WO2023237751A1 - Verfahren zum verdichten eines propylenkältemittels - Google Patents

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    • F25J2270/902—Details about the refrigeration cycle used, e.g. composition of refrigerant, arrangement of compressors or cascade, make up sources, use of reflux exchangers etc.

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for compressing a propylene refrigerant in a propylene refrigerant circuit.
  • Product streams from steam cracking processes are typically cooled and/or liquefied using different refrigerant circuits, in particular with ethylene refrigerant (also referred to as C2 refrigerant) and/or with propylene refrigerant (also referred to as C3 refrigerant).
  • refrigerant circuits can of course also be used in other processes that require appropriate cooling.
  • the respective refrigerants are expanded to different pressure levels and, starting from these different pressure levels, are recompressed and then condensed.
  • refrigerant compressors are conventionally used, which are often driven by one or more turbines, e.g. steam turbines, or by electric motors, and to which the expanded refrigerant is fed at different pressure levels.
  • US 10,544,986 B2 provides a system and method for increasing the capacity and efficiency of natural gas liquefaction processes while debottlenecking the refrigerant compression system.
  • a secondary compression circuit comprising at least one dual flow compressor comprises, is provided in parallel fluid flow connection with at least a portion of a primary compression circuit.
  • a solution described in US 2007/204649 A1 relates to a refrigerant circuit, in particular for use in a liquefaction system, the refrigerant circuit having at least one refrigeration machine with an inlet for refrigerant and at least one outlet for refrigerant evaporated in the refrigeration machine, a compressor with an inlet for receiving the evaporated refrigerant from the refrigeration machine and an outlet for compressed refrigerant, a cooler with an inlet for compressed refrigerant and an outlet for cooled compressed refrigerant, a flow divider which is suitable for dividing the cooled compressed refrigerant into at least two streams, and a first valve, a second valve and a first pressure relief valve.
  • the present invention aims to improve the compression of the refrigerants used in corresponding processes, particularly with a view to reducing production costs.
  • the present invention is based on the knowledge that the problem mentioned at the beginning can be solved by using largely the same (i.e. structurally or performance-wise) components for the compression of the propylene refrigerant as for the compression of the ethylene refrigerant (and the product stream). In this way, procurement, operation, maintenance and, if necessary, spare parts inventory can be made more economical.
  • propylene refrigerant compressors are conventionally operated at a lower speed than ethylene refrigerant compressors in order to accommodate the higher molecular weight and the associated lower speed of sound at the same pressure and the same temperature must be taken into account.
  • Impellers of compressors in industrial use will not be operated at a rotational speed that leads to transonic flow of the respective medium in the flow channel of the impeller, as this limits the operating range of the machine and calls into question the availability/longevity of the compressor.
  • Another aspect for the design speed of the propylene refrigerant compressor is its volumetric load. If the drive speed and peripheral speed are limited, this results in the maximum diameter of the impeller and thus also the maximum absorption capacity (volumetric capacity) of the compressor. In order to cope with high volumetric capacities, the design speed must be reduced while maintaining the same peripheral speed, which consequently results in a larger wheel diameter with a higher capacity.
  • a particularly electrically driven (propylene) refrigerant compressor is used to compress a first gaseous propylene refrigerant stream at a first pressure level, a second gaseous propylene refrigerant stream at a second pressure level above the first pressure level and a third gaseous propylene refrigerant stream at a third pressure level above the second pressure level used with a first compressor unit and a second compressor unit, wherein the first and second compressor units are designed to be fluidly separated from one another.
  • a “compressor unit” is to be understood here in particular as a unit consisting of several compressor wheels, which is housed in a housing. Several compressor units can in particular by means of a common drive are driven.
  • the term “fluid-separated” is intended to mean in particular that essentially no fluid is conveyed or passes from the pressure side of one compressor unit to a suction side of the other.
  • the term “essentially no fluid” is intended to express that in particular more than 90% of the fluid quantity is discharged from the pressure side of one compressor unit from the refrigerant compressor without reaching the suction side of the other.
  • the compressor units and the refrigerant compressor as a whole are designed in particular in the manner of a known turbo compressor or corresponding compressor units and therefore include corresponding turbine wheels.
  • the pressure level of the first propylene refrigerant stream can be in particular at 1 to 2 bar (in particular 1.3 bar), the pressure level of the second propylene refrigerant stream in particular at 2.2 to 3.8 bar (in particular 2.9 bar) and the pressure level of the third propylene refrigerant stream in particular at 6 to 9 bar (especially 7 bar), or at other pressure levels as are known for corresponding propylene refrigerant circuits.
  • a pressure level here, what is meant is a pressure that is not necessarily precisely determined or needs to be determined in order to realize the idea on which the invention is based. However, a pressure so designated is usually within a certain range around an average or target value. Such pressure levels can be in separate or overlapping areas. In particular, pressure levels also include unavoidable pressure losses.
  • the first propylene refrigerant flow is divided into a first and a second partial flow, the first partial flow being supplied to the first compressor unit on the suction side at the first pressure level and the second partial flow being supplied to the second compressor unit on the suction side at the first pressure level.
  • the second propylene refrigerant stream is supplied to the first compressor unit at the second pressure level and the third propylene refrigerant stream is supplied to the second compressor unit at the third pressure level.
  • the correspondingly compressed propylene refrigerant of the first, the second and the third propylene refrigerant stream is at least partially removed at a fourth pressure level above the third pressure level of in particular 12 to 20 bar on the pressure side of the first compressor unit and the second compressor unit and combined to form a fourth propylene refrigerant stream.
  • This fourth pressure level is stationary Operation in particular due to the condensation conditions of the propylene against the
  • the first propylene refrigerant stream which is conventionally supplied to a single compressor unit on the suction side, is divided into two flows or partial streams. Each of these flows is fed to separate compressor units and merged there with one of the two side streams (second or third propylene refrigerant stream).
  • second or third propylene refrigerant stream the merging of the propylene refrigerant flows as a whole only takes place on the pressure side of the refrigerant compressor and thus its compressor units.
