NO852349L - Fremgangsmaate for nedkjoeling og flytendegjoering av gasser. - Google Patents

Description

Formålet for foreliggende oppfinnelse er en fremgangsmåte for kjøling og flytendegjøring av en gass med lavt kokepunkt, slik som f.eks. naturgasser, eller av hvilken som helst gassbland-ing hvor minst en av komponentene har et lavt kokepunkt. Det er kjent prosesser for sådanne anvendelser og av såkalt "serie- eller kaskadetype", hvor det fluid som skal nedkjøles gradvis flytendegjøres ved hjelp av påfølgende varmevekslinger med flere kjølefluider med avtagende kokepunkter.

Ulempen ved sådanne prosesser er at et stort antall varmevekslere er nødvendig, og dette er også tilfelle for roterende maskiner og annet nødvendig utstyr.

Dette øker anleggsomkostningene og reduserer samtidig anlegg-ets pålitelighet. Arten av anvendte nedkjølingsfluider, som nesten alltid utgjøres av rene eller nesten rene forbindelser, frembringer videre flate oppvarmingskurver med trinnvis for-løp, hvilket ikke tillater at den gass som skal nedkjøles har en kjølekurve med mer eller mindre kontinuerlig helning.

Dette innebærer en forholdsvis lav ytelse for nedkjølingssyk-len samt et energitap.

Det er også kjent prosesser hvor flytendegjøring finner sted ved varmeveksling med kjølefluider bestående av flere komponenter og som er gjenstand for total eller delvis kondensering, og som således frembringer en viss væskemengde, som ved fordampning i motstrøm med det fluid som skal nedkjøles, med stor tilnærmelse følger dets kjølekurve, i det minste over dens mest viktige avsnitt. I dette tilfelle er også mulig å anvende en enkelt kompressor, hvilket innebærer en betraktelig forenkling av anlegget. Skjønt dette kan synes å være en for-del, er imidlertid den økonomisk mest egnede størrelse for et industrielt anlegg for flytendegjøring av naturgass for øye-blikket slik at en sådan enkelt kompressor må ha større arbeidskapasitet enn det som hittil har vært vanlig i industriell praksis. Prosesser med blandet kjølefluid er derfor, som nevnt, blitt anvendt, men da sammen med et ekstra kjøle-fluid med en eller flere komponenter med det formål å oppnå forkjøling av vedkommende naturgass og hoved-kjølevæsken, i samme anlegg eller separat. I dette tilfelle foreligger det således to lukkede kjølesykler, og hver av disse benytter en separat kompressor. Ytelsen for arbeidssykler av denne type er til og med større, idet hovedfluidet bedre kan tilpasses kjølekurven for naturgassen innenfor dens temperaturområde.

Dette forutsetter imidlertid at hoved-kjølefluidet alltid fordamper i nærvær av dets dampfase, hvilket igjen forutsetter en perfekt fordeling av kjølefluidets faser fra den ene varme-vekslerende til den annen, uten separering av fasene. Dette er gjort mulig ved bruk av varmevekslere av kveilet type, hvilket vil si med en rørsats utført av rør av formbar type viklet til en kveil rundt en sylinderformet kjerne. Skjønt det er mulig å oppnå varmevekslere av sådan type og med meget høy pålitelighet og effektivitet ut i fra foreliggende kjent teknikk, er deres pris fremdeles høy, samtidig som også deres vekt og totaldimensjoner er betraktelig og utgjør ytterligere ulemper.

I henhold til oppfinnelsen er det imidlertid funnet en fremgangsmåte som gjør det mulig samtidig å oppnå optimal energi-virkningsgrad og forholdsvis lave installasjonsomkostninger, samtidig som de ovenfor angitte ulemper er overvunnet.

Fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse går ut på at det anvendes tre kjølesykler i lukket sløyfe i serie etter hverandre og ved anvendelse av tre forskjellige kjøle-fluider, hvorav den ene utgjør et hoved- eller primærfluid som består av flere komponenter, mens de øvrige utgjør et sekundærfluid, også i flere komponenter samt et tertiærfluid som kan bestå av en eneste eller flere komponenter, idet den gass som skal flytendegjøres først i det minste delvis for-kjøles av tertiærfluidet, derpå flytendegjøres av sekunær-fluidet og endelig superkjøles av primærfluidet, som så ned- kjøles og helt eller delvis kondenseres ved hjelp av sekunær-fluidet, som i sin tur nedkjøles og kondenseres fullstendig av tertiærfluidet, som også sørger for forkjøling av primærfluidet .

