entspannungsmaschine X1 geleisteten Arbeit und der zweite Verdichtungsschritt unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Anteils des Gemischkältemittels in einer Entspannungsmaschine X2 geleisteten Arbeit erfolgt. In dieser Ausgestaltung sind die Entspannungsmaschine X1 und der Verdichter C4 einerseits und die
Entspannungsmaschine X2 und der Verdichter C3 andererseits gekoppelt. Die vorstehend beschriebene Erfindung und ihre erläuterten und insbesondere in den Figuren dargestellten Ausgestaltungen werden nachfolgend nochmals mit anderen Worten beschrieben. Die nachfolgend verwendeten Begriffe können synonym mit den vorstehend verwendeten Begriffen für die jeweils damit bezeichneten
Verfahrensschritte, Einrichtungen und Medien stehen. Die nachfolgenden
Erläuterungen beschreiben denselben Erfindungsgedanken mit entsprechenden vorteilhaften Weiterbildungen wie die obigen Erläuterungen in zumindest teilweise abweichender Formulierung.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Erfassen bzw. Rückgewinnen von Abwärme dar, die in einem Gasverflüssigungsprozess erzeugt wird, umfassend das Verflüssigen eines Gases durch einen Wärmeaustauschprozess unter Verwendung eines Kältemittelfluids, das Verdichten des verbrauchten Kältemittelfluids aus dem Verflüssigungsprozess durch ein Verfahren, das überschüssige Wärme erzeugt, das Verflüssigen zumindest eines Teils des verdichteten Kältemittelfluids, das Pumpen eines Teils des verflüssigten verdichteten Kältemittelfluids auf einen höheren Druck, das Erwärmen des Teils des verflüssigten verdichteten verdichteten Kältemittelfluids mit höherem Druck durch Aufnahme der überschüssigen Wärme, die durch die Verdichtung des verbrauchten Kältemittelfluids erzeugt wird, wodurch der Teil des verdichteten Kältemittelfluids mit höherem Druck überhitzt wird, und das Verwenden des überhitzten verdichteten Kältemittelfluids zur Versorgung eines mechanischen Prozesses.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für ein
Erdgasverflüssigungsverfahren mit mindestens einem Verdichter, der im
Kältemittelkreislauf für den kryogenen Prozess der Erdgasverflüssigung eingesetzt wird. Die vorliegendene Erfindung verwendet einen Verdichter im Kältemittelkreislauf, wobei der Verdichter von einer Gasturbine oder einer ähnlichen Energiequelle angetrieben wird, die bei der Erzeugung von Leistung zum Betrieb des Verdichters Abwärme erzeugt. Die vorliegendene Erfindung verwendet einen Arbeitsexpander, wobei der Fluidkreislauf für den Arbeitsexpander verwendet wird, um die Abwärme der Gasturbine oder einer ähnlichen Leistungsquelle aufzunehmen, die den Verdichter im Kältemittelkreislauf antreibt. In einer Ausführungsform der Erfindung wird der
Fluidkreislauf für den Arbeitsexpander sowohl unter Druck gesetzt als auch erwärmt, damit der Fluidkreislauf die im Abgasstrom der Gasturbine vorhandene Abwärme oder andere Abwärme der Leistungsquelle, die den Verdichter im Kältekreislauf antreibt, aufnehmen kann. Das dabei entstehende überhitzte Fluid, das aus dem
Rückgewinnungsprozess für die Abwärmeenergie entsteht, wird dann als
Energiequelle für den Antrieb des Arbeitsexpanders verwendet.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird das im
Fluidkreislauf für den Arbeitsexpander verwendete Fluid auch für den
Kältemittelkreislauf verwendet. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich ein zweiter Verdichter im Kältemittelkreislauf eingesetzt, wobei der zweite Verdichter durch den Arbeitsexpander angetrieben wird. Dementsprechend wird in dieser
Ausführungsform der Erfindung das Kältemittelfluid, das im kryogenen Prozess zur Verflüssigung für Erdgas verwendet wird, auch zum Aufnehmen von Abwärme verwendet, die zum Antreiben des ersten Verdichters erzeugt wird, um Leistung zum Antreiben des Arbeitsexpanders bereitzustellen, der wiederum den zweiten Verdichter antreibt, um das Kältemittelfluid weiter zu verdichten. Dementsprechend bietet diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Vorteile gegenüber anderen Systemen zur Erfassung von Abwärmeenergie. So erfordert diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weder die Einführung zusätzlicher Arbeitsflüssigkeiten, wie z.B. Wasser, noch die Zugabe anderer Flüssigkeiten (z.B. Dampf, Ammoniak, Propan, etc.) in geschlossenen Kreisläufen.