  • a first pressure stream in particular in the form of or comprising the second propylene refrigerant stream, is formed on the pressure side of the first compressor unit
  • a second pressure stream in particular in the form of or comprising the second propylene refrigerant stream, is formed on the pressure side of the second compressor unit. Only these pressure streams are combined, in particular neither the first pressure stream or a part thereof being passed through the second compressor unit before the combination, nor the second pressure stream or a part thereof being passed through the first compressor unit before the combination.
  • the compression of the second and third propylene refrigerant streams takes place in particular separately from one another.
  • the method therefore includes a compression of ethylene refrigerant, an electric compressor drive of the same type being used for the compression of the ethylene refrigerant as for the compression of the mentioned propylene refrigerant streams, without the use of gears being necessary for this.
  • the electric drive for the compressor units is permanently operated at a speed in the range of 2400 to 7200 rpm (or 40-120 s -1 ), in particular 4000-5200 rpm.
  • This is a speed range in which ethylene refrigerant compressors usually work and which, depending on the performance requirements, can be served by high-speed electric motors powered by frequency converters without the need for a gearbox.
  • a speed of the one electric drive (or several electric drives) for the compressor units corresponds to the speed of a compressor wheel shaft.
  • the first propylene refrigerant stream is preferably divided between the two partial streams in a ratio that is selected from a range between 1:1 and 1:5 or 5:1 to 1:1.
  • the specific ratio chosen can depend in particular on the feed quantities.
  • an increased proportion of the volume flow (compared to the other pressure levels) can be fed in at the third pressure level, since significant amounts of refrigerant are usually produced at this pressure level. This means that, also with regard to the volumetric proportions of the second and third propylene refrigerant flows, the most optimal possible, in particular uniform load on all compressor stages of the compressor units can be set.
  • the fourth propylene refrigerant stream is preferably condensed against ambient conditions (e.g. air/cooling water) and used for cooling in a refrigerant circuit. This is a particularly relevant use case.
  • ambient conditions e.g. air/cooling water
  • a system according to the invention for compressing a propylene-containing gas stream is set up in particular to carry out a method as described above and comprises at least one electric compressor drive.
  • the at least one electric compressor drive preferably has a nominal speed in a range from 2400 to 7200 rpm (or 40-120 s' 1 ), in particular from 4000 to 5200 rpm, and is mechanically coupled to the respective driven compressor without an intermediate gear. This means that the system benefits accordingly from the advantages of the respective process explained above.
  • Figure 1 shows a refrigerant circuit in a conventional embodiment in a schematic representation as a block diagram.
  • a refrigerant circuit is shown schematically in a configuration not according to the invention and is designated overall by 100.
  • the refrigerant cycle 100 includes one or more components to be cooled, which are collectively designated 110 here, as well as a refrigerant compressor 120, which is driven by a drive 125, for example a steam turbine.
  • propylene refrigerant streams 101, 102, 103 which occur at different pressure levels, are passed to the refrigerant compressor 120.
  • the propylene refrigerant streams contain at least propylene or a C3 refrigerant.
  • Typical values have already been mentioned previously.
  • the first propylene refrigerant stream 101 is fed to the suction side of the refrigerant compressor 120 (compressor stage A), while the second 102 and third 103 streams are respectively fed downstream into compressor stages B and C, which are operated with a higher inlet pressure than compressor stage A.
  • a compressed (“fourth”) propylene refrigerant stream 105 is removed at a fourth pressure level, which, if necessary after carrying out further processing steps such as cooling, expansion or the like, is fed back to the components 110 to be cooled.
  • the compressed fourth propylene refrigerant stream 105 accordingly contains portions of all three propylene refrigerant streams 101, 102, 103, which in turn are formed from the compressed fourth propylene refrigerant stream 105.
  • the fourth pressure level is higher than the third pressure level and can in particular be in the previously mentioned range.
  • each of the compressor stages A, B, C can in turn be divided into several compression stages or can include several impellers for compression.
  • the nominal speed of the drive 125 is selected taking into account the peripheral speed of the largest impeller of the compressor stage A, so that the relative speed of the medium to be compressed (propylene refrigerant flow 101) does not reach the speed of sound in order to avoid loss of efficiency, restricted operation and damage to the impeller avoid.
  • care is taken to ensure that the target speed does not generate resonance with the natural frequencies of the refrigerant compressor 120, as this could cause increased wear or total destruction of the refrigerant compressor 120.
  • the refrigerant compressor 120 is designed with two impellers per compressor stage A, B, C.
  • a design with only one impeller per compressor stage fails due to the high peripheral speeds required.
  • the conventional refrigerant compressor 120 thus has a total of six impellers and two feeds, which also contribute to the bearing clearance of the refrigerant compressor 120. The latter in turn limits the speed due to the rotor dynamics, as already explained.
  • a refrigerant circuit such as can be used in the context of the invention, is shown schematically and designated overall by 200.
  • the refrigerant circuit 200 differs from the refrigerant circuit 100 described above in particular in that it has two separate compressor units, i.e. a first compressor unit 221 and a second compressor unit 222, which are driven by a common electric drive 225.
  • each of the compressor units 221, 222 can be driven by a separate electric drive, which increases flexibility with regard to the relative arrangement of components of the refrigerant circuit 200.
  • the first and second compressor units 221, 222 are designed to be fluidly separated from one another in the sense explained above.
  • stage B of the compressor unit 221 differs from stage B of the compressor unit 120 in that the discharge pressure of the compressor unit 221 and thus its stage B is at the fourth pressure level, while the discharge pressure of stage B in the refrigerant compressor 120 is essentially at that third pressure level.
  • stage A2 of the compressor unit 222 differs from stage A of the refrigerant compressor 120 in that the delivery pressure stage A1 is at the third pressure level, while the output pressure of stage A of the refrigerant compressor 120 is at the second pressure level.
  • a propylene refrigerant stream 101 can also come from different consumers, so that, if necessary, in a comparison example not according to the invention, a division can take place upstream of the components 110 to be cooled.
  • a collecting line 101 as shown in FIG. 2, a direct assignment of the respective consumers 110 to the compressor units 221, 222 is therefore also conceivable.
  • the volumetric ratio in which the propylene refrigerant stream 101 is divided between the two compressor units 221, 222 can be selected in the range mentioned above, although these ratios are only to be seen as rough guidelines.
  • the optimal division ratio depends on the feed quantities (propylene refrigerant flows 102, 103) and therefore serves as a degree of freedom for optimization with regard to the efficiency at the same speed of both housings.
