NO159683B - Fremgangsmaate og anordning for kjoeling og flytendegjoeringav minst en gass med lavt kokepunkt, saasom naturgass. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte og

en anordning for kjøling og flytendegjøring av minst én gass med lavt kokepunkt, såsom naturgass eller eventuelt en hvilken som helst gassblanding som inkluderer minst én komponent med lavt kokepunkt.

Det er allerede kjent fremgangsmåter for flytende-gjøring av f.eks. naturgass, hvor naturgassen gradvis flytende-gjøres ved suksessive varmeutvekslinger med flere kjøleflui-dumer med avtagende kokepunkter. Denne såkalte flytende-gjøringsmetode i kaskade krever anvendelsen av et stort antall utvekslere, kompressorer, pumper osv., som tillater sirkula-sjon i lukket kretsløp av hvert av kjølefluidumene. Anlegget er derfor meget sammensatt og utstyrets mangfoldighet reduse-rer påliteligheten av hele anlegget. Dertil kommer at kjøle-kurvene for disse kjølefluidumer ikke følger naturgassens tilsvarende kurveforløp, hvilket følgelig medfører redusert effektivitet og derfor betydelige energitap.

Det er også kjent fremgangsmåter ved flytendegjøring av naturgass ved varmeutveksling med et kjølefluidum med flere komponenter utsatt for minst én delkondensering, idet den kondenserte del av kjølefluidumet ved varmeutveksling sikrer flytendegjøring av naturgassen. Den kondenserte del eller fraksjon av kjølefluidumet danner også et kjølefluidum med flere komponenter. Kjølekurven for kjølefluidumet med flere komponenter er i dette tilfelle tilsvarende kjølekurven for naturgass. Dessuten er anlegget forenklet og krever bare ett kompressoraggregat siden det kun finnes ett (komplekst) kjølefluidum.

Det er også kjent å anvende et hjelpekjølefluidum

med en eller flere komponenter til forkjøling samtidig eller hver for seg av naturgassen som skal flytendegjøres og hoved-kjølefluidumet. Hjelpe- og hovedkjølefluidumene som hvert sirkulerer i en lukket krets, er hvert komprimert ved hjelp av et separat kompressoraggregat.

Disse fremgangsmåter som anvender kjølefluidumer

med flere komponenter, benytter spiralvarmevekslere for å

oppnå god effekt og nærmere bestemt en korrekt homogenitet av blandingen av væske og damp ved dennes fordeling foran i

varmeveksleren og under fordampningen i denne. Uheldigvis er slike varmevekslere alltid kostbare, plasskrevende og tunge.

Foreliggende oppfinnelse har således til formål å unngå de ovennevnte ulemper ved fremgangsmåter ifølge tidlig-ere kjent teknikk ved å anordne en fremgangsmåte for kjøling og flytendegjøring av f.eks. naturgass og som særlig gir bedre effektivitet samtidig som omkostningene reduseres.

For å løse denne oppgave er foreliggende oppfinnelse rettet på en fremgangsmåte for flytendegjøring av en gass med lavt kokepunkt, såsom naturgass, ved varmeveksling med minst én del av et hovedkjølefluidum med flere komponenter, på for-hånd nedkjølt til i det minste delvis flytende tilstand ved varmeveksling med et hjelpekjølefluidum med flere komponenter, idet kjølefluidumene danner en kjølekaskade og hoved-kjølefluidumet strømmer i et lukket kretsløp og der suksessivt undergår: minst én kompresjon i gasstilstand, minst én forhåndsnedkjøling med i det minste delvis kondensering under varmeveksling med hjelpekjølefluidumet, separasjon av væske- og dampfasen som således er oppnådd, at dampfasen deretter undergår minst én nedkjøling til full kondensering til flytende tilstand, idet den således flytendegjorte dampfase og væskefasen deretter underkjøles og så ekspanderes under en tilhørende varmeveksling, og en endelig fordampning i motstrømskretsløp med seg selv og med gassen for å i det minste delvis bringe denne til flytende tilstand, hvorved hovedkjølefluidumet således oppvarmet til dampfase resirkuleres og rekomprimeres, og oppfinnelsen er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av den karakteriserende del av det etter-følgende krav 1.

Ifølge et annet trekk ved oppfinnelsen blir den første del av dampfasen og den første fraksjon av væskefasen blandet etter fordampningen, men før ny komprimering skjer,

og den andre del av dampfasen og den andre fraksjon av væskefasen blir likeledes blandet etter fordampningen, men før ny komprimering finner sted.

Ifølge et ytterligere trekk ved oppfinnelsen blir

den første del av dampfasen og den første fraksjon av væskefasen blandet etter ekspansjonen, men før fordampningen skjer, og den andre del av dampfasen og den andre fraksjon av væske-

fasen blir likeledes blandet etter ekspansjonen, men før fordampningen finner sted.

Ytterligere karakteristiske trekk ved oppfinnelsens fremgangsmåte vil fremgå av krav 4 - 10, og oppfinnelsens apparat er kjennetegnet ved de trekk som fremgår av krav 11 - 16.

