NO126452B

NO126452B -

Info

Publication number: NO126452B
Application number: NO482169A
Authority: NO
Inventors: Lee S Gaumer Jr; Charles L Newton
Original assignee: Air Prod & Chem
Priority date: 1969-05-19
Filing date: 1969-12-05
Publication date: 1973-02-05
Also published as: DE1960301B2; GB1291467A; SE351032B; MY7300304A; DE1960301A1; FR2046058A5

Description

Fremgangsmåte og apparat til total konden-

sering av en gass-strøm..

I mange år har det vær^ anvendt kjøleprosesser av kas-kadetypen for kjøling og kondensering av strømmende gass f.eks. naturgass slik at gassen kan lagires eller skibes som væske iste-denfor som gass. Slike kaskadeptosesser har i alminnelighet om-fattet flere individuelle kjølemtidler med avtagende atmosfæriske kokepunkter hvilke kjølemidler hl/er sirkuleres i et lukket krets-løp i varmeutvekslende forhold tLl gass-strømmen som skal kjøles og med hverandre. Uheldigvis krever bruken av slike individuel-

le kjølemidler et stort antall separate varmevekslere, pumper, kompressorer og tilhørende rørledninger og ventiler for de separate lukkede kretsløp i hvert trinn. Av ennu større betydning er det at kjølekurvene for de individuelle kjølemidler ikke stemmer nøyaktig med den kontinuerlige kjølekurve for gassen som skal kjø-

les og dette er av spesiell betydning når det gjelder lavtemperatur-trinnet i kaskadesystemet hvor en betydelig energimengde går tapt som følge av denne iboende manglende effektivitet i et slikt kaskadesystem.

For å avhjelpe disse ulemper har det vært foreslått nye fremgangsmåter ved hvilke seks eller flere kjølemidler blandes for å danne et av flere komponenter bestående kjølemiddel som utsettes for multipel partiell kondensasjon og kondensatet fra hver partiell kondensasjon ledes i varmeveksling mot gass-strøm-men. Da hvert kondensat selv danner et kjølemiddel bestående av flere komponenter, vil kondensatets kjølekurve slutte seg nærmere til gass-strømmens kjølekurve, og det oppnåes en betydelig energi-besparelse. Samtidig kreves imidlertid overordentlig store og kompliserte varmevekslere, da det er nødvendig med individuelle rørbunter for hvert av de mange kondensater, dampfraksjoner og deler av gass-strømmen. I tillegg trenges flerfase-separatorer og sprøytehoder for behandling av de individuelle fraksjoner som opp-står som resultat av multipel partiell kondensasjon..

Foreliggende oppfinnelse går ut på en fremgangsmåte og

et apparat som representerer en vesentlig forenkling sammenlignet med tidligere kjente fremgangsmåter og apparater for samme formål. Fremgangsmåten er av den type hvor et av en enkel komponent bestående kjølemiddel føres i suksessiv varmeveksling med gasstrømmen som skal kondenseres, ved gradvis lavere temperaturer for for-kjø-ling av gasstrømmen. Det karakteristiske for fremgangsmåten og apparatet ifølge oppfinnelsen fremgår forøvrig av patentkravet„

Oppfinnelsen skal i det følgende beskrives under henvis-ning til tegningen.

Tegningen viser et skjematisk prosessdiagram for et fullstendig kjølesystem som representerer en foretrukken utførelsesform for oppfinnelsen.