  • Propylene refrigerant stream 105 (also referred to as extraction stream) is combined.
  • stage A A1, A2
  • the apparent increase in components due to the additional compressor housing and the doubling of stage A (A1, A2) is put into perspective by the reduction in the wheel diameter or the inner housing diameter (approx. 30-40% smaller and faster).
  • electric drives 225 can be used, which are typically used for refrigerant compressors in C2 or ethylene refrigerant circuits or for raw gas compressors downstream of a vapor cracking system. This results in synergy effects in terms of procurement, operation, maintenance and spare parts inventory.
  • a gearbox for speed reduction can be dispensed with, so that energy savings can be achieved here can be realized due to lower mechanical losses of the order of 1-3%.
  • this corresponds to a performance saving of approx. 0.7-2.5% per refrigerant circuit, for example 600 kW with 30 MW nominal output of a (C2/C3) refrigerant compressor.
  • Such a saving would lead to a saving in terms of electrical energy of the order of 5 million kWh per year given the usual continuous operation for such systems (ie more than 8700 h/a).
  • operating materials such as lubricating oil and maintenance costs for the saved mechanical components are reduced.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren (200) zum Verdichten eines Propylen enthaltenden Gasstroms (101, 102, 103) unter Verwendung eines elektrischen Verdichterantriebs (225), wobei ein erster Einsatzstrom (101) auf einem ersten Druckniveau in zwei Unterströmen zwei voneinander separierten ersten (221) und zweiten (222) Verdichtungen unterworfen wird, wobei der ersten Verdichtung (221) ein zweiter Einsatzstrom (102) auf einem zweiten Druckniveau unterworfen wird und der zweiten Verdichtung (222) ein dritter Einsatzstrom (103) auf einem dritten Druckniveau unterworfen wird, wobei die erste (221) und die zweite (222) Verdichtung eine Verdichtung der ihr jeweils unterworfenen Einsatzströme (101, 102, 103) auf ein viertes Druckniveau bewirken, wobei die verdichteten Einsatzströme stromab der Verdichtungen (221, 222) auf dem vierten Druckniveau miteinander zu einem Entnahmestrom (105) vereinigt werden, und wobei das Vereinigen zu dem vierten Propylenkältemittelstrom (105) auf der Druckseite des Kältemittelverdichters (221, 222) erfolgt. Ferner wird eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens mit zumindest einem elektrischen Verdichterantrieb (225) vorgeschlagen.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verdichten eines Propylenkältemittels
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Verdichten eines Propylenkältemittels in einem Propylenkältemittelkreislauf.
Hintergrund
Verfahren und Anlagen zum Steamcracken von Kohlenwasserstoffen sind beispielsweise im Artikel "Ethylene" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlineausgabe, 15. April 2009, DOI: 10.1002/14356007. a10_045.pub2, beschrieben. Das Steamcracken (engl. Steam Cracking, im Deutschen auch als Dampfspalten bezeichnet) wird vorwiegend zur Gewinnung von kurzkettigen Olefinen wie Ethylen und Propylen, Diolefinen wie Butadien oder von Aromaten eingesetzt, ist jedoch nicht auf die Gewinnung solcher Verbindungen beschränkt.
Produktströme aus Steamcracking-Prozessen werden typischerweise unter Verwendung unterschiedlicher Kältemittelkreisläufe, insbesondere mit Ethylenkältemittel (auch als C2-Kältemittel bezeichnet) und/oder mit Propylenkältemittel (auch als C3-Kältemittel bezeichnet), gekühlt und/oder verflüssigt. Derartige Kältemittelkreisläufe können selbstverständlich auch in anderen Prozessen, die eine entsprechende Kühlung erfordern, zum Einsatz kommen. Die jeweiligen Kältemittel werden dabei auf unterschiedliche Druckniveaus entspannt und von diesen unterschiedlichen Druckniveaus ausgehend rückverdichtet und anschließend kondensiert. Zur Verdichtung werden herkömmlicherweise Kältemittelverdichter verwendet, die häufig mittels einer oder mehrerer Turbinen, z.B. Dampfturbinen, oder auch mittels elektrischer Motoren angetrieben werden, und denen auf unterschiedlichen Druckstufen das entspannte Kältemittel zugespeist wird.
In der US 10,544,986 B2 werden ein System und ein Verfahren zur Erhöhung der Kapazität und Effizienz von Erdgasverflüssigungsprozessen bereitgestellt, wobei eine Engpassbeseitigung hinsichtlich des Kältemittelverdichtungssystems durchgeführt wird. Ein sekundärer Verdichtungskreislauf, der mindestens einen Doppelstromverdichter umfasst, ist in paralleler Fluidstromverbindung mit mindestens einem Teil eines primären Verdichtungskreislaufs vorgesehen.
Eine in US 2007/204649 A1 beschriebene Lösung betrifft einen Kältemittelkreislauf, insbesondere zur Verwendung in einer Verflüssigungsanlage, wobei der Kältemittelkreislauf mindestens eine Kältemaschine mit einem Einlass für Kältemittel und mindestens einem Auslass für in der Kältemaschine verdampftes Kältemittel, einen Verdichter mit einem Einlass zur Aufnahme des verdampften Kältemittels aus der Kältemaschine und einem Auslass für verdichtetes Kältemittel, einen Kühler mit einem Einlass für verdichtetes Kältemittel und einem Auslass für gekühltes verdichtetes Kältemittel, einen Stromteiler, der geeignet ist, das gekühlte verdichtete Kältemittel in mindestens zwei Ströme aufzuteilen, sowie ein erstes Ventil, ein zweites Ventil und ein erstes Überdruckventil umfasst.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, die Verdichtung der in entsprechenden Prozessen verwendeten Kältemittel, insbesondere im Hinblick auf eine Reduktion der Erstellungskosten, zu verbessern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass sich die eingangs erwähnte Aufgabe dadurch lösen lässt, dass für die Verdichtung des Propylenkältemittels weitgehend die gleichen (d.h. baulich bzw. leistungsmäßig identische) Komponenten verwendet werden wie zur Verdichtung des Ethylenkältemittels (und des Produktstroms). Auf diese Weise lassen sich Beschaffung, Betrieb, Wartung und ggf. Ersatzteilhaltung ökonomischer gestalten.