Den foreliggende fremgangsmåte og det tilhørende apparat byr på et stort antall fordeler, såsom f.eks.: - En bemerkelsesverdig fleksibilitet som tillater meget forskjellige arbeidsbetingelser, f.eks. en forandring av arten av den gass som skal flytendegjøres, mens samtidig en høy termodynamisk effekt opprettholdes, idet den nevnte fleksibilitet fremkommer både når det gjelder fremgangsmåtens oppbygning og i arbeidstrinnet for den flytendegjørende enhet, - en spesiell tilpasning til anvendelsen av platevarme- vekslere som fører til moderate omkostninger for den kryogeniske varmevekslingssone,kombinert med en modulkonstruksjon som letter transporten og anbringelsen f.eks. på en lekter, - en fremgangsmåteutførelse som er tilstrekkelig egnet for progressiv modifisering for tilpasning til forskjellige spesielle behov, såsom oppvarming av kompressor-innløpene i hovedkretsen og mellombehandling av naturgassen under flytendegjøringen.

Fremgangsmåtens f leks i'bilitet beror på følgende karakteristiske trekk ved hovedkjølefluidumet: molare proporsjoner av nitrogen, methan, propan og tyngre hydrokarboner, - molare proporsjoner av damp etter delvis kondensering i hjelpekjølesyklusen, - trykk ved fordampning av de forskjellige fraksjoner i den underkjølte flytende tilstand,

fordeling av hver av de underkjølte væskefraksjoner mellom de forskjellige trykknivåer.

Oppfinnelsen vil forstås bedre og ytterligere detaljer, karakteristiske trekk og fordeler ved den vil fremgå klarere ut fra følgende beskrivelse under henvisningtil de skjematiske tegninger som viser aktuelle og foretrukne ut-førelser av oppfinnelsen, idet fig. 1 er et skjematisk diagram for et apparat til kjøling og flytendegjøring av en gass med lavt kokepunkt, såsom naturgass, i samsvar med oppfinnelsen, fig. 2 er en skjematisk fremstilling av en første utførelse av den kryogeniske varmeveksler for hovedkjølefluidumkretsen i samsvar med oppfinnelsen, fig. 3 er en skjematisk fremstilling av en annen utførelse av den kryogeniske varmeveksler for hovedkjølefluidumkretsen, fig. 4 viser skjematisk en tredje utførelse av den kryogeniske varmeveksler for hovedkjølefluidum-kretsen, fig. 5 er et skjematisk riss av en annen utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen og fig. 6 er et skjematisk riss av en utførelse av hjelpekjølekretsen.

På de forskjellige figurer er tilsvarende henvis-ningstall anvendt for å betegne identiske eller lignende elementer eller deler og trykkverdiene er antydet som eksemp-ler og uttrykt i bar over atmosfæretrykket.

Med spesiell henvisning til fig. 1 er den åpne

krets for gassen, f.eks. naturgass, som skal flytendegjøres, betegnet generelt med henvisningstallet 1, mens den lukkede krets for hovedkjølefluidumet er betegnet generelt med henvisningstallet 2 og den lukkede krets for hjelpekjølefluidumet er betegnet med henvisningstallet 3. De lukkede kretser for hoved- og hjelpekjølefluidum er symbolsk avgrenset ved å være tegnet inne i en rektangulær ramme som på fig. 1 og 6 er truk-ket med strekpunkterte linjer, og banen for den gass som skal flytendegjøres, er indikert med en sammenhengende heltrukket linje. Kretsen 1 for den gass som skal flytendegjøres og kretsen 2 for hovedkjølefluidumet er termisk kombinert eller inn-byrdes forbundet gjennom felles kryogeniske varmevekslere 4

for flytendegjøringen hhv. underkjølingen av gassen på den ene side og preliminær kjøling av gassen i en varmeveksler 5 på

den annen side. Hoved- og hjelpekjølefluidumkretsene 2 hhv. 3 er kombinert ved hjelp av minst én felles kryogenisk varmeveksler 6 til forkjøling og i det minste delvis flytendegjør-ing av hovedkjølefluidumet.

Den åpne krets 1 for gass som skal flytendegjøres, inkluderer en rørledning 7 for mating av gassen til forkjø-ling s-varme veksleren 5 forbundet med minst én indre strøm-ningsbane 8 i varmeveksleren 5, hvis avløp er forbundet over en rørledning 9 med et valgfritt apparat 10 for behandling av gassen, særlig for ekstrahering av ethan. Andre gassbehand-lingsapparater kan selvsagt være anordnet, særlig kan et nitro-genekstraheringsapparat f.eks. være anordnet i området for den kryogeniske varmeveksler 4. Avløpet fra apparatet 10

er forbundet over en rørledning 11 med inntaket til varmeveksleren 4.

En rørledning 12 som går forbi rørledningen 7, kan være anordnet og forbundet med en bane 13 for strømning av en del av den gass som skal flytendegjøres i den kryogeniske varmeveksleren 6 av hjelpekjølef luidumkretsen, hvis utløp er tilkoblet over en strømningsbane 14 til rørledningen 11 før inntaket til varmeveksleren 4. Rørledningen 11 er forbundet med en innvendig strømningsbane 15 som går gjennom den kryogeniske varmeveksler 4 og hvis nedstrømsende er koblet ved utløpet av varmeveksleren 4 til en rørledning 16 for fly-tendeg jort naturgass gjennom minst ett ekspansjonselement 17, såsom en ekspansjonsventil.