En strøm naturgass som skal kjøles, trer inn i systemet gjennom ledningen 10 til venstre på figuren efter å være befridd for forurensninger bestående av karbondioksyd og kan ha et trykk på 51,5 kg/cm^ og en temperatur på tilnærmet 41,7°C. Gass-strømmen ledes gjennom en forste varmeveksler 12 som representerer den forste av tre kaskadevarmevekslere som tilfores et k jo]emjddel bestående av en enkel iomponent som f.eks. propan, propylen eller Freon slik som det vil bli beskrevet mer detaljert i det foldende. Naturgass-str6 ranen kjoles i varmeveksleren 12 til en temperatur av en størrelsesorden på 20° G og ledes til en faseseparator 14 Hvor kondensert vann fjernes og tommes ut gjennom ledningen ]6. Den delvis borkede naturmass-strom ledes derefter gjennom ledningen 18 til den ene eller annen av et par torkere 20 som fjerner .<g>jenvs"rende fuktighet fra gass-strornmen. Torkerne inneholder et egnet konven-sjonelt torkemedium og er innkoblet og forsynt med ventiler slik at de kan innkobles intermitterende og torkemiddelet regenereres på vel kjent måte.

Den torre gass-str6ni ledes derefter gjennom ledningen 22 til en annen varmeveksler 24 som likeledes arbeider med kjolemiddel bestående av en enkel komponent. Fer kjoles naturgass-stromrnen til tilnærmet 0° C. Den kolde gass-strom ledes derefter gjenr.om ledningen 2f til et gassvasketårn 28 for fjernelse av bensin, benzene og/eller bensol eller andre tunge hydrokarboner i. for:, av kondensater gjennom en utlopsladnir.g ?0. En mindre merr-d^ 1 etter* hydrokarboner omfattende methan, ethan og propan blir likeledes fjernet og kan ledes til et fraksjoneringssystem (ikke vist) for å anvendes som kjole^iddelkomor.enter slik som det vil bli beskrevet i det f ol<g>enda. Hoveddelen av st romen fra bunnen av tårnet 28 resirk-uleres gjennom °n koker 32 slik at det skaffes darr, ti? bunnskåler.e j tårnet.

*! ?. t u r ga s s - s t r6 rr.e n forlater tårnet 28 som overopp 'r-^tet dar; o- passerer gjennom ledningen 34 til en tredje varmeveksler 3-: solikeledas arbeider ned et kjolemiddel bestående av em enke] komponent. I denne varmeveksler kjoles rassen tilnærmet til - 34° C. Gass-strommen ledes derefter til en annen faseseparator 38 hvorfra 'ytterligere kondenserte hydrokarboner fraskilles o~ ]Qdes ~j enn orr. ledningen 40 tilbake til vasketårnet 28 via pumpen å. °. o- 1 ed n in-fen 44 slik at de danner en returstrom for tårnet, '.''aturm, ss-strom^en som forlater topoen av faseseparatoren 38 som damp o^ kan bestå av over 90f- methan ved et trykk på tilnærmet 49>3 k^./cr*" og ved en temperatur av en størrelsesorden på - 34° G.

Gass-strommen ledes derefter gjennom lednin<g>en 46 til et rorsyste.m 48 i en varmeveksler 50 som arbeider med. to soner. Gass-strommen passerer oppover gjennorn rorsystemet 48 og kjoles av en motstro-"! av en forste fraksjon av et kjolemiddel bestående av flere komponentar hvilken fraksjon sproytes nedover rundt rorbuntene fra

sproytehoder $ 2. Denne del av kjoleprosessen skal senere beskrives mere i detalj; riet skal forelOnig bemerkes at <rass-str6mmien som skal kjoles når den når toppen av rorsystemet 48 i den forste sone er kjol.t ned til omkrin;1: 112° C. Gass-strommen passerer derefter direkte til et annet rørsystem 54 i den annen sone av varmeveksleren og strommor onn gjennom dette ror sy sterr- hvor den kjoles ved hje]p av en annen motstrommonde fraksjon av et av flere komponenter bestående kjolemiddel hvilken fraksjon sproytes nedover rorsystemet fra sproytehoder 58. Gass-strornmen tappes ut fra toppen av rorsystemet 54 RO!" en h.el t kondensert og underkjolet st rom med en temperatur av en størrelsesorden på - 163° C og et trykk av en størrelsesorden på /|5»5 kn;./cm~p. Den kondenserte o^ sterk^ ned-kjølte st rom får derefter anledning til å ekspendere i ventilen 58 til Qt trykk av en størrelsesorden på 4j5 kg./cm"" og en temperatur på omkrin": - 1^1° G. Som folge av den dype unrierkjolin^ opptrer det ikke noen plutselig fordampning og vcesken kan leveres direkte ti.l en lagertank hvor den kan lagres ved atmosfærisk trykk og en temperatur på omkrin^ - l6l° C.