Nærmere bestemt kan i den første nedkjølingssyklus det primære kjølefluid utsettes for en kompresjon i gasstilstand, forkjø-ling ved varmeveksling med tertiærfluidet, nedkjøling samt hel eller delvis kondensering ved varmeveksling med sekundærfluidet , en eventuell ekspansjon i en ventil, separering av væskefase og dampfase, ytterligere kondensering, superkjøling, ekspansjon og i det minste delvis flyktiggjøring av dampfasen før den tilsettes tidligere superkjølt tilsvarende væskefase samt ekspanderes til samme fordampningstrykk som dampfasen, idet den således dannede blanding fordampes ved varmeveksling i motstrøm både med den flytendegjorte gass som skal super-kjøles, og med væske- og dampfasen, samt eventuelt supervarmes før komprimering på nytt.

Det forhold at primærsyklen bare er beregnet for superkjøling av den flytendegjorte gass samt anvendelse innenfor et inn-snevret temperaturområde som er forskjøvet mot lavere temperaturer, samt med nedsatt varmebelastning/idet kondenseringen av den gass som skal flytendegjøres er sikret ved hjelp av det sekundære kjølefluid, nedsetter i betraktelig grad dens hoved-ulempe, nemlig behovet for en kostnadskrevende kveilet varmeveksler .

I henhold til det som tidligere er nevnt kan videre kondenser-ingstrykket for primærfluidetøkes til over den påkrevede verdi som er nødvendig for å oppnå delvis kondensering ved minstetemperaturen for sekundærfluidet, for derved å kunne oppnå total kondensering ved en temperatur som ligger høyere enn minstetemperaturen for sekundærfluidet. Formålet for en sådan ytterligere komprimering er å overføre kjølearbeidet fra den sekundære krets til primærkretsen. Samme formål har også den eventuelle superoppvarming av primærfluidet før det kom primeres, idet det er mulig å utføre sådan superoppvarming mot nedkjøling av en del av det kondenserte sekundærfluid.

Betydningen av en sådan overføring ligger i at det ofte er fordelaktig eller nødvendig i industriell praksis å anvende i samme anlegg kompressorer med omtrent samme effekt og som følgelig drives av like drivenheter.

Den første nedkjølingssyklus kan også varieres ved å utsette det primære kjølefluid etter en kompresjon i gassform for forkjøling i det minste delvis ved varmeveksling med tertiærfluidet, samt nedkjøling og total kondensering ved hjelp av varmeveksling med sekundærfluidet, en superkjøling fulgt av en oppdeling i minst to strømninger, som først ekspanderes, den ene til et trykk som er tilstrekkelig lavt til å tillate ytterligere nedkjøling før fordampning, og de øvrige strøm-ninger til høyere trykk enn den førstnevnte, hvorpå fordampning finner sted ved varmeveksling i motstrøm både med den flytendegjorte gass som skal superkjøles og med sin egen væskefase som skal superkjøles, samt endelig en superoppvarming finner sted før kompresjon på nytt og i innbyrdes kombinasjon.

Den eventuell superoppvarming av de to strømninger kan utføres ved superkjøling av en andel av den sekundære kjølefluid som allerede er kondensert av tertiærfluidet.

Fornyet kompresjon, f.eks. når det gjelder to strømninger, kan utføres ved sammentrykning av lavtrykksandelen til samme trykk som høytrykksandelen, samt påfølgende sammenblanding med denne, etter eventuell gjenvinning av de gjenværende nedkjøl-ingsenheter, f.eks. ved forkjøling av en del av samme primære kjølefluid etter kompresjonen, samt sammentrykning av den således dannede blanding til slutttrykket. Alle de beskrevne varmevekslinger med primærfluidet kan oppnås uten noen som helst ulemper ved hjelp av varmevekslere av plate/ribbe-type. I den annen kjølesyklus kan det for det sekundære kjølefluid anordnes minst en kompresjon i gasstilstand, kjøling og fullstendig kondensering ved varmeveksling med tertiærfluidet, superkjøling med seg selv, en oppdeling i minst to strømning-er, idet nevnte strømninger først ekspanderes, nemlig en første under lavt trykk og de øvrige under forskjellige trykk høyere enn det førstnevnte, hvorpå fordampning finner sted ved varmeveksling i motstrøm både med den gass som flytendegjøres og med primærfluidet, samt med samme sekundære kjølefluid som er superkjølt, før strømmenne komprimeres på nytt og kombineres med hverandre, for å danne en enkelt strømning.

I tilfelle det foreligger bare to strømninger, kan fornyet komprimering og kombinasjon til en enkelt strømning finne sted ved komprimering av 1avtrykkstrømmen ved hjelp av en kompressor med et sideinntak for høytrykksstrømmen.

Flytendegjøringen av vedkommende gass og av primærfluidet kan finne sted i en og samme varmeveksler, eller i flere parallel-le varmevekslingslegemer, hvor alle innkommende og utgående fluider er enkeltfasefluider. Varmeveksleren kan f.eks. være av såkalt plate/ribbe-type.

På grunn av at alle innløpende fluider bare omfatter en enkelt fase, er alle problemer med hensyn til jevn fasefordeling overvunnet.