In einem nicht veranschaulichten Erdgasverflüssigungsprozess gemäß dem Stand der Technik, bei dem ein einzelnes Gemischkältemittel (SMR) mit einem zweistufigen SMR-Verdichtungsprozess verwendet wird, kann vorgesehen sein, dass zwei
Verdichter C1 und C2 von einer einzigen Gasturbine GT1 angetrieben werden. Dabei führt ein kryogener Teil des Prozesses die Verflüssigung des Erdgases durch einen Wärmeaustauschprozess mit einem gemischten Kältemittel durch. Im
Erdgasverflüssigungsprozess wird das gemischte Kältemittel verdichtet, gekühlt und teilweise verflüssigt, bevor es im kryogenen Prozess recycelt wird. In einem Behälter D1 kann gemischtes Kältemittel, das durch den kryogenen Teil abgegeben wird, gesammelt werden, welches dann in den ersten Verdichter C1 und den
Wärmetauscher E1 geleitet wird. In einem entsprechenden zweistufigen
Verdichtungsprozess wird der flüssige Anteil des ersten Verdichters C1 und eines Wärmetauschers E1 in einem Speicher Behälter D2 gesammelt, wobei der Dampfanteil des ersten Verdichters C1 über den zweiten Verdichter C2 und einen Wärmetauscher E2 in die zweite Stufe des Prozesses eingespeist wird. Der resultierende Anteil wird aus dem zweiten Verdichter C2 und dem Wärmetauscher E2 vereinigt und in einem Behälter D3 gesammelt. Die beiden in den Behältern D2 und D3 gesammelten
Fraktionen können in den kryogenen Teil eingespeist werden, um den
Verflüssigungsprozess von Erdgas durch einen Wärmetauschprozess durchzuführen.
Abbildung 2 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem
Erdgasverflüssigungsprozess dar, in der ein einzelnes gemischtes Kältemittel (SMR) mit einem zweistufigen SMR-Verdichtungsprozess verwendet wird. In Figur 2 wird der zweite Verdichter C2 von einem Arbeitsexpander X1 anstelle einer Gasturbine angetrieben. Der Arbeitsexpander X1 wird von überhitztem Fluid angetrieben, das von einem Wärmetauscher E4 zugeführt wird. Die vom Arbeitsexpander X1 abgegebene Flüssigkeit wird durch einen Economizer bzw. Abwärmetauscher E3 gekühlt und dann mit dem vom ersten Verdichter C1 erzeugten Kältemittel vereinigt. Die vereinigten Flüssigkeiten werden dann durch einen Wärmetauscher E1 oder dergleichen weiter gekühlt und in einem Behälter D2 gesammelt. Ein Teil der im Behälter D2
gesammelten kombinierten Flüssigkeiten wird dann von der Pumpe P1 zum
Wärmetauscher E3 gefördert. Das in den Abwärmetauscher E3 gepumpte gekühlte Fluid wird erwärmt und anschließend in den Wärmetauscher E4 geleitet. Der
Wärmetauscher E4 ist in Fluidverbindung mit dem warmen Abgas der Gasturbine GT 1 , die den ersten Verdichter C1 antreibt. Dabei nutzt der Wärmetauscher E4 die Wärme aus dem Abgas der Gasturbine GT1 , um die dem Wärmetauscher E4 zugeführte erwärmte Flüssigkeit aus dem Abwärmetauscher E3 zu überhitzen. Das überhitzte Fluid aus dem Wärmetauscher E4 wird dann in den Arbeitsexpander X1 geleitet, um den zweiten Verdichter C2 anzutreiben.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der kryogene Teil mit Wickelwärmetauschern (CWHEs), gelöteten Platten-Wärmetauschern (PFHEs) oder einer Kombination davon ausgelegt werden. Abbildung 3 ist beispielsweise eine Veranschaulichung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter
Verwendung einer Einzel-Gemischkältemittel-(SMR-)Konfiguration unter Verwendung von gelöteten Platten-Wärmetauschern (PFHEs) im kryogenen Teil. In einer Ausführungsform der Erfindung, die in Figur 1 dargestellt ist, wird ein Teilstrom von 30 bis 90 Vol.-% des austretenden Flüssigkeitsbehälters D2 mittels der Pumpe P1 auf das mindestens Dreifache des Drucks im Speicher D2 gepumpt. Der
Hochdruckstrom der Pumpe P1 wird dann von einem Abwärmetauscher E3 erwärmt und dem Überhitzer E4 zugeführt. Der Überhitzer E4 gewinnt die Abwärme aus dem Abgasstrom der Gasturbine GT1 und erwärmt den Hochdruckstrom aus dem