I varmevekslerne 12, 24 og 3^ komprimeres kjolemiddelet

som består av en enkel komponent f.eks. propan i en kompressor med et forste komnressjonstrinn 60 og et annet kompressjonstrinn 62. Den komprimerte nronan kjoles og kondenseres fullstendig i vann-kjoleren 64 og ekspenderes i ventilen 66 for den trer inn i varmeveksleren 12 som en vraske ved en temperatur på omkring 18,3° C og et trykk på omkrin11: 8,1 kg./c". Varmeveksleren 12 såvel som de andre propanvarmevekslere kan varre av vanlig konstruksjon f.eks. med U-formede ror som er neddykket i den. flytende propan. En del av den flytende propan vil fordampe under samtidig kjoling av gass-&rommen i de U-formede ror og denne damp returneres gjennom ledningen 68 til et mellomliggende trinn i kompressoren 62. Det gjenværende flytende kjolemiddel fra varmeveksleren 12 iedes gjennom ledningen 70 til grenledninger 72 og 9°« Delen i grenledningen 72 ekspenderes i ventilen 74 til et trykk av en størrelsesorden på

4,3 kg./cm" og innfores i varmeveksleren 24 ved en temperatur av en størrelsesorden på - 4°C. Det flytende kjolemiddel fordampes under kjoling av strømmen av naturgass i varmeveksleren 24 og ledes tilbake gjennom ledningen 76 til sugesiden av kompressoren 62.

Det gjenværende flytende propan fra varmeveksleren 24 ledes gjen— nom ledningen 78 og ekspenderer i ventilen 80 til et trykk av en størrelsesorden av 1,3 kg./cm og innfores i varmeveksleren 36 ved en temperatur på omkring - 37° C. Denne del av kjolemiddelet fordampes under kjoling av gassstrommen som skal kondenseres og den nedkjølte damp ledes tilbake gjennom ledningene 82 og 84 til sugesiden av kompressoren 60. Det vil således forstås at gass-strommen som skal nedkjøles og kondenseres i kjølesystemet kjoles suksessivt i tre varmevekslere som arbeider med et kjolemiddel bestående en enkel komponent og hvor samme kjolemiddel anvendes ved progressivt avtagende trykk og temperatur i et tre-trinns kaskadekjolesystem.

I tille--- til kjoling av den tilforte gass-strom i det foran-nevnte kaskadesystem. anvendes det av en enkel komponent bestående kjolemiddel samtidi" til å kjole og delvis kondensere det av flere komponenter bestående kjolemiddel som anvendes i foldende trinn for kondensering og underkjoling av den tilforte ^ass-strom i varmeveksleren 50» Denne kjoling av det av flere komponenter bestående kjolemiddel ved hjelo av det av en enkel komponent bestående kjolemiddel finner sted i varmevekslerne 86 og 88 ved hjelp av den del av den flytende propan fra varmeveksleren 12 som tilfor°s --jennom hovedledningen fC og rrenledningen 00. Denne del av propanen ekspenderes i. ventilen 92 tii et trykk på omkring 4>3 kg./cm" og innfores i varmeveksleren 86 ved en temperatur på omkring - 4. c.