Den lukkede krets 2 inneholder et hovedkjølefluidum bestående av en blanding av flere komponenter, hvorav i det minste den største del mest fordelaktig består av hydrokarboner. Den relative molare komposisjon av dette kjøle-fluidum kan f.eks. være som følger:

Kretsen 2 inkluderer også i rekkefølge (i retning av strømningen av kjølefluidumet): en første kompressor 18 og en annen kompressor 19 for kjølefluidumet i gasstilstand, hvilke drives enten hver for seg av en individuell drivanordning eller sammen åv en felles drivanordning; i det siste tilfelle er deres respektive aksler koblet mekanisk til hverandre. De to kompressorer 18, 19 er seriekoblet med en varmeveksler/kjøler 20 hvis kjølefluidum fordelaktigst har utvendig opprinnelse og består f.eks. av vann eller luft. Kompressorene 21, 22 kan drives sammen eller i forbindelse med minst én av kompressorene 18, 19 eller hver for seg. Ut-løpet fra varmveksler/kjøleren 20 er over en rørledning 21 forbundet med en tredje kompressor 22 og en fjerde kompressor 23 som er seriekoblet gjennom minst én mellomkjøler 24 hvis kjølefluidum fordelaktigst har utvendig opprinnelse og består f.eks. av vann eller luft. Kompressorens 23 utløp og tømmeåpning er forbundet ved hjelp av en rørledning 25 gjennom en varmeveksler/kjøler 26 (hvis kjølefluidum fordelaktigst er av utvendig opprinnelse, såsom f.eks. vann eller luft), med innløpet på varmeveksleren 6 og nærmere bestemt med oppstrømsenden av minst én innvendig strømningsbane som strekker seg inne i sistnevnte. Den kryogeniske varmeveksler 6 for hjelpekjølefluidumkretsen består fordelaktigst av en platevarmeveksler. Ved utløpet av varmeveksleren 6 er ned-strømsenden av strømningsbanen 27 forbundet over en rørled-ning 28 med minst én faseseparator 29. Væskeoppsamlings-rommet i denne faseseparator er over en rørledning 30 forbundet med innløpet til varmeveksleren 4 og nærmere bestemt med oppstrømsenden av minst én strømningskrets 31 som strekker seg inne i varmeveksleren 4 i hovedsakelig samme retning som den innvendige bane 15 for strømning av gassen som skal flytendegjøres. Nedstrømsenden av den innvendige strømnings-krets 31 deles etter utløpet fra varmeveksleren 4 i to strøm-ningsbaner 33 hhv. 32 forbundet med innløpet til ekspansjons-innretninger i form av elementer 34 hhv. 35. Ved utløpet av hvert element 34, 35 er tilkoblet et rør 36, 37 som strekker seg inne i den kryogeniske varmeveksler 4 i hovedsakelig samme retning som den innvendige bane 15 for strømmen av gassen som skal flytendegjøres og til strømningskretsen 31 og i motstrømsforhold.

Dampoppsamlingsrommet i faseseparatoren 29 er forbundet over en rørledning 38 med innløpet for den kryogeniske varmeveksler 4 og nærmere bestemt med oppstrømsenden av minst én annen innvendig strømningskrets 39 som strekker seg hovedsakelig parallelt med strømningsbanen 15 og kretsen 31. Ned-strømsenden av strømningskretsen 39 deler seg etter utløpet fra varmeveksleren 4 i to strømningsbaner 40, 41 forbundet med innløpet til ekspansjonselementet 42 hhv. 43, idet ut-løpet fra ekspansjonselementene 42, 43 er forbundet med rørene 44 hhv. 45 som strekker seg inn i den kryogeniske varmeveksler 4 i hovedsakelig samme retning som de andre strømnings-baner, -kretser og rør 15, 31, 36, 37 og 39.

Ifølge oppfinnelsen er den kryogeniske varmeveksler

4 i hovedkjølefluidumkretsen 2 en platevarmeveksler som i likhet med ovenstående beskrivelse er utstyrt med forskjellige gjennomgangsbaner for hvert av fluidumene som foreligger under varmevekslingen, nemlig gassen som skal flytendegjøres, væske- og dampfasene eller fraksjonene av det delvis kondenserte hovedkjølefluidum, såvel som fraksjonene som fremkommer av disse ekspandert til forskjellige trykknivåer.

Etter utløpet fra den kryogeniske varmeveksler 4

blir rørenes 36 og 44 strøm av fraksjoner av hovedkjøleflui-dumet ekspandert til det samme trykk, f.eks. et middeltrykk som ligger mellom 1,5 og 3 bar, og de er forbundet med hverandre til en enkelt strømningskrets 46 som eventuelt kan føres gjennom varmeveksleren 5 til forkjøling av gassen som skal flytendegjøres, særlig i motstrømsforhold med denne,

idet nedstrømsenden av strømningskretsen 46 er forbundet med inntaksåpningen på kompressoren 19. Tilsvarende blir etter utløpet fra den kryogeniske varmeveksler 4 rørenes 37 og 45 strøm av fraksjonene av hovedkjølefluidumet ekspandert til et samme trykk, særlig et lavt trykk, f.eks. lavere enn omkring 1 bar over atmosfæretrykket, og de er forbundet med hverandre til en enkelt strømningskrets 47 hvis nedstrøms-ende munner ut i inntaksåpningen på kompressoren 18.