En modifisering av den annen kjølesyklus kan oppnås ved at det annet kjølefluid etter sin kompresjon i gasstilstand, utsettes for nedkjøling og total kondensering ved varmeveksling med tertiærfluidet, en første oppdeling i to strømninger, som superkjøles, nemlig den første ved varmeveksling med primærfluidet og den annen ved varmeveksling med samme sekundære kjølefluid, samt rekombinering av strømningene, hvorpå en annen oppdeling i minst to strømmer finner sted, idet nevnte strømmer først ekspanderes, den første under lavt trykk og de øvrige under førskjellige trykk høyere enn det førstnevnte, og derpå fordampes ved hjelp av varmeveksling i motstrøm både med den gass som skal flytendegjøres og med det primære kjøle-fluid, samt med en del av samme sekundære kjølefluid som er superkjølt, før strømmene utsettes for fornyet kompresjon og kombineres med hverandre.

Sekundærfluidstrømmen med høyere trykk kan eventuelt superoppvarmes før den komprimeres på nytt, med anvendelse av strømmens kjølekapasitet f.eks. for forkjøling av en del av den gass som skal flytendegjøres.

Den tertiære kjølefluid kan, slik som tidligere angitt, eventuelt bestå av en eneste komponent, og i dette tilfelle kan tertiærkretsen være dannet av en konvensjonell nedkjøl-ingssyklus med anvendelse av propan, propen, ammoniakk, freon (varemerke) eller andre gasser, samt vanligvis av den type som omfatter 2, 3 eller 4 trinn, eller fordampningstemperaturnivå-er, men tertiærfluidet kan også være en blanding av to eller flere gasser. Når det tertiære kjølefluid består av flere komponenter, kan nevnte kjølefluid i den tertiære kjølesyklus utsettes for en kompresjon i gassform, en kjøling og fullstendig kondensering ved varmeveksling med en ytre kjølekilde, slik som f.eks. atmosfærisk luft eller sjøvann, en superkjøl-ing samt oppdeling i flere strømmer som fordampes under forskjellige trykk, således at de frembringer den nedkjølings-kapasitet som er nødvendig både for sin egen superkjøling og for kondensering av den sekundære kjølefluid, samt for for-kjøling av i det minste en del av den gass som skal flytende-<g>jøres.

I henhold til særtrekk ved foreliggende oppfinnelse kan sammensetningen av den primære kjølevæske i den utførelse som omfatter faseseparering, fordampning under et eneste trykk, samt fornyet blanding av den nedkjølte fluid ved et visst punkt av varmeutvekslingen, være som angitt nedenfor:

I utførelsen med fullstendig kondensering og fordampning under to trykk i en plate/ribbe-varmeveksler, kan kjølefluidets sammensetning være:

Sammensetningen av den annen kjølefluid kan være:

Sammensetningen av det tertiære kjølefluid kan, når det ikke utgjøres av en av de ovenfor nevnte fluider, er sammensatt på følgende måte:

Fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse har mange fordeler, hvorav de følgende kan nevnes: Den kan lett tilpasses til varmevekslere av såkalt plate/ ribbe-type, hvilket innebærer åpenbare fordeler både på grunn av deres lave omkostninger pr. varmevekslende overflateenhet, samt de lave belastningstap, og deres gode egenskaper med hensyn til kompakthet og muligheter for moduloppbygning. Dette er innlysende for primærsyklen i den utførelse hvor fordampning finner sted under to trykk, idet alle strømninger da befinner seg i praktisk talt bare en eneste fase, men det gjelder også til en hvis grad for enkelttrykk-utførelsen, og da av to årsaker. Den første årsak ligger i at omfanget av den superkjølende varmeveksler er meget lavere enn størrelsen av en superkjøler/flytendegjører av kjent art, selv om den måtte være av kveilet type, og de økonomiske ulemper vil da bli nedsatt i samme grad. Videre ligger en økonomisk grunn i at ved å arbeide i nedsatt størrelse er det mulig å opprette sådanne overdimensjonsmarginaler at en mulig nedsatt virkningsgrad kan godtas på grunn av at varmevekslere av plate/ ribbe-type kan installeres.

Videre oppnås stor fleksibilitet som muliggjør en tilpasning til art og tilstand av den gass som skal flytendegjøres, samtidig som det opprettholder en optimal termodynamisk virkningsgrad, ikke bare for forskjellige konstruksjonsforhold, men også i varierende drift, f.eks. i tilfelle en ikke forut-sett forandring av gassen som skal flytendegjøres.

En sådan fleksibilitet er hovedsakelig oppnådd på grunn av følgende særtrekk ved oppfinnelsens fremgangsmåte: Stor tilpassbarhet for sammensetningen av den primære kjøle-fluid, som kan inneholde metan, nitrogen, eten, etan, propen og propan.

Stor tilpassbarhet med hensyn til sammensetningen av den sekundære fluid, som kan inneholde metan, eten, etan, propen og propan.

Fordampningstrykket i primærsyklen.