Abwärmetauscher E3 auf mindestens 180 °C, vorzugsweise mindestens 200 °C. Das heiße Gas aus dem Überhitzer E4 wird dann in den Arbeitsexpander X1 eingespeist und auf einen Druck reduziert, der leicht über dem Betriebsdruck des Speichers D2 liegt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Druck des den Arbeitsexpander X1 verlassenden Stroms hoch genug, um den Druckabfall in den Wärmetauschern E3 und E1 zu überwinden, die noch auf den Druck in D2 treffen. Der aus dem
Arbeitsexpander X1 austretende Strom wird dann gekühlt und zumindest teilweise durch den Economizer E3 und den Wärmetauscher E1 kondensiert und anschließend in den Speicher D2 zurückgeführt. Die vom Arbeitsexpander X1 erzeugte
Wellenleistung wird verwendet, um den Verdichter C2 anzutreiben, um das Kältemittel zu verdichten, das dann im Speicher D3 gespeichert und dann in den kryogenen Teil des Prozesses eingespeist wird.
Wie zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung erläutert, führt das Druckverhältnis von mindestens dem Dreifachen des Saugdrucks im Behälter D2, das durch die Pumpe P1 erzeugt wird, zu einem ähnlichen, nur geringfügig niedrigeren Druckverhältnis im Arbeitsleistenden X1 , das ein bevorzugter Arbeitsbereich für einen arbeitsleistenden Expander ist. Darüber hinaus kann der Eingangsdruck des
Arbeitsexpanders X1 unter einem Druck von 100 bar gehalten werden, was eine kostengünstige mechanische Konstruktion ermöglicht. Darüber hinaus sorgt der von der Pumpe P1 erzeugte erhöhte Druck dafür, dass der Arbeitsexpander X1 einen Eingangsdruck erhält, der deutlich über dem kritischen Druck des Fluids liegt, und vermeidet so Zweiphaseneffekte innerhalb des Fluids. In Ausführungsformen der in den Abbildungen 1 bis 9 dargestellten Erfindung wird das Kältemittel im Prozess für zwei Prozesse verwendet, den Erdgasverflüssigungsprozess im kryogenen Bereich und den Prozess der Rückgewinnung der von der Gasturbine erzeugten Abwärme zum Antreiben des Kältemittelverdichtungsprozesses. Weitere Verbesserungen können an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, um die Leistung der vorliegenden Erfindung zu verbessern. So könnte beispielsweise die Leistung des Arbeitsexpanders X1 durch Zusatzfeuerung einer zusätzlichen Wärmequelle in die Rauchgaskanäle der Gasturbine GT1 erhöht werden. Die vom arbeitsleistenden Expander X1 durchgeführte arbeitsleistende Entspannung kann in aufeinanderfolgende Schritte aufgeteilt werden, mit oder ohne die Notwendigkeit, das Arbeitsfluid nach Belieben erneut zu erwärmen.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung könnte die vom Arbeitsexpander X1 erzeugte Wellenleistung zum Antreiben anderer Prozesse verwendet werden, wie beispielsweise eines Stromerzeugers, einer Speisegasverdichtung, einer endständigen Flashgasverdichtung, einer beliebigen Art von Kältemittelverdichtung oder einer anderen Dienstleistung, die Strom benötigt.
Das gesamte Kühlsystem wird mindestens ein Kältemittel aufweisen, das entweder aus einer reinen Komponente oder einem Gemisch von Komponenten besteht, wobei das Kältemittel in einer Ausführungsform der Erfindung bei Umgebungstemperatur zumindest teilweise kondensiert werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung könnten die zulässigen Kältemittelkomponenten Stickstoff und leichte paraffinische oder olefinische Kohlenwasserstoffe von C1 bis C5 (wie CH4, C2H4, C2H6, C2H6, C3H6, C3H8, iC4H10, nC4H10, nC4H10, iC5H12, nC5H12, nC5H12, etc.) beinhalten. Das Kühlsystem kann auch mehr als einen Kreislauf beinhalten, wobei die zusätzlichen Kreisläufe reine Kältemittelkreisläufe und/oder gemischte Kältemittelkreisläufe und/oder Gasentspannungskreisläufe sind.