Kretsen 3 inneholder et hjelpekjølefluidum bestående av en blanding fortrinnsvis på basis bare av hydrokarbon med f.eks. følgende relative molære komposisjon:

Kretsen 3 med hjelpekjølefluidum inkluderer i rekkefølge følgende elementer (i retning av fluidumstrømmen) ;: henholdsvis første, andre og tredje kompressorer 48, 49, 51 forbundet i serie med hverandre og drevet enten ved respektive individuelle drivanordninger eller ved minst én drivanordning felles for i det minste to kompressorer som i dette tilfelle er direkte koblet med hverandre mekanisk over sine respektive aksler. Utløps- eller tømmeåpningen for den annen kompressor 4 9 er forbundet med innløpet eller inntaksåpningen for den tredje kompressor 51 ved hjelp av en rørled-ning 54 gjennom en varmeveksler/kjøler 50 med et kjølemiddel fortrinnsvis med utvendig opprinnelse såsom f.eks. vann eller luft. Utløps- eller tømmeåpningen for den tredje kompressor 51 er forbundet over en rørledning 55 med en kondensator 52-hvis avløp er forbundet over en rørledning 56 med en under-kjøler 53.

Utløpet fra underkjøleren 53 er ved hjelp av en rørledning 57 koblet til den kryogeniske varmeveksler 6 som særlig kan være en platevarmeveksler, og nærmere be-

stemt med oppstrømsenden av en strømningskrets 58 som går gjennom varmeveksleren 6 i retning hovedsakelig parallell med banen 13 og kretsen 27 for strømningen av gassen som skal flytendegjøres hhv. for hovedkjølefluidumet.

Kretsen 58 for strømmen av hjelpekjølefluidum i den kryogeniske varmeveksleren 6 har f.eks. tre forbiføringer 59, 60 og 61 anordnet ved tre forskjellige nivåer i utveksleren 6. De tre forbiføringer 59, 60 og 61 er hver forbundet med et ekspansjonselement hhv. 62, 63 og 64 hvis avløp er koblet til en separator for damp- og væskefaser hhv. 65, 66 og 67. I

alle tre tilfeller er væskesamlerommet i faseseparatorene 65, 66 og 67 ved hjelp av strømningskretser hhv. 68, 69 og 70 forbundet med et innløp på den kryogeniske varmeveksler 6 og nærmere bestemt med oppstrømsenden av en strømningskrets hhv. 71, 72 og 73, hvorav den største del strekker seg inne i den kryogeniske varmeveksler 6 i en retning som er i det minste tilnærmet parallell med banen 13 og kretsene 27 og 58 for strømmen av henholdsvis gass som skal flytendegjøres, av hoved-kjølefluidum og av hjelpekjølefluidum før ekspansjon. På lignende måte er dampoppsamlingsrommene i hver faseseparator 65, 66, 67 forbundet ved hjelp av en strømningskrets hhv. 74, 75 og 76 med et innløp på en kryogenisk varmeveksler 6 og nærmere bestemt med oppstrømsenden av en strømningskrets 77, 78, 79, hvorav den største del strekker seg inne i den kryogeniske

varmeveksler 6 i hovedsakelig samme retning som de andre innvendige strømningsbaner/kretser 13, 27 og 58. Etter å ha forlatt varmeveksleren 6 blir strømningskretsene 71 og 77, 72 og 78, 73 og 79 respektive forbundet med hverandre til en enkelt strømningskrets henholdsvis 80, 81 og 82. Strømnings-kretsen 82 er forbundet med innløpsåpningen på kompressoren 48, strømningskretsen 81 er forbundet med innløpsåpningen på kompressoren 49 og strømningskretsen 80 er forbundet med innløpsåpningen på kompressoren 51.

Kretsen 1 arbeider som følger: Gassen som skal flytendegjøres, f.eks. naturgass, kommer gjennom rørledningen 7 ved en temperatur på f.eks. ca. 20°C og et trykk på f.eks. omkring 42,5 bar, strømmer gjennom den indre strømningsbane 8 i varmeveksleren 5 og forkjøles i denne ved varmeveksling med hovedkjølefluidumet fordampet etter ekspansjon i den kryogeniske varmeveksler 4 og sirkulert gjennom strømnings-kretsen 46 i motsatt retning av strømmen av gass i den indre bane 8. Gassen som forlater varmeveksleren 5 gjennom rørled-ningen 9 har en temperatur på f.eks. omkring -45°C og et trykk på f.eks. omring 42 bar. Deretter går den gjennom be-handlingsapparatet 10 og når gjennom rørledningen 11 inn-løpet på strømningsbanen 15 i platevarmeveksleren 4, hvor den blir helt flytendegjort og deretter underkjølt ved varmeveksling med hovedkjølefluidumet. Den flytendegjorte gass forlater varmeveksleren 4 ved en temperatur på f.eks. omkring -154°C og et trykk på f.eks. omkring 41,5.bar. Den blir deretter ekspandert i ekspansjonselementet 17 og føres deretter til stedet for lagring av den flytendegjorte naturgass eller til et sted for behandling av gassen for anven-delse av denne.

En del av gassen som skal flytendegjøres kan også være forkjølt ved varmeveksling med hjelpekjølefluidumet i den kryogeniske varmeveksler 6, idet nevnte del deretter kombineres med resten av gassen som skal flytendegjøres før dennes innføring i den kryogeniske varmeveksler 4.