Forholdet mellom mengdestrømmene for primærfluid som fordampes under forskjellige trykk.

Fordampningstrykkene i sekundærsyklen.

Forholdet mellom mengdestrømmene av sekundærfluid som fordamper under forskjellige trykk.

Forholdet mellom mengdestrømmene av væske og damp i primærfluidet etter dets delvise fordampning ved hjelp av det sekundære kjølefluid, eller eventuelt total kondensering og påfølgende ekspansjon.

For å gjøre det lettere å forstå foreliggende oppfinnelse å klargjøre dets fordeler, vil nå foretrukkede utførelser av oppfinnelsens fremgangsmåte bli omtalt under henvisning til de vedføyde figurer 1, 2, 3 og 4, men oppfinnelsen som sådan er på ingen måte begrenset til disse utførelser.

EKSEMPEL 1

Det skal først henvises til fig. 1 som er et flytskjema over utstyr for nedkjøling og flytendegjøring av gass med lavt kokepunkt, slik som f.eks. naturgass, og hvor effektene i de tre kjølesykler er innbyrdes balansert ved superkompresjon og ekspansjon av primærfluidet, slik som omtalt ovenfor. Pass-ende forbehandlet naturgass føres inn i varmeveksleren 2 gjennom rørledningen 1 ved 35°C og under et effektivt trykk på 53,4 bar med en følgende sammensetning angitt i mol-% : Naturgassen skal nå nedkjøles i varmeveksleren 2 ved fordampning av propan som kjølefluid under avtagende trykk, og forlater varmeveksleren ved -30°C og under et effektivt trykk på 52 bar.

Rørledningen 3 fører gassen til varmeveksleren 4, hvor den nedkjøles og fullstendig flytendegjøres ved hjelp av det annet kjølefluid.

På utgangssiden av varmeveksleren 4 foreligger således en viss mengde væske ved en temperatur på -95°C og under et effektivt trykk på 50 bar. Den flytendegjorte naturgass overføres så gjennom rørledningen 5 til superkjøling i varmeveksleren 6 ved hjelp av det primære kjølefluid.

På utløpssiden av varmeveksleren 6 fører rørledningen 7 gassen til lagring ved en temperatur på -154°C og under et effektivt trykk på 48,3 bar.

o

Det primære kjølefluid har følgende sammensetning angitt i mol-%:

og forlater varmeveksleren 6 i fullstendig flyktiggjort tilstand ved -98°C og under et effektivt trykk på 1,2 bar. Rørledningen 8 fører gassen til varmeveksleren 9, hvor den superoppvarmes til -40°C, og gassen kommer så gjennom røret 10 frem til inntakssiden av kompressoren 11 under et effektivt trykk på 0,9 bar.

Kompressoren 11, f.eks. en sentrifugalkompressor med seks skovlhjul, kan så komprimere primærgassen til et effektivt trykk på 8,6 bar, mens gassens temperatur økes til 89°C.

Ved dette punkt i prosessen er en mellomkjøling nødvendig med det formål å gjøre det mulig å fortsette kompresjonen. Rør-ledningene 12 og 13 forbinder derfor kompressoren med varmeveksleren 14, f.eks. er en sjøvannsvarmeveksler, som kjøler gassen ned til 40°C under effektivt trykk på 8,1 bar.

Gassen utsettes så på analog måte for en kompresjon i kompressoren 15, en nedkjøling i varmeveksleren 16, samt en ytterligere kompresjon i den gjenværende del av kompressoren 15 og en nedkjøling i varmeveksleren 17.

Rørledningen 18 fører så primærgassen ved 35°C og under et effektivt trykk på 38 bar mot varmeveksleren 2, hvor en propansyklus kjøler ned gassen til -30°C under et effektivt trykk på 3 7,5 bar.

Gjennom rørledningen 19 kommer gassen endelig frem til varmeveksleren 4, hvorfra den skal strømme videre i fullstendig flytendegjort tilstand, samt ikke ved -95°C som alle de øvrige strømmer fra denne varmeveksler, men ved -76,4°C og under et effektivt trykk på 37,1 bar.

For å oppnå dette, er det nødvendig å utstyre varmeveksleren 4 med et sideutløp beregnet for gjennomstrømning av det primære kjølefluid. Rørledningen 20 fører derfor væske til ventilen 21, som lagdeler den ved effektivt trykk på 18,2 bar, mens temperaturen, på grunn av fordampningen av omkring 21,3% av væsken når -95°C.