Herkömmlicherweise werden Propylenkältemittelverdichter jedoch mit einer geringeren Drehzahl betrieben als Ethylenkältemittelverdichter, um dem höheren Molekulargewicht und der damit einhergehenden niedrigeren Schallgeschwindigkeit bei gleichem Druck und gleicher Temperatur Rechnung zu tragen. Laufräder von Verdichtern im industriellen Einsatz werden nämlich nicht mit einer Umlaufgeschwindigkeit betrieben werden, die zu transsonischer Strömung des jeweiligen Medium im Strömungskanal des Laufrades führt, da dies den Betriebsbereich der Maschine einschränkt und die Verfügbarkeit/Langlebigkeit des Verdichters in Frage stellt.
Ein weiterer Aspekt für die Auslegungsdrehzahl des Proylenkältemittelverdichters ist dessen volumetrische Belastung. Sind Antriebsdrehzahl und Umfangsgeschwindigkeit beschränkt, so resultiert daraus der maximale Durchmesser des Laufrads und somit auch die maximale Schluckfähigkeit (volumetrische Kapazität) des Verdichters. Um hohe volumetrische Kapazitäten zu bewältigen, ist daher die Auslegungsdrehzahl bei gleicher Umfangsgeschwindigkeit abzusenken, konsequenterweise folgt daraus ein größerer Raddurchmesser mit höherer Kapazität.
Dieser Umstand steht der Verwendung baulich bzw. leistungsmäßig identischer Antriebe entgegen, da typischerweise die Drehzahl entsprechender Antriebe durch die bauliche Auslegung bedingt ist und daher zur Erreichung der herkömmlicherweise verwendeten unterschiedlichen Drehzahlen auch baulich unterschiedliche Antriebe erforderlich sind, falls nicht aufwendige Getriebe verwendet werden sollen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem nun durch die spezifische Aufteilung des Propylenkältemittelverdichters auf zwei Verdichtereinheiten und die Zuspeisung des entspannten Propylenkältemittels in diese Verdichtereinheiten.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird zum Verdichten eines ersten gasförmigen Propylenkältemittelstroms auf einem ersten Druckniveau, eines zweiten gasförmigen Propylenkältemittelstroms auf einem zweiten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus und eines dritten gasförmigen Propylenkältemittelstroms auf einem dritten Druckniveau oberhalb des zweiten Druckniveaus ein insbesondere elektrisch angetriebener (Propylen-)Kältemittelverdichter mit einer ersten Verdichtereinheit und einer zweiten Verdichtereinheit verwendet, wobei die erste und die zweite Verdichtereinheit fluidtechnisch getrennt voneinander ausgebildet sind.
Unter einer „Verdichtereinheit“ soll dabei hier insbesondere eine Einheit aus mehreren Verdichterrädern verstanden werden, die in einem Gehäuse untergebracht ist. Mehrere Verdichtereinheiten können insbesondere mittels eines gemeinsamen Antriebs angetrieben werden. Unter dem Begriff „fluidtechnisch getrennt“ soll dabei insbesondere verstanden werden, dass im Wesentlichen kein Fluid von der Druckseite einer Verdichtereinheit zu einer Saugseite der anderen befördert wird oder gelangt. Der Begriff „im Wesentlichen kein Fluid“ soll dabei ausdrücken, dass insbesondere mehr als 90% der Fluidmenge von der Druckseite einer Verdichtereinheit aus dem Kältemittelverdichter ausgeführt wird, ohne zur Saugseite der anderen zu gelangen. Die Verdichtereinheiten und der Kältemittelverdichter insgesamt sind insbesondere nach Art eines bekannten Turboverdichters bzw. entsprechender Verdichtereinheiten ausgeführt und umfassen daher entsprechende Turbinenräder.
Das Druckniveau des ersten Propylenkältemittelstroms kann insbesondere bei 1 bis 2 bar (insbesondere 1,3 bar), das Druckniveau des zweiten Propylenkältemittelstroms insbesondere bei 2,2 bis 3,8 bar (insbesondere 2,9 bar) und das Druckniveau des dritten Propylenkältemittelstroms insbesondere bei 6 bis 9 bar, (insbesondere 7 bar) liegen, oder auf anderen Druckniveaus, wie sie für entsprechende Propylenkältemittelkreisläufe bekannt sind. Ist hier von einem Druckniveau die Rede, so ist damit ein Druck gemeint, der nicht notwendigerweise exakt bestimmt ist oder bestimmt zu werden braucht, um die der Erfindung zugrundeliegende Idee zu verwirklichen. Dennoch liegt ein so bezeichneter Druck üblicherweise innerhalb eines bestimmten Bereichs um einen durchschnittlichen oder Zielwert. Derartige Druckniveaus können in getrennten oder einander überlappenden Bereichen liegen. Insbesondere umfassen Druckniveaus auch unvermeidliche Druckverluste.