Kretsen 2 for hovedkjølefluidumet arbeider som følger: Andelen av hovedkjølefluidum som er ekspandert til et lavt trykk, suges i gasstilstand inn ved en temperatur på f.eks. omkring -52°C og et trykk på f.eks. omkring 0,08 bar av den første kompressor 18, hvorfra den strømmer ut ved et middeltrykk på f.eks. omkring 2 bar og ved en temperatur på f.eks. omkring 10°C, og den suges deretter inn av den annen kompressor 19 på samme tid som hovedkjølemiddel-andelen ekspanderes til et middeltrykk lik f.eks. omkring 2 bar og hvis temperatur er f.eks. omkring 10°C. Det hele leveres ved hjelp av kompressoren 19 ved en temperatur på f.eks. omkring 71°C og ved et trykk på f.eks. omkring 6,5 bar og går deretter gjennom varmeveksler/kjøleren 20, hvori temperaturen på hovedkjølefluidumet senkes f.eks. til omkring 15°C. Gassen går deretter gjennom rørledningen 21 og inn i innløpsåpningen for kompressoren 22, går gjennom varmeveksler/kjøleren 24, hvoretter den komprimeres i kompressoren 23 og deretter går gjennom rørledningen 25 og varmeveksleren

26. Hovedkjølefluidumet som forlater varmeveksleren 26, har f.eks. en temperatur omkring 15°C og et trykk på omkring 27.4 bar. Deretter trer gassen inn i strømningskretsen 27

for den kryogeniske varmeveksler 6, hvor hovedkjølefluidumet kjøles ved varmeveksling med hjelpekjølefluidumet og således i det minste delvis blir flytendegjort. Hovedkjølefluidumet som således i det minste delvis er kondensert ved en temperatur på f.eks. omkring -50°C og et trykk på f.eks. omkring 26.5 bar, forlater deretter varmeveksleren 6 i form av en blanding av gass og væske, og disse faser separeres deretter i faseseparatoren 29. Gassfasen føres gjennom rørledningen 38 inn i de segmenter av strømningskretsen 39 som befinner seg i den kryogeniske varmeveksler 4 for å bli flytendegjort og deretter underkjølt i denne til en temperatur på f.eks. omkring -154°C. En del av denne flytendegjorte og underkjølte gass strømmer gjennom banen 41 og ekspanderes i ekspansjonselementet 43 til et trykk på f.eks. -156°C. Ved utløpet av røret 45 for strømmen av denne fraksjon av flytendegjort og underkjølt gass er temperatur- og trykkbetingelsene f.eks. omkring -52°C hhv. 0,08 bar. Den

annen del av den flytendegjorte og underkjølte gass strøm-

mer gjennom banen 40 og ekspanderes i ekspansjonselementet 42 til et trykk på f.eks. omkring 2,3 bar, idet temperaturen er omkring -153°C. Ved utløpet av røret 44 for strømmen av denne fraksjon i varmeveksleren 4 er temperatur- og trykkbetingelsene f.eks. som følger: -152°C og 2,10 bar.

På lignende måte blir væskefasen av hovedkjøle-fluidumet som kommer fra faseseparatoren 29, ført gjennom rør-ledningen 30 inn i strømningskretsen 31 for den kryogeniske varmeveksler 4 for å bli underkjølt i denne til en temperatur på f.eks. omkring -154°C og et trykk på f.eks. omkring 26 bar. Én fraksjon av den underkjølte væskefase av hovedkjøleflui-dumet går gjennom ekspansjonselementet 35, hvor fluidumets trykk reduseres f.eks. til omkring 0,3 bar, mens en annen fraksjon av den underkjølte væskefase som strømmer gjennom banen 33, ekspanderes i ekspansjonselementet 34 til et trykk på omkring 2,3 bar, idet temperaturen er f.eks. omkring -153°C. Etter strømning gjennom rørene 37 hhv. 36 har den første og den andre fraksjon av væskefasen av hovedkjølefluidumet følgende temperatur og trykkbetingelser: -52°C og 0,08 bar hhv.

-52° og 2,10 bar.

Således blir ifølge oppfinnelsen en første del av dampfasen av hovedkjølefluidumet etter å være kondensert og underkjølt, ekspandert til et første trykk, og en annen del ekspanderes til et annet trykk; på den annen side blir en første fraksjon av nevnte væskefase av hovedkjølefluidumet etter å være underkjølt, ekspandert til nevnte første trykk, idet en annen fraksjon ekspanderes til nevnte annet trykk. Selvsagt kan damp- og væskefasene deles opp i et vilkårlig antall deler hhv. fraksjoner f.eks. tre eller fler, idet det trykk som en fraksjon av væskefasen ekspanderes til svarer til det trykk som en tilsvarende del av dampfasen ekspanderes.

Etter fordampningen blir den første del og fraksjon

av damp- hhv. væskefasen blandet og den annen del og fraksjon av hhv. damp- og væskefasen blir likeledes blandet.

Det er også en annen mulighet som består i blanding

av den første del av dampfasen og den første fraksjon av væskefasen etter ekspansjonen, men før fordampning, og at den andre del av dampfasen og den første fraksjon av væskefasen

likeledes blandes etter ekspansjonen, men før fordampningen (utførelse vist på fig. 5).

Til slutt blir den del av hovedkjølefluidumet som

er fordampet ved lavt trykk, sluppet gjennom strømningskret-sen 47 inn i innløpsåpningen på kompressoren 18, mens den del av hovedkjølefluidumet som er fordampet ved middels trykk, slippes inn gjennom strømningskretsen 46, eventuelt etter å

ha passert gjennom varmeveksleren 5 for forkjøling av gassen som skal flytendegjøres, inn i innløpsåpningen på kompressoren 19.