En del av pronanen fordampes under kjoling av det av flere komponenter bestående kjolemiddel og trekkes ut av varmeveksleren 86 gjennom ledninmen 87 o<r returneres til sugesiden av kor-pressoren 62. Det gjenværende flytende nro-pan ledes fra varmeveksleren 66 til varmeveksleren 38 gjennom ledningen 93 °? ekspensjonsventilen 94 slik at ropanen trer inn i varmeveksleren 66 ved et trykk ved omkring 1,3 kg./cm~ og en temperatur på omkring - 37' C. Denne del fordames under delvis kondensering av det av flere komponenter bestående kjolemiddel og propandampen tappes ut og returneres til sugesiden av kompressoren 60 gjennom ledningene 36 og 84. Den med propan arbeidende del av kjolesystemet omfatter således et lukket system hvor den tilforte strorn av naturgass kjoles ved hjelp av nro-pan i varmevekslerne 12, 24 og 36 mens det av flere komponenter bestående kjolemiddel delvis kondenseres i propanvarmevekslerne 86

og 88. For å kompensere for eventuelt tap av kjolemiddel i pro-pankretslopet kan det anordnes en tilforselsledning 97 på nedstrøms-

siden av ventilen 66 slik at flytende propan kan tilfores hvis det trenges. Alternativt kan gassformet propan tilfores til sugesiden av kompressoren hvis flytende propan ikke er for hånden.

Det skal nå vises til den del av kjølesystemet som arbeider med et av flere komponenter sammensatt kjolemiddel. 'Tange forskjellige blandinger av kjolemiddelkomponenter kan anvendes i det ovenfor beskrevne system, men det har vist seg at det kan oppnås en meget hov effektivitet når det anvendes en blanding som bare består av fire komponenter nemlig nitrogen, methan, ethan og propan. Videre er det funnet at en optimal sammensetning av disse fire komponenter omfatter 10 mole prosent nitrogen, 40 mole prosent methan, 35 mole prosent ethan og 15 mole prosent propan. Denne kjolemiddel-blanding komprimeres i en kompressor med et forste trinn 100 og et annet trinn 102 som omfatter en mellomliggende kjoler 104 og en efterfolgende kjoler 106. Mår denne blanding av flere komponenter forlater den efterfolgende kjoler 106, har den fortrinnsvis et trykk på 42>8 kg./cm2 og en temperatur på omkring 41>7° C. Den ledes derefter gjennom ledningen 108 til varmeveksleren 86 hvor den kjoles av proanet til tilnamnet 0° C. Derefter ledes den direkte gjennom den annen propanvarmeveksler 88 hvorfra den tappes ut ved en temperatur på omkring - 34>8° C og ledes gjennom ledningen 109 til faseseparatoren 110. Ved dette punkt er kjolemiddelet bestående av flere komponenter delvis kondensert slik at det flytende kondensat ved bunnen av separatoren 110 fortrinnsvis omfatter omkring 2 mole prosent nitrogen, 24 mole prosent methan, 48 mole prosent ethan og 26 mole prosent propan; Denne flytende fraksjon av kjolemiddelet ledes gjennom ledningen 112 til et rorsystem 114 i varmeveksleren 50 hvor den underkjoles til en temperatur på omkring - 112° C.

Denne underkjolte væske ekspenderes i ventilen 116 til et trykk på omkring 3,4 kg./cm<2> hvorved en liten del fordamper og temperaturen faller til - 119° C. Denne væske og dampen innfores i varmeveksleren 50 gjennom ledningen ll8 og sproytehodene 52 og danner et kjolemiddel som flyter nedover rørsystemene 48» 122 og 114.

Dampen som befinner seg i faseseparatoren 110 har fortrinnsvis en sammensetning på 20 mole prosent nitrogen, 58 mole prosent methan, 19 mole prosent ethan og 3 mole prosent propan. Denne damp fores gjennom ledningen 120 til rorsystemet 122 hvor dampen kjoles og kondenseres ved hjelp av det nedadstrommende kjolemiddel som nettopp er beskrevet. Det kondenserte kjolemiddel i rorsystemet 122 passerer direkte inn i et annet rorsystem 124 hvor det underkjoles til en temperatur på omkring - 163° G. Denne underkjolte flytende kjolemiddelfraksjon ekspenderes i ventilen 128 til et trykk på omkring 3,6 kg./cm. hvorved en liten del går over til damp og temperaturen faller til omkring - 167<0> C. Væsken og dampen innfores i varmeveksleren 50 gjennom ledningen 130 og sproytehodene 56 og strornmer nedover rorsystemene 54 og 124» k:ens den flytende kjole-mdddelfraksjon fra sproytehodene 56 strornmer nedover de nevnte to rorsystemer fordamper fraksjonen fullstendig og underkjoler derved både den gjennom kjolesystem.et strommende naturgass i rorsystemet 54 og den flytende fraksjon av det av flere komponenter bestående kjolemiddel i rorsystemet 124. På lignende måte blir den flytende fraksjon av det av flere komponenter bestående kjolemiddel som sproytes fra sproytehodene 52 fordampet i varmeveksling med rorsystemene 48, 122 og 114.