Der erste Propylenkältemittelstrom wird auf einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt, wobei der erste Teilstrom auf dem ersten Druckniveau saugseitig der ersten Verdichtereinheit zugeführt wird und der zweite Teilstrom auf dem ersten Druckniveau saugseitig der zweiten Verdichtereinheit zugeführt wird. Der zweite Propylenkältemittelstrom wird auf dem zweiten Druckniveau der ersten Verdichtereinheit zugeführt und der dritte Propylenkältemittelstrom wird auf dem dritten Druckniveau der zweiten Verdichtereinheit zugeführt. Das entsprechend verdichtete Propylenkältemittel des ersten, des zweiten und des dritten Propylenkältemittelstroms wird zumindest zum Teil auf einem vierten Druckniveau oberhalb des dritten Druckniveaus von insbesondere 12 bis 20 bar druckseitig der ersten Verdichtereinheit und der zweiten Verdichtereinheit entnommen und zu einem vierten Propylenkältemittelstrom vereinigt. (Dieses vierte Druckniveau ist im stationären Betrieb insbesondere durch die Kondensationsbedingungen des Propylen gegen die
Umgebung (z.B. Kühlwasser bzw. Luft) bestimmt)
Bei diesem Konzept wird der erste Propylenkältemittelstrom, der herkömmlicherweise einer einzigen Verdichtereinheit saugseitig zugeführt wird, also in zwei Fluten bzw. Teilströme aufgeteilt. Jede dieser Fluten wird gesondert getrennten Verdichtereinheiten zugeführt und dort mit je einem der beiden Seitenströme (zweiter bzw. dritter Propylenkältemittelstrom) zusammengeführt. Das Zusammenführen der Propylenkältemittelströme insgesamt miteinander findet abweichend vom Stand der Technik damit erst auf der Druckseite des Kältemittelverdichters und damit seiner Verdichtereinheiten statt. Mit anderen Worten werden druckseitig der ersten Verdichtereinheit ein erster Druckstrom, insbesondere in Form des zweiten Propylenkältemittelstroms oder diesen umfassend, und druckseitig der zweiten Verdichtereinheit ein zweiter Druckstrom, insbesondere in Form des zweiten Propylenkältemittelstroms oder diesen umfassend, gebildet. Erst diese Druckströme werden vereinigt, wobei insbesondere weder der erste Druckstrom oder ein Teil hiervon vor der Vereinigung noch durch die zweite Verdichtereinheit geführt wird, noch der zweite Druckstrom oder ein Teil hiervon vor der Vereinigung noch durch die erste Verdichtereinheit geführt wird. Die Verdichtung des zweiten und dritten Propylenkältemittelstroms erfolgt insbesondere separat voneinander.
Somit sinkt die volumetrische Belastung aller Verdichtereinheiten, die Laufraddurchmesser werden kleiner und die Drehzahl kann angehoben werden. Daher kann als Antrieb der beiden Verdichtereinheiten ein baugleicher Antrieb verwendet werden, wie er auch in herkömmlichen Verfahren zur Verdichtung von Ethylenkältemitteln eingesetzt werden kann. Der regelungstechnischen Problematik einer druckseitigen Mischung der Propylenkältemittelströmen entgeht man vorteilhaft durch Wahl eines gemeinsamen Antriebs für beide Verdichtergehäuse, was auch im Kontext der oben thematisierten Leistungsangleichung aller Antriebe sinnvoll erscheint.
In vorteilhaften Ausgestaltungen umfasst das Verfahren daher eine Verdichtung von Ethylenkältemittel, wobei für die Verdichtung des Ethylenkältemittels ein elektrischer Verdichterantrieb desselben Typs wie für die Verdichtung der erwähnten Propylenkältemittelströme verwendet wird, ohne dass hierzu der Einsatz von Getrieben notwendig wird. Dadurch ergibt sich ein Vorteil dergestalt, dass Beschaffung, Betrieb, Wartung und Ersatzteilhaltung für die beiden Kältemittelkreisläufe vereinheitlicht werden können.
Insbesondere wird der elektrische Antrieb für die Verdichtereinheiten dauerhaft mit einer Drehzahl im Bereich von 2400 bis 7200 rpm (bzw. 40-120 s-1), insbesondere von 4000-5200 rpm, betrieben. Dies ist ein Drehzahlbereich, in dem üblicherweise auch Ethylenkältemittelverdichter arbeiten und der je nach Leistungsanforderung von schnelllaufenden, durch Frequenzumrichter gespeisten Elektromotoren unter Verzicht auf Getriebe bedient werden kann.
Bevorzugt wird für die zwei Verdichtereinheiten jeweils eine Umfangsgeschwindigkeit eines größten Laufrades niedriger als das 1 ,2-fache der Schallgeschwindigkeit im Eintritt des Laufrades gewählt. Insbesondere soll die Umfangsgeschwindigkeit so gewählt sein, dass die relative Strömungsgeschwindigkeit im Eintritt des Laufrades eine Machzahl von 0,85 nicht überschreitet (Umfangsmachzahl und Eintrittsmachzahl sind über die jeweilige Laufradgeometrie gekoppelt). Damit kann sicher verhindert werden, dass im Strömungskanal des Laufrades und des zugehörigen Stators keine transsonische Strömung auftritt, was Effizienzverlust, Einschränkung des Betriebsbereich und Schäden an dem Verdichter vermeidet.
In bevorzugten Ausgestaltungen entspricht eine Drehzahl des einen elektrischen Antriebs (oder der mehreren elektrischen Antriebe) für die Verdichtereinheiten der Drehzahl einer Verdichterradwelle. Dadurch kann auf ein Getriebe zur Über- bzw. Untersetzung verzichtet werden, woraus sich Vorteile in Bezug auf Investitionskosten, Betriebskosten und Energieeffizienz ergeben.
Der erste Propylenkältemittelstrom wird bevorzugt in einem Verhältnis, das aus einem Bereich zwischen 1 :1 und 1 :5 bzw. 5:1 bis 1 :1 ausgewählt ist, auf die beiden Teilströme aufgeteilt. Das konkret gewählte Verhältnis kann insbesondere von den Zuspeisemengen abhängen. Typischerweise kann auf dem dritten Druckniveau ein (im Vergleich zu den übrigen Druckniveaus) erhöhter Volumenstromanteil zugespeist werden, da auf diesem Druckniveau in der Regel erhebliche Kältemittelmengen anfallen. Damit kann, auch im Hinblick auf die volumetrischen Anteile der zweiten und dritten Propylenkältemittelströme, jeweils eine möglichst optimale, insbesondere gleichmäßige Belastung aller Verdichterstufen der Verdichtereinheiten eingestellt werden.
Der vierte Propylenkältemittelstrom wird bevorzugt gegen Umgebungsbedingungen kondensiert (z.B. Luft/Kühlwasser) und zur Kühlung in einem Kältemittelkreislauf verwendet. Dies ist ein besonders relevanter Anwendungsfall.
Eine erfindungsgemäße Anlage zur Verdichtung eines Propylen enthaltenden Gasstroms, zu deren Merkmalen auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen wird, ist insbesondere zur Durchführung eines Verfahrens wie vorstehend beschrieben eingerichtet und umfasst zumindest einen elektrischen Verdichterantrieb. Bevorzugt weist dabei der zumindest eine elektrische Verdichterantrieb eine Nenndrehzahl in einem Bereich von 2400 bis 7200 rpm (bzw. 40-120 s'1 ), insbesondere von 4000 bis 5200 rpm, auf und ist ohne zwischengeschaltetes Getriebe mit dem jeweils angetriebenen Verdichter mechanisch gekoppelt. Damit profitiert die Anlage sinngemäß entsprechend von den oben erläuterten Vorteilen des jeweils entsprechenden Verfahrens.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Dabei gelten Bezüge auf Anlagenkomponenten sinngemäß entsprechend auch für in der jeweiligen Komponente durchgeführte Verfahrensschritte und umgekehrt.