Abbildung 4 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer dualen gemischten Kältemittelkonfiguration (DMR) mit drei
Wickelwärmetauschern (CWHEs) im kryogenen Bereich und einer einzelnen
Gasturbine GT 1 , die für beide Gemischkältemittelkreisläufe verwendet wird. Wie in Figur 6 dargestellt, entkoppelt die Konfiguration einen Hochdruckverdichter C2 von den Niederdruckverdichtern C1A, C1 B, die von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden, welcher von der Gasturbine GT1 angetrieben wird. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erübrigt auch die Notwendigkeit eines Getriebes, das erforderlich wäre, um den Verdichter C2 mit einem höheren Druck und einer höheren Betriebsdrehzahl zu betreiben, wenn der Verdichter C2 eine ähnliche Kapazität wie der Verdichter C1 A oder C1 B aufweist. Abbildung 5 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer dualen Gemischkältemittelkonfiguration (DMR) mit drei Wickelwärmetauschern (CWHEs) im kryogenen Teil, wobei die Verdichter C1 A und C1 B von unabhängigen Gasturbinen GT 1 A und GT 1 B angetrieben werden, wobei die Abwärme der beiden Gasturbinen GT 1 A und GT1 B in den Wärmetauschern E4A und E4B verwendet wird, um die in den Arbeitsmaschinen X1 eingespeiste Flüssigkeit zu überhitzen. Ein Vorteil der Ausführungsform der in Figur 5 dargestellten Erfindung ist die Fähigkeit, eine höhere Leistung des Arbeitsexpanders X1 zum Antreiben des Verdichters C2 zu erreichen.
Abbildung 6 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer C3MR-Konfiguration (propanvorgekühltes gemischtes Kältemittel) mit einem einzelnen Wickelwärmetauscher (CWFIEs) im kryogenen Teil. In Abbildung 8 werden die Kompressoren C1 A und C1 B durch unabhängige Leistungsmechanismen angetrieben, wobei die Abwärme der Gasturbine GT 1 , die den Kompressor C1 B antreibt, zur Überhitzung des dem Arbeitsexpander X1 zugeführten Fluids verwendet wird. Die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform würde ein geeignetes Fluid, wie Propan, Propylen oder andere Kohlenwasserstoffe, für den Vorkühlprozess
verwenden. Alternativ, wie in Abbildung 7 dargestellt, können die Verdichter C1 A und C1 B von einer gemeinsamen Gasturbine GT 1 angetrieben werden.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung, in denen das Kühlsystem mehr als einen Kreislauf beinhaltet, können die zusätzlichen Kreisläufe reine Kältemittelkreisläufe, gemischte Kältemittelkreisläufe und/oder Gasexpansionskreisläufe sein. Darüber hinaus können in anderen Konfigurationen eine oder mehrere Gasturbinen parallel oder in Serie betrieben werden. Die Abbildungen 8 und 9 veranschaulichen
beispielsweise eine alternative Anwendung der vorliegenden Erfindung für einen Gasverflüssigungsprozess mit einem zweistufigen kryogenen Verfahren. In den in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen wird ein Gemischkältemittelkreislauf zur Vorkühlung und Verflüssigung und ein Gasexpansionsprozess zur Unterkühlung des Erdgases in separaten Stufen des kryogenen Prozesses verwendet.
Gemäß einem 1. Aspekt umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Abscheiden von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsprozess erzeugt wird, umfassend das Verflüssigen eines Gases durch einen Wärmeaustauschprozess unter Verwendung eines Kältemittelfluids, das Verdichten des verbrauchten Kältemittelfluids aus dem Verflüssigungsprozess durch ein Verfahren, das überschüssige Wärme erzeugt, das Verflüssigen mindestens eines Teils des verdichteten Kältemittelfluids, das Pumpen eines Teils des verflüssigten verdichteten Kältemittelfluids zu einem höheren Druck, das Erwärmen des Teils des verflüssigten verdichteten Kältemittelfluids mit höherem Druck durch Auffangen der überschüssigen Wärme, die durch die Verdichtung des verbrauchten Kältemittelfluids erzeugt wird, wodurch der Teil des verdichteten
Kältemittelfluids mit höherem Druck überhitzt wird, und das Verwenden des überhitzten verdichteten Kältemittelfluids zur Durchführung eines mechanischen Prozesses.