Som resultat av dette vil alle deler av det av flere komponenter bestående kjolemiddel på ny kombineres i dampfase ved bunnen av varmeveksleren 50 og tappes ut og fores ut gjennom' ledningene I36 og I38 til su^.esiden av kompressoren 100. Den del av det totale kjolesystem som arbeider med av flere komponenter bestående kjolemiddel danner således et separat lukket kretslop hvor den tilforte naturgass-strom kjoles meget effektivt fra propannivået ned til den endelige temperatur på - 163° C.

En ti.lforselsledninT 140 med ventil I42 kan v?;re anordnet for tilforsel av et av flere komponenter bestående kjolemiddel i en mengde som er nodvendig for å kompensere for uunngårli.ge tap. Som tidligere nevnt kan dette erstatningskjolemiddel fåes ved fraksjo-nering av hydrokarbonene som tappes ut gjennom lednin<g>en 30 fra vasketårnet 28 under tilsetning av ekstra nitrogen.

Av den foranstående beskrivelse vil det forstås at oppfinnelsen skaffer et kjolemiddelkretslop hvor den tilforte gass-strom som skal kjoles progressivt kjoles forst ved hjelp av flere kaskadevarmevekslere og derefter ved hjelp av en med. flere komponenter arbeidende varmeveksler med en forste og en annen sproyte-sone eller trinn hvor den tilforte gass-strom utsettes for kjoling ved progressiv fordampning av to fraksjoner av det av flere komponenter bestående kjolemiddel. Det vil videre forstås at i for-bindelse med denne varmeveksler med to soner og med et kjolemiddel bestående av flere komponenter vil dette kjolemiddel bare utsettes for en partiell kondensasjon nemlig den partielle kondensasjon som finner sted i varmevekslerene 86 g 88. Kondensatet som dannes i disse varmevekslere og skilles ut i separatoren 110 er underkjolet og innsprdytes inn i hovedvarmeveksleren 50, mens dan ikke-kondenserte del kjoles og underkjoles i hovedvarmeveksleren for den ledes tilbake til mantelsiden. Det vil derfor være innlysende at antallet rorkretslop, faseseparatorer og tilhorende ledningssystemer og ventiler vil være et absolutt minimum samtidig som det oppnås alle fordeler ved anvendelse av et kjolemiddel bestående av flere komponenter for kondensering og underkjdling av den tilforte gass-strdm.

Til slutt skal bemerkes at sproytehodene 52 og 56 skal kon-strueres for jevn fordeling cv de flytende kjolemiddelfraksjoner og fordampede fraksjoner over rørsystemene. Alternativt kan en faseseparator innsjaltes mellom ventilen ll6 og sproytehodene 52 og likeledes mellom ventilen 1?8 cg sproytehodene 56 for å adskille de to faser. I dette tilfelle kan de fraskilte væske- i bunnen av disse separatorer ledes til de respektive sprdytehoder mens den fra-separerte damp innfores i varmeveksleren 50 gjennom ledninger (ikke vist) som munner ut i varmevekslermantelen umiddelbart i nærheten av spro<y>tehodene 52 og ^ >6. T begge tilfelle innfores både d,et flytende kjolemiddel og den lille mengde fordampet kjolemiddel i varmeveksleren i nærheten av sproytehodene henholdsvis 52 og 56.