Væskefasen og dampfasen adskilles så ved hjelp av separatoren 22 og gjennom rørledningene 23 og 24 løper de inn i varmeveksleren 6. Dampfasen forlater toppen av varmeveksleren i kondensert og superkjølt tilstand ved -154°C, og løper så etter lagdeling i ventilen 25 atter inn i varmeveksleren ved

-160°C. Mens den fukter den øvre rørbunt strømmer dette fluid nedover under samtidig fordampning, og varmes herunder opp til -142°C. Nevnte flytendegjorte fase i separatoren 22 superkjøles derimot i den nedre rørbunt av varmeveksleren 6

ned til -140°C. Etter å ha forlatt varmeveksleren, lagdeles den i ventilen 26 ved effektivt trykk på 1,5 bar, samt blandes med nevnte dampfase som strømmer nedover langs den øvre rør-bunt, og når da en temperatur på -143°C.

Under fukting av den nedre rørbunt strømmer blandingen nedover mens den fordamper fullstendig og således tilfører de nødvendige kjøleenheter for superkjøling av den flytendegjorte naturgass, såvel som for superkjøling av sin egen flytende andel og kondensering og nedkjøling av sin egen dampfase. Etter å ha forlatt varmeveksleren 6 fra dens bunnparti strøm-mer gassen inn i rørledningen 8 og lukker derved behandlings-syklen.

Den sekundære kjølefluid som har en molar-sammensetning på:

komprimeres til effektivt trykk på 26 bar i kompressoren 27 og når da en temperatur på 104°C. Rørledningen 28 fører dette fluid til en nedkjøler fra supervarmer 23, som f.eks. drives med sjøvann, og som bringer kjølefluidet tilbake til 35°C. Rørledningen 30 fører så kjølefluidet til varmeveksleren 2, hvor det kondenseres fullstendig ved hjelp av propan. Det flytende fluid forlater så varmeveksleren over utgangen 31 ved -30°C og effektivt trykk på 25,1 bar, samt oppdeles i to deler, hvorav den ene 32, som utgjør 23% av strømmen 31, rettes mot varmeveksleren 9, hvor fluidet superkjøles til -95°C og derpå over rørledningen 33 atter blandes med den annen andel 34, etter at denne sistnevnte andel er blitt ned-kjølt til -95°C i varmeveksleren 4. Det således gjenopp-rettede sekundære kjølefluid deles ved 35 atter i to strømmer. Den første strøm 36 lagdeles i ventilen 37 under et effektivt trykk på 2 bar, og når derved temperaturen -99,63°C for inn-føring i varmeveksleren 4, samt deretter å forlate denne full-

stendig fordampet ved -33°C og effektivt trykk på 1,6 bar. Rørledningen 38 fører så kjølefluidet til lavtrykksinntaket på kompressoren 2 7. Den annen strøm 39 lagdeles på analog måte i ventilen 40, fordampes i varmeveksleren 4 og ledes så til kompressoren 2 7 gjennom rørledningen 41.

Den tertiære kjølesyklus er en 4-trinns propansyklus i sam-svar med kjent teknikk, og som i det vesentlige består av en kompressor 42, en kondensator 43, som f.eks. drives med sjø-vann, samt av separatorer 44, 45 og 46, såvel som av varmeveksleren 2, som i det foreliggende tilfelle er av plate/ ribbe-type, men som eventuelt kan erstattes med et tilsvarende antall rørbuntvekslere av kjeltype, med den eneste ulempe at man må øke antallet lagdelingsventiler av den art som her er angitt med henvisningstallene 47, 48, 49 og 50.

I det foreliggende utførelseeksempel kondenseres kommersielt propan ved 40°C og effektivt trykk på 12,9 bar, samt lagdeles derpå i de allerede nevnte økonomiseringsseparatorer gjennom ventilene 51, 52 og 53, henholdsvis ved 66 bar og 16°C, ved 2,9 bar og -6°C og 1,25 bar og -22°C. Gjennom ventilen 47 når så propanet -32°C under et effektivt trykk på 0,4 bar. Da propanet består av en eneste komponent vil det i praksis fordampe ved de nevnte konstante temperaturer og suges da opp av sentrifugalkompressoren 42.

I det foreliggende utførelseeksempel er strømningstakten av den naturgass som skal flytendegjøres 268,6 tonn pr. time og gjennomregning av foreliggende prosess i henhold til oppfinnelsen i den nettopp omtalte utførelse fører omtrent til følg-ende resulater: Den primære kjølesykel krever sirkulasjon av 180 tonn gass pr. time som ved nevnte kompresjon fra 0,9 bar til 38,4 bar fra kompressorene 11 og 15 krever en effekt på 25570 kW.

Det er interessant å observere at forholdet mellom utvekslet varme og temperaturens midlere logaritmeavvik er holdt på henholdsvis 4.120.000 og 780.000 kcal/time°C for varmevekslerne 6 og 9.

Den sekundære kjølesyklus krever sirkulasjon av 452 tonn/time av den nevnte gass og kompressoren 2 7 krever da en effekt på 27240 kW. Den termiske dimensjonering av varmeveksleren 4 er utført på basis av 10.150.000 kcal/time°C, mens oppdelings-forholdet for den nedkjølte fluid er 60% fordampet under lavt trykk og 40% fordampet under høyere trykk. Propankompresso-rens samlede kapasitet er på 1047 tonn/time og dens driveffekt er på 27580 kW. Varmevekslerne er forholdsvis små idet de ikke er beregnet på å yte mer enn 10.000.000 kcal/time°C.