Gemäß einem 2. Aspekt ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsverfahren erzeugt wird, nach dem 1. Aspekt vorgesehen, ferner umfassend, dass der mechanische Prozess eine weitere Verdichtung des verdichteten Kältemittelfluids darstellt.
Gemäß einem 3. Aspekt ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsverfahren erzeugt wird, nach dem 1. Aspekt vorgesehen, wobei der mechanische Prozess ferner der Betrieb eines Arbeitsexpanders ist.
Gemäß einem 4. Aspekt ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsverfahren erzeugt wird, nach dem 3. Aspekt vorgesehen, ferner umfassend das Erwärmen des Teils des verflüssigten verdichteten
Kältemittelfluids mit höherem Druck durch Wärmeaustausch mit dem durch den Arbeitsexpander abgegebenen Fluid.
Gemäß einem 5. Aspekt ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsverfahren erzeugt wird, nach dem 4. Aspekt vorgesehen, wobei ferner das Fluid aus dem im Wärmetausch verwendeten Arbeitsexpander mit dem verflüssigten komprimierten Kältemittelfluid kombiniert wird.
Gemäß einem 6. Aspekt ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsverfahren erzeugt wird, nach dem 3. Aspekt vorgesehen, ferner umfassend, dass der mechanische Prozess eine weitere Verdichtung des verdichteten Kältemittelfluids darstellt. Gemäß einem 7. Aspekt ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsverfahren erzeugt wird, nach dem 6. Aspekt vorgesehen, ferner umfassend, dass das weitere Kompressionskältemittelfluid das Kältemittelfluid in dem Verflüssigungsschritt ist.
Gemäß einem 8. Aspekt ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsverfahren erzeugt wird, nach dem 1. Aspekt vorgesehen, ferner umfassend, dass das mechanische Verfahren elektrische Energie erzeugt. Gemäß einem 9. Aspekt ist ein Verfahren zum Rückgewinnen von Abwärme, die in einem Gasverflüssigungsverfahren erzeugt wird, nach dem 1. Aspekt vorgesehen, ferner umfassend, dass das Erwärmen des Teils des verflüssigten verdichteten Kältemittelfluids mit höherem Druck, die Hilfsfeuerung einer zusätzlichen Wärmequelle in die abgefangene überschüssige Wärme handelt, die durch die Verdichtung des verbrauchten Kältemittelfluids erzeugt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verflüssigen eines Gases, wobei das Gas im indirekten
Wärmetausch mit einem Kältemittel einer Abkühlung unterworfen wird und zumindest ein Teil des Kältemittels nach dem Wärmetausch mit dem Gas einer Verdichtung unter Verwendung eines Abwärme erzeugenden Antriebs (GT1 ) sowie einer teilweisen oder vollständigen Verflüssigung unterworfen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass nach der teilweisen oder vollständigen
Verflüssigung ein erster Anteil des Kältemittels dem Wärmetausch mit dem Gas unterworfen wird und dass ein zweiter Anteil des Kältemittels nacheinander einer Druckbeaufschlagung, einer Erwärmung unter Verwendung der Abwärme des Antriebs (GT1 ) und einer arbeitsleistenden Entspannung unterworfen und danach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung wieder zugeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem ein Gemischkältemittel in einem oder
mehreren Gemischkältemittelkreisläufen als das Kältemittel verwendet wird und/oder bei dem Erdgas oder ein unter Verwendung von Erdgas gebildetes Gasgemisch als das Gas verwendet wird und/oder bei dem eine Gasturbine als der Abwärme erzeugende Antrieb (GT 1 ) verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem bei der
arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit zusätzlich zu dem Antrieb (GT1 ) bei der Verdichtung desselben Kältemittels verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Verdichtung des Kältemittels einen ersten Verdichtungsschritt auf ein erstes Druckniveau und einen zweiten
Verdichtungsschritt auf ein zweites Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus umfasst, wobei der Antrieb (GT1 ) in dem ersten Verdichtungsschritt und die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit in dem zweiten
Verdichtungsschritt verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem der erste und zweite
Anteil jeweils Anteile eines ersten Kältemittels sind und bei dem bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit bei der Verdichtung eines zweiten Kältemittels verwendet wird, wobei das erste Kältemittel ein Reinstoffkältemittel und das zweite Kältemittel ein Gemischkältemittel ist, oder wobei das erste Kältemittel ein Gemischkältemittel und das zweite Kältemittel Stickstoff ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Kältemittel zumindest teilweise dem
ersten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer ersten