Claims

1. Fremgangsmåte til total kondensering av en gass-strøm, som f.eks. en strøm av naturgass, omfattende føring av et av en enkelt komponent bestående kjølemiddel i suksessiv varmeveksling med den nevnte gass-strøm ved gradvis lavere temperaturer for for-kjøling av gass-strømmen, karakterisert ved kjøling og delvis kondensering av et kjølemiddel omfattende minst tre komponenter, av hvilke den ene har et kokepunkt vesentlig lavere enn metan, adskillelse av den kondenserte fraksjon av det delvis kondenserte av flere komponenter bestående kjølemiddel fra dampfraksjonen og ytterligere kjøling av gass-strømmen i flere trinn, av hvilke ett består i å føre nevnte kondenserte fraksjon av det av flere komponenter bestående kjølemiddel i varmeveksling med gass-strømmen, og et annet trinn for fortsatt kjøling av gass-strømmen ved å føre dampfraksjonen av det av flere komponenter bestående kjølemid-del i varmeveksling med den nevnte kondenserte fraksjon for å bevirke kondensering av dampfraksjonen og deretter føring av den kondenserte dampfraksjon i varmeveksling med gass-strømmen.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det av flere komponenter bestående kjølemiddel på kjent måte føres i varmeveksling med ett av en enkelt komponent bestående kjølemiddel, f.eks. ved flere gradvis synkende temperaturer.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, ka,rakterisert ved at det av en enkelt komponent bestående kjølemiddel på i og for seg kjent måte føres gjennom tre varmevekslingstrinn i varmeveksling med gass-strømmen.

4. Fremgangsmåte som angitt i et hvilket som helst av de foranstående krav, karakterisert ved at det av flere komponenter bestående kjølemiddel består av fire komponenter av hvilke én er metan.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at to av komponentene er henholdsvis etan og propan, og at den kondenserte fraksjon inneholder mer etan (enn metan eller propan.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 4 eller 5, karakterisert ved at det av flere komponenter be stående kjølemiddel omfatter en hovedmengde metan, en mindre mengde etan, en ennu mindre mengde propan og en liten mengde nitrogen.

7. Apparat til utførelse av total kondensering av en gass-strøm ved anvendelse av fremgangsmåten som angitt i et hvilket som helst av de foranstående krav, karakterisert ved en enkelt separator (110) egnet til å adskille det av flere komponenter bestående delvis kondenserte kjøle-middel i en dampfraksjon og en kondensert fraksjon, en enkelt to-trinns varmeveksler (50) for total kondensering av gass-strømmen, en ledning (112) for ledning av den nevnte kondenserte fraksjon fra separatoren (110) til første trinn (114 - 118) i varmeveksleren (50), en ledning (120) for føring av dampfraksjonen fra separatoren (110) gjennom passasjer (122) i første trinn i varmeveksleren i varmeveksling med den nevnte kondenserte fraksjon til annet trinn (124 - 130) i varmeveksleren og et første og et annet sett varmevekslingspassasjer (48,54) for føring av den nevnte for-kjølte gass-strøm gjennom det første og annet trinn for total kondensering av gass-strøm-men.

8. Apparat som angitt i krav 7, karakterisert ved flere varmevekslere (86,88) som kjøles av et av én komponent bestående kjølemiddel er forbundet med den nevnte to-trinns varmeveksler (50) for for-kjøling av det av flere komponenter bestående kjølemiddel.

9. Apparat som angitt i krav 8, karakterisert ved flere varmevekslere (12,24,36) med ledninger (97, 70,72,78) for tilførsel av et av én enkelt komponent bestående kjølemiddel til hver av de nevnte varmevekslere ved forskjellige temperaturer, samt anordninger (10,18,22,34) for føring av gass-strømmen som skal kondenseres gjennom hver av de nevnte varmevekslere (12,24,36) for for-kjøling av gass-strømmen.