Kurze Beschreibung der Figuren
Figur 1 zeigt einen Kältemittelkreislauf in einer herkömmlichen Ausgestaltung in schematischer Darstellung als Blockdiagramm.
Figur 2 zeigt einen Kältemittelkreislauf, wie er im Rahmen von Ausgestaltungen der Erfindung Verwendung finden kann, in schematischer Darstellung als Blockdiagramm.
Detaillierte Beschreibung
In Figur 1 ist ein Kältemittelkreislauf in einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung schematisch dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Der Kältemittelkreislauf 100 umfasst einen oder mehrere zu kühlende Komponenten, die hier zusammenfassend mit 110 bezeichnet sind, sowie einen Kältemittelverdichter 120, der von einem Antrieb 125, beispielsweise einer Dampfturbine, angetrieben wird.
In dem gezeigten Beispiel werden mehrere Propylenkältemittelströme 101 , 102, 103, die auf unterschiedlichen Druckniveaus anfallen, zu dem Kältemittelverdichter 120 geleitet. Die Propylenkältemittelströme enthalten zumindest Propylen bzw. ein C3- Kältemittel. Dabei liegt ein erster Propylenkältemittelstrom 101 auf einem ersten Druckniveau, ein zweiter Propylenkältemittelstrom 102 auf einem zweiten Druckniveau und ein dritter Propylenkältemittelströme 103 auf einem dritten Druckniveau vor, wobei die Druckniveaus beginnend mit dem ersten über das zweite hin zum dritten ansteigen. Typische Werte wurden bereits zuvor genannt.
Dementsprechend wird der erste Propylenkältemittelstrom 101 der Saugseite des Kältemittelverdichters 120 zugeführt (Verdichterstufe A), während die zweiten 102 und dritten 103 Ströme jeweils stromab in Verdichterstufen B und C, die mit höherem Eingangsdruck als die Verdichterstufe A betrieben werden, eingespeist werden.
Am Hochdruckende der dritten Verdichterstufe C wird ein verdichteter („vierter“) Propylenkältemittelstrom 105 auf einem vierten Druckniveau entnommen, der, ggf. nach Durchführung weiterer Bearbeitungsschritte wie Kühlung, Expansion o.Ä. wieder den zu kühlenden Komponenten 110 zugeführt wird. Der verdichtete vierte Propylenkältemittelstrom 105 enthält dementsprechend Anteile aus allen drei Propylenkältemittelströmen 101 , 102, 103, die ihrerseits wiederum aus dem verdichteten vierten Propylenkältemittelstrom 105 gebildet werden. Das vierte Druckniveau ist höher als das dritte Druckniveau und kann insbesondere in dem zuvor erwähnten Bereich liegen.
Es versteht sich, dass jede der Verdichterstufen A, B, C auch ihrerseits in mehrere Kompressionsstufen unterteilt sein kann bzw. mehrere Laufräder zur Verdichtung umfassen kann. Die Nenndrehzahl des Antriebs 125 wird dabei unter Berücksichtigung der Umfangsgeschwindigkeit des größten Laufrads der Verdichterstufe A ausgewählt, sodass die Relativgeschwindigkeit des zu verdichtenden Mediums (Propylenkältemittelstrom 101) nicht dessen Schallgeschwindigkeit erreicht, um Effizienzverlust, Betriebseinschränkung und Beschädigungen an dem Laufrad zu vermeiden. Ferner wird bei der Steuerung des Antriebs 125 darauf geachtet, dass die Zieldrehzahl keine Resonanz mit Eigenfrequenzen des Kältemittelverdichters 120 erzeugt, da dies einen erhöhten Verschleiß oder eine Totalzerstörung des Kältemittelverdichters 120 bewirken könnte.
Konventionell wird der Kältemittelverdichter 120 mit je zwei Laufrädern pro Verdichterstufe A, B, C ausgelegt. Eine Auslegung mit nur einem Laufrad pro Verdichterstufe scheitert an den dabei erforderlichen hohen Umfanggeschwindigkeiten. Damit hat der konventionelle Kältemittelverdichter 120 insgesamt sechs Laufräder sowie zwei Einspeisungen, die ebenfalls einen Beitrag zum Lagerabstand des Kältemittelverdichters 120 leisten. Letzterer wiederum begrenzt die Schnellläufigkeit aufgrund der Rotordynamik, wie bereits erläutert.
In Figur 2 ist ein Kältemittelkreislauf, wie er im Rahmen der Erfindung verwendet werden kann, schematisch dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Der Kältemittelkreislauf 200 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Kältemittelkreislauf 100 insbesondere darin, dass er zwei separate Verdichtereinheiten, d.h. eine erste Verdichtereinheit 221 und eine zweite Verdichtereinheit 222, aufweist, die von einem gemeinsamen elektrischen Antrieb 225 angetrieben werden. Alternativ kann auch jede der Verdichtereinheiten 221, 222 von einem separaten elektrischen Antrieb angetrieben werden, was die Flexibilität in Bezug auf die relative Anordnung von Komponenten des Kältemittelkreislaufs 200 erhöht. Die erste und die zweite Verdichtereinheit 221, 222 sind im oben erläuterten Sinn fluidtechnisch getrennt voneinander ausgebildet.
Jeder der beiden Verdichtereinheiten 221, 222 wird jeweils nur ein Teilstrom des auf dem ersten Druckniveau vorliegenden Propylenkältemittelstroms 101 zugeleitet, so dass sich für die Verdichterstufen A1 , A2, die ansonsten im Wesentlichen der Stufe A gemäß Figur 1 entsprechen können, eine erheblich niedrigere volumetrische Belastung ergibt. Ferner unterscheidet sich die Stufe B der Verdichtereinheit 221 von der Stufe B der Verdichtereinheit 120 dadurch, dass der Abgabedruck der Verdichtereinheit 221 und damit deren Stufe B auf dem vierten Druckniveau liegt, während der Abgabedruck der Stufe B der in dem Kältemittelverdichter 120 im Wesentlichen auf dem dritten Druckniveau liegt. Analog dazu unterscheidet sich die Stufe A2 der Verdichtereinheit 222 von der Stufe A des Kältemittelverdichters 120 dadurch, dass der Abgabedruck der Stufe A1 auf dem dritten Druckniveau liegt, während der Abgabedruck der Stufe A des Kältemittelverdichters 120 auf dem zweiten Druckniveau liegt.