Funksjonen av hjelpekjølefluidumkretsen 3 er som følger: Hjelpekjølefluidumet i gassform som forlater kompres-sorsetet 48, 49, 51 har f.eks. en temperatur på omkring +46°C og et trykk på f.eks. omkring 16 bar. Etter å ha passert gjennom kondensatoren 52 og underkjøleren 53 har hjelpekjøleflui-dumet en temperatur på omkring +13°C, mens trykket er omkring 15,1 bar. Andelen av hjelpekjølefluidumet som er ført uten-om gjennom forbiføringen 59, har en temperatur på f.eks. omkring 0°C og et trykk på f.eks. omkring 15 bar. Etter ekspansjon i ekspansjonselementet 62 reduseres temperaturen til f.eks. omkring -6,5°C og trykket f.eks. til omkring 8,5 bar. De således oppnådde damp- og væskefaser som separeres ved hjelp av faseseparatoren 65, strømmer deretter inn i den kryogeniske varmeveksler 6 gjennom strømningskretsene 77 hhv. 71, i varmevekslingsforhold til de fluidumer som foreligger i de andre strømningsbaner/kretser 13, 27 og 58 som passerer varmeveksleren 6. Idet nevnte damp- og væskefaser er blandet etter deres utløp fra veksleren 6, er da temperatur- og trykkbetingelsene for hjelpekjølefluidumet som følger: F.eks. omkring 11°C og f.eks. omkring 8,5 bar. Denne del av hjelpe-kjølef luidumet føres til innløpsåpningen for kompressoren 51 gjennom strømningskretsen 80 og rørledningen 54.

Temperatur- og trykkbetingelsene for den annen del av hjelpekjølefluidumet og som strømmer gjennom forbiføringen 60 er som følger: F.eks. omkring -25°C og f.eks. omkring 14,5 bar. Etter ekspansjon i ekspansjonselementet 63 reduseres temperaturen f.eks. til omkring -28°C og trykket f.eks. til omkring 4 bar. De således oppnådde væske- og dampfaser går gjennom strømningskretsene 78 hhv. 72 inn i varmeveksleren

6 for å ta del i varmevekslingen med de andre fluidumer som strømmer i denne, og de blir deretter forbundet med hverandre til en strømningskrets 81 når de forlater varmeveksleren. Temperatur- og trykkbetingelsene for denne del av hjelpe-kjølef luidumet er da som følger: F.eks. omkring -3°C og f.eks. omkring 3,9 bar. Denne del av hjelpekjølefluidumet føres inn i innløpsåpningen på kompressoren 49. Tilsvarende strømmer en tredje del av hjelpekjøle-fluidumet gjennom forbiføringen 61 ved en temperatur på f.eks. omkring -50°C og et trykk på f.eks. omkring 14,2 bar. Etter ekspansjonen i ekspansjonselementet 64 vil disse temperatur-og trykkbetingelser forandre seg som følger: F.eks. omkring -54°C og f.eks. omkring 1,1 bar. De således fremkomne damp-og væskefaser separeres i faseseparatoren 6 7 pg strømmer deretter gjennom strømningskretsene 73 og 79 inn i varmeveksleren 6 for å delta i varmeveksling med de øvrige fluidumer som strømmer der. Disse damp- og væskefaser er etter forbindelse med hverandre ved utløpet fra varmeveksleren 6 på en temperatur på f.eks. omkring -28°C og et trykk på f.eks. omkring 0.90 bar. Denne tredje del av hjelpekjølefluidumet føres inn i .innløpsåpningen på kompressoren 48 gjennom strømnings-kretsen 82.

På fig. 2 som viser en modifisert utførelse av apparatet ifølge oppfinnelsen, vises bare den apparatdel som på fig. 1 er innrammet av strekpunkterte linjer, idet resten av apparatene er identiske.

I denne utførelsesform blir hele dampfasen av hovedkjølefluidumet som er kondensert og underkjølt i varmeveksleren 4, ekspandert i ekspansjonselementet 83 til et første trykk. Hele væskefasen av hovedkjølefluidumet som er underkjølt i varmeveksleren 4, ekspanderes straks til et annet trykk som avviker fra det nevnte første trykk i ekspansjonselementet 84. Dampfasen som er ekspandert f.eks. til et lavt trykk på mindre enn omkring 1 bar over atmosfæretrykket, føres gjennom varmeveksleren 4 og strømningskretsen 85 til innløpsåpningen på den første kompressor 18, mens væskefasen av hovedkjølefluidumet som er ekspandert til et middeltrykk, særlig i området fra omkring 1,5 til omkring 3 bar, føres gjennom varmeveksleren 4 og strømningskretsen 86 til innløps-åpningen på den annen kompressor 19. Det må bemerkes at den generelle funksjon av apparatet for kjøling og flytendegjøring av en gass med lavt kokepunkt, såsom f.eks. naturgass, ifølge utførelsen på fig. 2 er lik den for apparatet ifølge fig. 1.

Det skal nå vises til fig. 3 som illustrerer en annen utførelse av samme del (antydet med en ramme av strekpunkterte linjer på fig. 1) av apparatet som den på fig. 2. I dette tilfelle blir dampfasen etter ekspansjonen kondensert og underkjølt i ekspansjonselementet 83 og de således oppnådde gass- og væskefaser separert i en faseseparator 87 før de igjen føres i motstrøm gjennom den kryogeniske varmeveksler 4. Etter fordampningen forbindes de to faser med hverandre i den samme strømningskrets 8 9 koblet til innløpsåpningen på kompressoren 18 og derfor blir dampfasen i dette tilfelle ekspandert til det ovennevnte lave trykk.