Flüssigfraktion und einer ersten Gasfraktion zumindest teilweise einer ersten Teilverflüssigung unterworfen wird, wobei die erste Gasfraktion zumindest teilweise dem zweiten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer zweiten Flüssigfraktion und einer zweiten Gasfraktion zumindest teilweise einer zweiten Teilverflüssigung unterworfen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der zweite Anteil des Kältemittels nach
dessen arbeitsleistender Entspannung zumindest teilweise mit dem Kältemittel oder einem Teil hiervon vereinigt wird, bevor dieses oder dieser einer Abkühlung für die erste Teilverflüssigung unterworfen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der zweite Anteil des Kältemittels vor dessen arbeitsleistender Entspannung zumindest teilweise einem indirekten Wärmetausch mit dem zweiten Anteil des Kältemittels oder einem Teil hiervon unterworfen wird, nachdem dieser der arbeitsleistender Entspannung unterworfen wurde und bevor dieser mit der ersten Gasfraktion vereinigt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die zweite Flüssigfraktion zumindest teilweise entspannt und mit dem in dem ersten Verdichtungsschritt verdichteten Kältemittel vereinigt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem für die Abkühlung des
Gases im indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittel ein Wärmetauscher mit mehreren Abschnitten oder mehrere Wärmetauscher verwendet werden, worin der erste Anteil des Kältemittels und die zweite Gasfraktion oder Teile hiervon auf unterschiedliche Temperaturniveaus weiter abgekühlt und nach einer
Entspannung wieder erwärmt werden.
1 1. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit zusätzlich zu dem Antrieb (GT1 ) bei der Verdichtung eines weiteren Kältemittels verwendet wird, mit dem das Gas der Abkühlung im indirekten Wärmetausch unterworfen wird.
12. Anlage zum Verflüssigen eines Gases, wobei die Anlage Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, das Gas im indirekten Wärmetausch mit einem Kältemittel einer
Abkühlung zu unterwerfen und zumindest einen Teil des Kältemittels nach dem Wärmetausch mit dem Gas einer Verdichtung unter Verwendung eines Abwärme erzeugenden Antriebs (GT1 ) sowie einer teilweisen oder vollständigen
Verflüssigung zu unterwerfen, gekennzeichnet durch Mittel, die dafür eingerichtet sind, nach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung einen ersten Anteil des
Kältemittels dem Wärmetausch mit dem Gas zu unterwerfen und einen zweiten Anteil des Kältemittels nacheinander einer Druckbeaufschlagung, einer
Erwärmung unter Verwendung der Abwärme des Antriebs (GT 1 ) und einer arbeitsleistenden Entspannung zu unterwerfen und danach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung wieder zuzuführen.
13. Anlage nach Anspruch 12, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 eingerichtet ist.
EP20713167.3A 2019-04-01 2020-03-12 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases Pending EP3948122A1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1904525.1A GB2582763A (en) 2019-04-01 2019-04-01 Method and device for the recovery of waste energy from refrigerant compression systems used in gas liquefaction processes
EP19020458.6A EP3719425A1 (de) 2019-04-01 2019-08-02 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases
PCT/EP2020/025127 WO2020200516A1 (de) 2019-04-01 2020-03-12 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP3948122A1 true EP3948122A1 (de) 2022-02-09

Family

ID=66443005

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19020458.6A Withdrawn EP3719425A1 (de) 2019-04-01 2019-08-02 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases
EP20713167.3A Pending EP3948122A1 (de) 2019-04-01 2020-03-12 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19020458.6A Withdrawn EP3719425A1 (de) 2019-04-01 2019-08-02 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220170695A1 (de)
EP (2) EP3719425A1 (de)
CN (1) CN113710978A (de)
AU (1) AU2020255798A1 (de)
GB (1) GB2582763A (de)
WO (1) WO2020200516A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4332063A1 (de) * 2022-09-02 2024-03-06 Linde GmbH Verfahren und anlage zur herstellung von ammoniak

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4970867A (en) * 1989-08-21 1990-11-20 Air Products And Chemicals, Inc. Liquefaction of natural gas using process-loaded expanders
US6308531B1 (en) * 1999-10-12 2001-10-30 Air Products And Chemicals, Inc. Hybrid cycle for the production of liquefied natural gas
US6691531B1 (en) * 2002-10-07 2004-02-17 Conocophillips Company Driver and compressor system for natural gas liquefaction
MXPA05012948A (es) * 2003-06-05 2006-02-13 Fluor Corp Configuracion y metodo de regasificacion de gas natural licuado.