EKSEMPEL 2

Det henvises nå til fig. 2 som viser samme flytskjema som angitt i fig. 1, med den unntagelse at tertiærsyklen her er en sykel med blandet kjølefluid som fordamper ved 3 forskjellige trykknivåer.

Nevnte tertiære kjølesykel omfatter i det vesentlige en kompresjon av tertiærfluidet i gasstilstand ved hjelp av kompressoren 42, en nedkjøling og fullstendig kondensering ved 54 ved hjelp av en ytre kjølekilde, en superkjøling i 55, samt fordampning i varmeveksleren 2 ved tre forskjellige trykk ved hjelp av ventilene 56, 57 og 58 for derved å avgi den nød-vendige kjøleeffekt både for egen nedkjøling og for kondensering av sekundærefluidet, samt for forkjøling av den gass som skal flytendegjøres samt endelig ytterligere kompresjon av de tre strømmer 59, 60 og 61.

Fordampningstrykkene er ved anvendelse av en lik molarblanding av etan og propan henholdsvis 4,4, 9,1 og 16,3 bar for første, annet og tredje trinn.

Mengdestrømmene av kjølefluidene 59, 60 og 61 er henholdsvis 475, 255 og 284 tonn/time for de 3 trinn med en total kom-pressoreffekt på 25600 kW, hvilket bekrefter den større virkningsgrad for en syklus av denne type i forhold til en arbeidssyklus med rent propan, selv om denne omfatter 4 trinn. Varmevekslingskurvene for kjølefluidet er godt tilpasset be-lastningskurvene, slik det kan erkjennes ut i fra dimensjone-ringen av varmeveksleren 2 på basis av 26.100.000 kcal/ time°C, uten at minste temperaturavvik er lavere enn 2°C

ved noe tidspunkt.

EKSEMPEL 3

Det skal nå henvises til fig. 3 som viser samme flytskjema som angitt i fig. 2, men med en sådan modifisering at effektlike-vekt ikke er påkrevet, samtidig som samme minstetemperaturer opprettholdes for de tre arbeidssykler som i det forutgående flytskjerna.

Nærmere bestemt er foreliggende flytskjema forskjellig fra det forutgående ved at ekspansjonsventilen 21 er utelatt og ved at varmeveksleren 4 er forenklet, idet alle høytemperaturstrømmer ut fra denne veksler har samme temperatur, samt ved at det anvendes en enkelt kompressor 11 med to mellomkjøletrinn 63 og 64.

Ved å gjøre disse forandringer nedsettes det avgitte trykk fra primærsyklen til 19,5 bar, samtidig som effektforholdene for de tre kompressorer 11, 27 og 42 med samme totaleffekt er ca. 2:3:3.

EKSEMPEL 4

Det skal nå henvises til fig. 4 som viser flytskjema for en annen utførelse av oppfinnelsen, og hvor primærsyklen omfatter fullstendig kondensering av kjølefluidet og dets fordampning ved to forskjellige trykk, samt superoppvarming av de fluid-strømmer som suges inn av den primære kompressor.

Den primære kjølefluid, som har følgende molar-sammensetning:

komprimeres i kompressorene 11 og 15 til 35,3 bar, kjøles så i 17 og derpå delvis til 54% i 18 ved et kontakt med tertiærsyklen med blandet kjølefluid, samt delvis ved 65 ved hjelp av varmeveksleren 66, og gjenvinner derved sine avgitte kjøleen-heter. Rørledningene 67 og 10 avgir det primærfluid som henholsvis strømmer ut fra varmevekslerne 66 og 2 til rørledningen 68 og derfra til varmeveksleren 4, hvor primærfluidet flytendegjøres av det sekundære kjølefluid og forlater varmeveksleren ved -83,7°C gjennom rørledningen 20, som fører fluidet til varmeveksleren 6. I denne varmeveksler superkjøles primærfluidet, liksom den flytendegjorte gass, til -154°C ved 69.

På utløpssiden fordeles fluidet på rørledningene 70 og 71 med henholdsvis 56,3% og 43,7%, samt lagdeles ved relative trykk på henholdsvis 7,2 og 0,43 bar i ventilene 72 og 73. Disse to strømmer fordampes og oppvarmes i to forskjellige passasjer gjennom varmeveksleren 6 til -86,7°C. De superoppvarmes videre til -34°C i varmeveksleren 74, hvoretter lavtrykks-strømmen 75 komprimeres i kompressoren 11, avgir supervarmen ved 76 ned til romtemperatur samt blandes med høytrykksstrøm-men 77, som ved strømning gjennom varmeveksleren 66 i mellom-tiden har avgitt sine gjenværende kjøleenheter.