In der Praxis kann ein Propylenkältemittelstrom 101 durchaus auch von verschiedenen Verbrauchern kommen, so dass ggf. in einem nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiel eine Aufteilung bereits stromauf der zu kühlenden Komponenten 110 erfolgen kann. Statt einer Sammelleitung 101 , wie in Fig. 2 dargestellt, ist daher auch eine direkte Zuordnung der jeweiligen Verbraucher 110 zu den Verdichtereinheiten 221 , 222 denkbar.
Das volumetrische Verhältnis, in dem der Propylenkältemittelstrom 101 auf die beiden Verdichtereinheiten 221, 222 aufgeteilt wird, kann im oben erwähnten Bereich ausgewählt werden, wobei diese Verhältnisse nur als grobe Anhaltspunkte zu sehen sind. Tatsächlich hängt das optimale Teilungsverhältnis von den Zuspeise-Mengen (Propylenkältemittelströme 102, 103) ab und dient daher als Freiheitsgrad der Optimierung bzgl. der Effizienz bei gleicher Drehzahl beider Gehäuse.
Im hier vorgeschlagenen Konzept ist es denkbar, insbesondere die zweite Verdichtereinheit 222 mit der Stufe C mit nur fünf Laufrädern auszulegen (drei in Stufe A2 und zwei in Stufe C). Unter Optimierung des Teilungsverhältnisses von A (bzw. des Propylenkältemittelstroms 101 auf die beiden Verdichterstufen A1 , A2) lässt sich die Drehzahl des Verdichter-Strangs damit nochmal erheblich erhöhen.
Stromab der Verdichtereinheiten 221, 222 werden die jeweils separat verdichteten Propylenkältemittelströme wieder zu einem verdichteten vierten
Propylenkältemittelstrom 105 (auch als Entnahmestrom bezeichnet) vereinigt. Die scheinbare Mehrung von Komponenten durch das zusätzliche Verdichter-Gehäuse und die Doppelung der Stufe A (A1 , A2) wird durch die Reduzierung der Raddurchmesser bzw. der Gehäuseinnendurchmesser relativiert (ca. 30-40% kleiner und schneller). Dadurch ergibt sich eine höhere maximal zulässige Drehzahl, wodurch elektrische Antriebe 225 verwendet werden können, die typischerweise für Kältemittelverdichter von C2- bzw. Ethylen-Kältemittelkreisläufen oder auch für Rohgasverdichter stromab einer Dampfspaltanlage verwendet werden. Dadurch ergeben sich Synergieeffekte in Bezug auf Beschaffung, Betrieb, Wartung und Ersatzteilhaltung. Ferner kann auf ein Getriebe zur Drehzahlreduktion verzichtet werden, so dass hier Energieeinsparungen aufgrund geringerer mechanischer Verluste in der Größenordnung von 1-3% realisiert werden können. Dies entspricht bei einer typischen Anlage einer Leistungseinsparung von ca. 0.7-2.5% pro Kältemittelkreislauf, zum Beispiel 600 kW bei 30 MW Nennleistung eines (C2/C3) Kältemittelverdichters. Eine derartige Einsparung würde bei dem für derartige Anlagen üblichen Dauerbetrieb (d.h. mehr als 8700 h/a) zu einer Einsparung in Bezug auf elektrische Energie in einer Größenordnung von 5 Millionen kWh pro Jahr führen. Zudem werden Betriebsstoffe wie Schmieröl sowie Wartungsaufwand für die eingesparten mechanischen Komponenten reduziert.

Claims

Patentansprüche Verfahren (200) zum Verdichten eines ersten gasförmigen Propylenkältemittelstroms (101) auf einem ersten Druckniveau, eines zweiten gasförmigen Propylenkältemittelstroms (102) auf einem zweiten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus und eines dritten gasförmigen Propylenkältemittelstroms (103) auf einem dritten Druckniveau oberhalb des zweiten Druckniveaus unter Verwendung eines Kältemittelverdichters (221 , 222) mit einem oder mehreren Verdichterantrieben (224), wobei der Kältemittelverdichter (221 , 222) eine erste
Verdichtereinheit (221) und eine zweite Verdichtereinheit (222) aufweist und die erste Verdichtereinheit (221) und die zweite Verdichtereinheit (222) fluidtechnisch getrennt voneinander ausgebildet sind, wobei der erste Propylenkältemittelstrom (101) auf einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt wird und der erste Teilstrom auf dem ersten Druckniveau saugseitig der ersten Verdichtereinheit (221) zugeführt wird und der zweite Teilstrom saugseitig der zweiten Verdichtereinheit (222) zugeführt wird, wobei der zweite Propylenkältemittelstrom (102) auf dem zweiten Druckniveau der ersten Verdichtereinheit (221) zugeführt wird und der dritte Propylenkältemittelstrom (103) auf dem dritten Druckniveau der zweiten Verdichtereinheit (222) zugeführt wird, wobei das in der ersten Verdichtereinheit (221) und der zweiten Verdichtereinheit (222) verdichtete Propylenkältemittel des ersten Propylenkältemittelstroms (101); des zweiten Propylenkältemittelstroms (102) und des dritten Propylenkältemittelstroms (103) zumindest zum Teil auf einem vierten Druckniveau oberhalb des dritten Druckniveaus druckseitig der ersten Verdichtereinheit (221) und der zweiten Verdichtereinheit entnommen (222) und zu einem vierten Propylenkältemittelstrom (105) vereinigt wird, und wobei das Vereinigen zu dem vierten Propylenkältemittelstrom (105) auf der Druckseite des Kältemittelverdichters (221 , 222) erfolgt. Verfahren (200) nach Anspruch 1 , ferner umfassend eine Verdichtung eines Ethylenkältemittels, wobei für die Verdichtung des Ethylenkältemittels ein elektrischer Verdichterantrieb desselben Typs oder ein baugleicher Verdichterantrieb wie für die Verdichtung (221, 222) des ersten Propylenkältemittelstroms (101), des zweiten Propylenkältemittelstroms (102) und des dritten Propylenkältemittelstroms (103) verwendet wird.