US20080216510A1 (en) * 2006-08-22 2008-09-11 David Vandor Combined Cycle System For Gas Turbines and Reciprocating Engines and a Method for the Use of Air as Working Fluid in Combined Cycle Power Plants
US8464551B2 (en) * 2008-11-18 2013-06-18 Air Products And Chemicals, Inc. Liquefaction method and system
US20100147024A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 Air Products And Chemicals, Inc. Alternative pre-cooling arrangement
CA2754135A1 (en) * 2009-03-09 2010-09-16 Bp Alternative Energy International Limited Separation of carbon dioxide and hydrogen
DE102009018248A1 (de) * 2009-04-21 2010-10-28 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion
GB2479940B (en) * 2010-04-30 2012-09-05 Costain Oil Gas & Process Ltd Process and apparatus for the liquefaction of natural gas
CN102374153B (zh) * 2010-08-19 2014-04-02 大连冷星企业有限公司 螺杆式与活塞式混合双级压缩机组及中间容器
DE102016000393A1 (de) * 2015-10-01 2017-04-06 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion
CA3003614A1 (en) * 2015-11-06 2017-05-11 Fluor Technologies Corporation Systems and methods for lng refrigeration and liquefaction
CN106091574B (zh) * 2016-06-02 2018-10-30 成都深冷液化设备股份有限公司 一种带压缩热回收的气体液化装置及其液化方法
FR3053770B1 (fr) * 2016-07-06 2019-07-19 Saipem S.P.A. Procede de liquefaction de gaz naturel et de recuperation d'eventuels liquides du gaz naturel comprenant un cycle refrigerant semi-ouvert au gaz naturel et deux cycles refrigerant fermes au gaz refrigerant

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020200516A1 (de) 2020-10-08
EP3719425A1 (de) 2020-10-07
GB201904525D0 (en) 2019-05-15
CN113710978A (zh) 2021-11-26
US20220170695A1 (en) 2022-06-02
WO2020200516A8 (de) 2021-11-25
AU2020255798A1 (en) 2021-10-28
GB2582763A (en) 2020-10-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60016536T2 (de) Gasverflüssigungsverfahren durch partiel Kondensation von gemischtem Kältemittel bei zwischengelagerten Temperaturen
DE60021434T2 (de) Hybridkreislauf zur Verflüssigung von Erdgas
DE2524179A1 (de) Verfahren und anlage zur kuehlung eines gasgemisches
EP2880267B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie
DE2158614A1 (de) Kombiniertes Kühlsystem für mehrstufige Kühlungen
EP2867599A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie
EP2880268A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie
EP2835507B1 (de) Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Energieerzeugungsanlage
WO2003106906A1 (de) Verfahren zum verflüssigen eines kohlenwasserstoff-reichen stromes mit gleichzeitiger gewinnung einer c3+-reichen fraktion mit hoher ausbeute
WO2022008095A1 (de) Verfahren und eine anlage zur auftrennung eines einsatzstroms
DE10119761A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Verflüssigung von Erdgas
EP3129613B1 (de) Verfahren und anlage zum speichern und rückgewinnen von energie
EP1892457B1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Speicherung von Brenngas, insbesondere von Erdgas
DE102005029275A1 (de) Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes
DE60207689T3 (de) Wärmetauscher mit gewickelten Rohrschlangen
WO2020200516A1 (de) Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases
DE102012020469A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Methan aus einem Synthesegas
DE1960301A1 (de) Kuehleinrichtung zur Verfluessigung eines Verbrauchsgasstroms und Verfahren zur Verfluessigung
EP1913319A2 (de) Verfahren und anlage zum verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen stroms
DE102007006370A1 (de) Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes
EP2199671A1 (de) Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Wasserdampf
EP3293475A1 (de) Verfahren und methode zur speicherung und rückgewinnung von energie
DE2638084A1 (de) Verfahren zur isentropen expansion von gasen
EP2976511A1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie
DE102011115987B4 (de) Erdgasverflüssigung

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20210928

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)