Den underkjølte væskefase av hovedkjølefluidumet ekspanderes i ekspansjonselementet 84 og sirkulerer i motstrøms-forhold i varmeveksleren 4, til hvis utløp er koblet strømnings-kretsen 90 som på sin side er forbundet med innløpsåpningen på kompressoren 19.

Dampfasen som forlater separatoren 87, kan imidler-tid innføres direkte i rørledningen 89 istedet for å bli ført tilbake gjennom varmeveksleren 4.

Fig. 6 viser anvendelsen av denne utførelsesform

for kretsen for hjelpekjøling. I dette tilfelle er strømnings-kretsene 74, 75, 76 fra dampsamlerommet i separatorene 65, 66, 67 forbundet direkte med strømningskretsene 80, 81, 82 uten å gå gjennom varmeveksleren 6.

Fig. 4 er et riss av en modifisert utførelse av apparatdelen innrammet med strekpunkterte linjer på fig. 1,

i likhet med utførelsen vist på fig. 2. I dette tilfelle kan hvert element i ekspansjonssystemet 83, 84 i stedet for å befinne seg ved utløpet av varmeveksleren 4 være anordnet i forhold til den kryogeniske varmeveksler 4 for hovedkjøle-fluidumkretsen 2, på et hvilket som helst sted langs varmeveksleren 4 i strømningsretningen for de forskjellige fluidumer. Således går i det viste eksempel kretsen 31 for strøm-men av væskefasen av hovedkjølefluidum ikke gjennom hele varmeveksleren 4. Dette gjør det mulig å foreta ekspansjonen til

forskjellige temperaturnivåer i tilfelle av at temperaturen etter ventilen skulle være høyere. Forskyvningen av ekspansjonen i samsvar med en temperaturgradient tilsvarer en for-skyvning av ekspansjonselementet langs varmeveksleren i retning av strømmen av fluidumene.

Endelig viser fig. 5 som nevnt ovenfor en modifisert utførelse hvor den første del hhv. fraksjon og den andre del hhv. fraksjon av damp- og væskefasen blandes etter ekspansjonen, respektive i ekspansjonselementene 83, 84'; 83', 84, men før ny motstrømssirkulasjon i varmeveksleren 4.

Det er i det følgende gitt et eksempel på kjøling og flytendegjøring av en naturgass tilgjengelig under følgende betingelser:

kjemisk sammensetning i molare proporsjoner: På oppstrømssiden av sluttekspansjonsinnretningen fås den flytendegjorte gass under følgende betingelser:

massestrømningshastighet og molar sammensetning

identisk med de foregående, verdier.

Et eksempel på oppbygning av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fører til de følgende resultater som eksempel.

Hovedkjølesyklus

Molar sammensetning:

molare proporsjoner fordampet i faseseparatoren 29 : 20%.

Fordelingen av de flytende og underkjølte fraksjoner av hovedkjølemidler mellom de to trykknivåer defineres som følger:

molar strømningshastighet for hovedkjølemiddel

molar strømningshastighet for hovedkjølemiddel

R1 = 0,50 og R2 = 0,37

Massestrømningshastighet: 4 08,563 kg/h.

K ompressorer:

Innløpstrykk for kompressoren 18: 0,03 bar Innløpstrykk for kompressoren 19: 1,95 bar.

Varmeveksler

Forhold for kvantiteter av varme utvekslet ved midlere temperaturverdier: 67,841,400 x 10<3> Joule/h°C for varmeveksleren 4.

Hjelpekjølesyklus

Molar sammensetning av hjelpekjølemiddel:

Massestrømningshastighet: 600,972 kg/h. Kompressorer: Effekt for kompressorer 48, 49, 51: 17,021 kW.

Claims (16)

1. Fremgangsmåte for flytendegjøring av en gass med lavt kokepunkt, såsom naturgass, ved varmeveksling med minst én del av et hovedkjølefluidum med flere komponenter, på for-hånd nedkjølt til i det minste delvis flytende tilstand ved varmeveksling med et hjelpekjølefluidum med flere komponenter, idet kjølefluidumene danner en kjølekaskade og hovedkjøle-fluidumet strømmer i et lukket kretsløp og der suksessivt undergår: minst én kompresjon i gasstilstand, minst én for-håndsnedkjøling med i det minste delvis kondensering under varmeveksling med hjelpekjølefluidumet, separasjon av væske-og dampfasen som således er oppnådd, at dampfasen deretter undergår minst én nedkjøling til full kondensering til flytende tilstand, idet den således flytendegjorte dampfase og væskefasen deretter underkjøles og så ekspanderes under en til-hørende varmeveksling, og en endelig fordampning i motstrøms-kretsløp med seg selv og med gassen for å i det minste delvis bringe denne til flytende tilstand, hvorved hovedkjølefluidumet således oppvarmet til dampfase resirkuleres og rekomprimeres, karakterisert ved at hovedkjølefluidum-ets dampfase etter separasjonen, kondensert til flytende tilstand og underkjølt i en varmeveksler (4), ved dennes utgang skilles til en første del som ekspanderes til et første trykk, og til en andre del som ekspanderes til et andre trykk som er forskjellig fra det første, mens hovedkjølefluidets væskefase etter underkjølingen i varmeveksleren (4) skilles til en første fraksjon som ekspanderes til et trykk som er likt det første trykk og til en andre fraksjon som ekspanderes til et trykk som er likt med det andre trykk.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den første del av dampfasen og den første fraksjon av væskefasen blandes etter fordampningen, men før ny komprimering skjer, og at den andre del av dampfasen og den andre fraksjon av væskefasen likeledes blandes etter fordampningen, men før ny komprimering finner sted.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den første del av dampfasen og den første fraksjon av væskefasen blandes etter ekspansjonen, men før fordampningen skjer, og at den andre del av dampfasen og den andre fraksjon av væskefasen likeledes blandes etter ekspansjonen, men før fordampningen finner sted.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at det første trykk ligger under ca. 1 bar overtrykk og at det andre trykk har en midlere verdi mellom ca. 1,5 og 3 bar overtrykk.

5. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at en del av den gass som skal flytendegjøres er forhåndsnedkjølt ved varmeveksling med i det minste en del av hjelpekjølefluidumet.

6. Fremgangsmåte ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at en del av den gass som skal flytendegjøres forhåndsnedkjøles ved varmeveksling med blandingen av den andre del av dampfasen og den andre fraksjon av væskefasen av hovedkjølefluidumet.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 5, karakterisert ved at hjelpekjølefluidumet føres i en lukket kjølesyklus med ekspansjon ved tre forskjellige trykk.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, karakterisert ved at damp- og væskefasen som dannes ved hver av hjelpekjøle-fluidumets ekspansjoner, adskilles.

9. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-6, karakterisert ved at hovedkjølefluidumet har følgende molare sammensetning:

10. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1, 5, 7 eller 8, karakterisert ved at hjelpekjølefluidumet har følgende molare sammensetning:

11. Apparat for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1, omfattende en åpen krets (1) for gass som skal flytendegjøres, en lukket krets (2) for hovedkjølefluidum i varmeveksling med gasskretsen (1) ved hjelp av en kryogenisk varmeveksler (4), en lukket krets (3) for hjelpekjølefluidum i varmeveksling med kretsen (2) ved hjelp av en kryogenisk varmeveksler (6), idet den lukkede krets (2) i rekkefølge omfatter minst én kompressor (18, 19, 22, 23), minst én varmeveksler eller kjøler (20, 24, 26) tilkoblet en strømningskrets (27) for hovedkjølefluidumet som passerer varmeveksleren (6), en separator (29) for de således oppnådde damp- og væskefaser, idet varmeveksleren (4) og en ekspansjonsinnretning (34, 35, 42, 43)eri strømnings-kretsen for hver adskilt og underkjølt del eller fraksjon av hovedkjølefluidumet, karakterisert ved at hoved-kjølef luidumets separate dampdeler og væskefraksjoner går i strømningskretser (39, 31), deretter passerer varmeveksleren (4) som er av platetypen og ved dennes utløp deler seg i minst to respektive strømningsbaner (40, 41 og 32, 33) som hver er forsynt med en av ekspansjonsinnretningene (42, 43 og 34, 35) og hver fører videre i form av rør (44, 45 og 36, 37) som går gjennom varmeveksleren (4) og som ved utløpet av denne så føres sammen slik at det dannes to strømningskretser (46, 47) som hver fører hovedkjølefluidumets deler eller fraksjoner ekspandert til ett og samme trykk, og hvor hver strømnings-krets er koblet til en kompressor (18, 19).

12. Apparat ifølge krav 11, karakterisert ved en varmeveksler (5) som er anordnet på nedstrømssiden av varmeveksleren (4) i forhold til strømningsret-ningen av det fordampede hovedkjølefluidum og som gjennom-strømmes av den ene (46) av strømningskretsene (46, 47) for hovedkjølefluidumet og av den åpne gasskrets (1) for gassen som skal flytendegjøres.

13. Apparat ifølge krav 11 eller 12, karakterisert ved at gasskretsen (1) omfatter en strømningskrets (7, 9, 11) for strømning mot og gjennom varmeveksleren (4) i den lukkede krets (2) for hovedkjølefluidumet og er på nedstrømssiden av varmeveksleren (4) forsynt med et ekspansjonselement (17), og en forbiføring (12, 13, 14) i forhold til strømningskretsen (7, 9, 11) og som passerer varmeveksleren (6) for hjelpekjølefluidumet i kretsen (3) før tilbakestrømning til strømningskretsen (11) på oppstrømssiden av varmeveksleren (4) for hovedkjølefluidumet i den lukkede krets (2).

14. Apparat ifølge ett av kravene 11 - 13, karakterisert ved at en strømningskrets (58) for strømning av hjelpekjølefluidumet i varmeveksleren (6) har tre forbiføringer (59, 60, 61) som hver omfatter et ekspansjonselement (62, 63, 64), idet den del av hver forbiføring som befinner seg på nedstrømssiden av ekspansjonselementet passerer den tilsvarende del av varmeveksleren hovedsakelig parallelt med strømningskretsen og for motsatt strømning i forhold til denne.

15. Apparat ifølge krav 14, karakterisert ved at det på nedstrømssiden av ekspansjonselementet (62, 63, 64) er anordnet en separator (65, 66, 67) for damp- og væske-fåsene, idet den del av forbiføringen som befinner seg på separatorens nedstrømsside deler seg til en strømningskrets (74, 77; 75, 78; 79) for dampfasen og en strømningskrets ( 68, 71; 69, 72; 70, 73) for væskefasen.

16. Apparat ifølge krav 15, karakterisert ved at strømningskretsene (68, 71; 69, 72; 70, 73) for væskefasen passerer den tilsvarende del av varmeveksleren (6) før tilkobling til de av strømningskretsene (74, 75, 76) for dampfasen som ikke passerer varmeveksleren (6).