Kompressoren 15, som er forsynt med en mellomkjøling 16, bringer kjølefluidet tilbake til relativt trykk på 35,3 bar og slutter derved arbeidssyklen. Den samlede kapasitet for de kompressorer er på 218 tonn/time ved samlet ytelse på 24940 kW.

Varmveksleren 6 er dimensjonert på basis av 6,1 x 10 kcal/ time°C.

Sekundærsykelen er i sin helhet analog med de tidligere utførelser og kjølefluidets molarsammensetning er:

Molar sammensetning:

Relativt inntakstrykk: 0,80 og 4,95 bar

Relativt avgitt trykk: 16,93 bar for kondensering ved 35°C.

Sugeforholdene i forhold til den samlede kapasitet ligger henholdsvis på 75,1% og 24,9%.

Den samlede kapasitet er på 442,5 tonn/time med superkjøling i varmevekslerne 4 og 74 med henholsvis 66,2% og 33,8%.

Ytelse for kompressoren 27: 24310 kW.

Dimensjonering av varmeveksleren 4: 12,9 x 10 kcal/

time°C.

Også tertiærsyklen med blandet kjølefluid er analog med det som tidligere er vist, og dens karakteristiske egenskaper er:

Molar sammensetning:

Relative sugetrykk: 4,1 bar

8,5 bar

16,2 bar

Relativt avgitt trykk: 17,9 bar

Kompressorytelse: 24800 kW

Dimensjonering av varmeveksler 2: 19,3 x 10^ kcal/time°C.

I de ovenfor angitte utførelseeksempler er det forutsatt at romtemperaturen er 30°C, og en teoretisk reversibel flyt-endeg jøringssyklus under samme forhold som angitt i de forutgående eksempler ville da kreve en total ytelse på 35725 kW, og den termodynamiske virkningsgrad for den nettopp beskrevne utførelse vil da være 48,2%. I betraktning av at en vanlig god termisk virkningsgrad for lignende utstyr av kjent art ligger på ca. 43%, og bare de mest effektive av sådant utstyr (forkjølt Tealarc) kan oppnå 46,4% i et angitt eksempel, innebærer foreliggende oppfinnelse åpenbart en energiteknisk for-del .

Claims (17)

1. Fremgangsmåte for nedkjøling og flytendegjøring av gasser eller gassblandinger med lavt kokepunkt, karakterisert ved at den omfatter tre kjøle-sykler i lukket sløyfe under anvendelse av tre forskjelige nedkjølingsfluider, hvorav den ene er et hoved- eller primærfluid som består av flere komponenter, mens de øvrige utgjør et sekundærfluid, også i flere komponenter, samt et tertiærfluid som kan utgjøres av en eneste eller flere komponenter, idet den gass som skal nedkjø les først i det minste delvis forkjøles av tertiærfluidet, derpå flytendegjøres av sekundærfluidet, samt endelig superkjøles av primærfluidet, som ned-kjøles samt helt eller delvis kondenseres ved hjelp av sekun-dærf luidet, som i sin tur nedkjøles og kondenseres fullstendig av tertiærfluidet, som også sørger for forkjøling av primærfluidet.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat den primære kjølefluid i den første kjølesykel utsettes for minst en kompresjon i gasstilstand, forkjø ling ved varmeveksling med det tertiære fluid, nedkjøling og fullstendig kondensering ved varmeveksling med det sekundære fluid, en ekspansjon i en ventil og separasjon av den således dannede væskefase og gassfase, samt kondensering, superkjøling og ekspansjon samt i det minste delvis flyk-tiggjøring av dampfasen før den blandes med sin tilsvarende væskefase etter forutgående superkjøling og ekspansjon til samme damptrykk som dampfasen, idet den således dannede blanding flyktiggjøres ved varmeveksling i motstrøm både med den flytendegjorte gass som skal superkjøles, og med væske- og dampfasen, samt eventuelt superoppvarming før den atter komprimeres .

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det primære kjølefluid i den første kjølesyken utsettes for minst en kompresjon i gasstilstand, forkjøling ved varmeveksling med det tertiære fluid, nedkjøling og delvis kondensering ved varmeveksling med det sekundære fluid, oppdeling i væskefase og dampfase, samt kondensering, superkjøling og ekspansjon samt i det minste delvis flyktiggjøring av dampfasen før den blandes sammen med sin tilsvarende væskefase som på forhånd er superkjølt og ekspan-dert til samme fordampningstrykk som dampfasen, hvoretter den således dannede blanding fordampes ved varmeveksling i mot-strøm både med den flytendegjorte gass som skal superkjøles, og med væske- og dampfasen, samt eventuelt superoppvarmes før ytterligere komprimering.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den primære kjølefluid i den første kjølesyklus utsettes for en komprimering i gasstilstand, i det minste delvis forkjø ling ved varmeveksling med det tertiære fluid, nedkjøling og fullstendig kondensering ved varmeveksling med det sekundære fluid, superkjøling og oppdeling i minst to strømmer som først ekspanderes, den første til et trykk som er tilstrekkelig lavt til å tillate ytterligere nedkjøling før fordampning, og den annen eller de øvrige strømmer til høyere trykk, samt derpå flyktiggjøring ved varmeveksling i motstrø m både med den flytendegjorte gass som skal superkjøles og med sin egen væskefase som skal super-kjøles, samt tilslutt superoppvarming før ytterligere kompre-r sjon og innbyrdes kombinasjon.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, 3 og 4, karakterisert ved at superoppvarmingen av fluidstrømmene finner sted ved hjelp av varmeveksling med en del av det sekundære kjølefluid som på forhånd er kondensert ved hjelp av det tertiære kjølefluid.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at nevnte oppdeling finner sted i to fluidstrømmer og deres ytterligere komprimering utføres ved først å komprimere lavtrykksstrømmen opp til samme trykk som høytrykksstrømmen, hvorpå lavtrykksstrømmen blandes med høytrykksstrømmen etter eventuelt å ha gjenvunnet manglende kjøleenheter fra denne, og tilslutt nevnte blanding kompremeres til sluttrykket.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 6, karakterisert ved at utvindingen av manglende kjøleenheter fra fluidstrømmen med høyere trykk finner sted ved forkjø ling av en del av samme primære kjø lefluid etter dets kompresjon.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at den annen kjølefluid i den annen kjølesykel utsettes for minst en kompresjon i gasstilstand, nedkjøling og fullstendig kondensering ved varmeveksling med det tertiære fluid, superkjøling med seg selv, oppdeling i minst to fluidstrømmer som først ekspanderes, nemlig den første under lavt trykk og de øvrige under høyere trykk, hvorpå kjølefluidet fordampes ved varmeveksling i mot-strøm både med en gass som skal flytendegjøres og med det primære kjølefluid, samt med tilsvarende sekundært kjølefluid som er superkjølt, før fluidstrømmene komprimeres på nytt og kombineres med hverandre.

9. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det annet kjølefluid i den annen kjølesykel utsettes for minst en komprimering i gasstilstand, nedkjøling og fullstendig kondensering ved varmeveksling med det tertiære kjølefluid, en første oppdeling i to strømmer som superkjøles, den første ved varmeveksling med primærfluidet og den annen ved varmeveksling med det samme fluid, hvoretter strømmene kombineres på nytt, en annen oppdeling i minst to strømmer som først ekspanderes, den første under lavt trykk og de øvrige under høyere trykk, og derpå fordampes ved varmeveksling i motstrø m både med den gass som skal flytendegjøres og med det primære kjølefluid, samt ytterligere med en del av samme kjølefluid som er superkjølt, før fluidstrømmene komprimeres på nytt og kombineres med hverandre.

10. Fremgangsmåte som angitt i krav 8 eller 9, karakterisert ved at den strøm av den annen kjølevæske som har høyest trykk, superoppvarmes før kompri-meringen på nytt, med det formål å nedkjøle en del av den gass som skal flytendegjøres.

11. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det tertiære kjølefluid i den tertiære kjølesyklus utgjøres av en eneste komponent som fordampes i 2, 3 eller 4 trinn, tilsvarende samme antall temperaturnivåer.

12. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det i kjølesyklen for et tertiært kjølefluid i flere komponenter finner sted en komprimering i gasstilstand, nedkjøling og fullstendig kondensering ved varmeveksling med en kilde for ytre kjøling, en superkjøling og oppdeling i flere fluidstrø mmer som fordampes under forskjellige trykk, for derved å tilføre de nødvendige kjøleenheter både for sin egen type kjøling og for kondensering av sekundærfluidet, samt for forkjøling av i det minste en del av den gass som flytendegjøres.

13. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, 2 eller 3, karakterisert ved at det primære kjølefluid inneholder metan i en andel på 40 til 70 mol%, eten og/eller etan fra 30 til 50 mol%, nitrogen fra 0 til 10 mol%, propen og/eller propan fra 0 til 5 mol°/.

14. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 4, karakterisert ved at det primære kjølefluid inneholder metan i en andel fra 65 til 85 mol%, nitrogen fra 0 til 15 mol%, eten og/eller etan fra 5 til 35 mol%.

15. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, 8 og 9, karakterisert ved at det sekundære kjølefluid inneholder metan i en andel på 0 til 15 mol%, eten og/eller etan fra 65 til 90 mol%, samt propen og/eller propan fra 5 til 35 mol%.

16. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 og 11, karakterisert ved at det anvendes tertiær kjølefluid bestående av en eneste komponent som velges blant komponentene propan, propen, ammoniakk og freon <*> .

17. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 og 12, karakterisert ved at det tertiære kjølefluid består av flere komponenter og inneholder eten og/eller etan i en andel fra 25 til 75 mol%, propen og/eller propan fra 25 til 75 mol%.