3. Verfahren (200) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der eine oder die mehreren Verdichterantriebe (225) elektrisch betrieben werden.
4. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der eine oder die mehreren Verdichterantriebe (225) dauerhaft mit einer Drehzahl im Bereich von 2400 bis 7200 rpm, insbesondere von 4000 bis 5200 rpm, betrieben wird oder werden.
5. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei bei die erste Verdichtereinheit (221) und die zweite Verdichtereinheit (222) jeweils mit einer Umfangsgeschwindigkeit eines größten Laufrades niedriger als das 1 ,2-fache der Schallgeschwindigkeit im Eintritt des Laufrades, insbesondere mit einer relativen Geschwindigkeit des Fluids niedriger als das 0,85-fache der Schallgeschwindigkeit am Eintritt des Laufrades, betrieben werden.
6. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Drehzahl des einen oder der mehreren Verdichterantriebe (225) der Drehzahl einer jeweils hierdurch angetriebenen Verdichterradwelle entspricht.
7. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Propylenkältemittelstrom (101) in einem Verhältnis, das aus einem Bereich zwischen 5:1 und 1 :5 ausgewählt ist, auf die beiden Teilströme aufgeteilt wird.
8. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der vierte Propylenkältemittelstrom (105) zur Kühlung (110) in einem Kältemittelkreislauf (200) verwendet wird.
9. Verfahren (200) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Druckniveau in einem Bereich von 1 bis 2 bar, insbesondere bei 1,3 bar, gewählt wird, und/oder wobei das zweite Druckniveau aus einem Bereich von 2,2 bis 3,8 bar, insbesondere bei 2,9 bar, gewählt wird, und/oder wobei das dritte Druckniveau aus einem Bereich von 6 bis 9 bar, insbesondere bei 7 bar, gewählt wird, und/oder wobei das vierte Druckniveau aus einem Bereich von 12 bis 20 bar gewählt wird. Anlage (200) zum Verdichten eines ersten gasförmigen Propylenkältemittelstroms (101) auf einem ersten Druckniveau, eines zweiten gasförmigen Propylenkältemittelstroms (102) auf einem zweiten Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus und eines dritten gasförmigen Propylenkältemittelstroms (103) auf einem dritten Druckniveau oberhalb des zweiten Druckniveaus, wobei die Anlage (200) einen mit einem oder mehreren Verdichterantrieben (224) angetriebenen Kältemittelverdichter (221, 222) aufweist, wobei der Kältemittelverdichter (221, 222) eine erste Verdichtereinheit (221) und eine zweite Verdichtereinheit (222) aufweist und die erste Verdichtereinheit (221) und die zweite Verdichtereinheit (222) fluidtechnisch getrennt voneinander ausgebildet sind, wobei die Anlage (200) dafür eingerichtet ist, den ersten Propylenkältemittelstrom (101) auf einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom aufzuteilen und den ersten Teilstrom auf dem ersten Druckniveau saugseitig der ersten Verdichtereinheit (221) zuzuführen und den zweiten Teilstrom saugseitig der zweiten Verdichtereinheit (222) zuzuführen, wobei die Anlage (200) dafür eingerichtet ist, den zweiten Propylenkältemittelstrom (102) auf dem zweiten Druckniveau der ersten Verdichtereinheit (221) zuzuführen und den dritten Propylenkältemittelstrom (103) auf dem dritten Druckniveau der zweiten Verdichtereinheit (222) zuzuführen, wobei die Anlage (200) dafür eingerichtet ist, das in der ersten Verdichtereinheit (221) und der zweiten Verdichtereinheit (222) verdichtete Propylenkältemittel des ersten Propylenkältemittelstroms (101), des zweiten Propylenkältemittelstroms (102) und des dritten Propylenkältemittelstroms (103) zumindest zum Teil auf einem vierten Druckniveau oberhalb des dritten Druckniveaus druckseitig der ersten Verdichtereinheit (221) und der zweiten Verdichtereinheit (222) und zu einem vierten Propylenkältemittelstrom (105) zu vereinigen, und wobei die Anlage (200) dafür eingerichtet ist, das Vereinigen zu dem vierten Propylenkältemittelstrom (105) auf der Druckseite des Kältemittelverdichters (221 , 222) vorzunehmen. 11. Anlage (200) nach Anspruch 10, die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 eingerichtet ist und zumindest einen elektrischen Verdichterantrieb (225) umfasst.
12. Anlage nach Anspruch 11 , wobei der zumindest eine elektrische Verdichterantrieb (225) eine Nenndrehzahl in einem Bereich von 2400 bis
7200 rpm aufweist und/oder eine Nennleistung in einem Bereich von 10 bis 80 MW aufweist und ohne zwischengeschaltetes Getriebe mit der jeweils angetriebenen Verdichtereinheit (221 , 222) mechanisch gekoppelt ist.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN121112506A (zh) * 2025-11-12 2025-12-12 北京恒泰洁能科技有限公司 一种用于乙烷裂解的低压丙烯制冷工艺

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19717126A1 (de) * 1997-02-26 1998-08-27 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zum kryogenen Speichern von Gasen aus einer Raffinerie
US6640586B1 (en) * 2002-11-01 2003-11-04 Conocophillips Company Motor driven compressor system for natural gas liquefaction
US20070204649A1 (en) 2006-03-06 2007-09-06 Sander Kaart Refrigerant circuit
US10544986B2 (en) 2017-03-29 2020-01-28 Air Products And Chemicals, Inc. Parallel compression in LNG plants using a double flow compressor

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19717126A1 (de) * 1997-02-26 1998-08-27 Linde Ag Verfahren und Vorrichtung zum kryogenen Speichern von Gasen aus einer Raffinerie
US6640586B1 (en) * 2002-11-01 2003-11-04 Conocophillips Company Motor driven compressor system for natural gas liquefaction
US20070204649A1 (en) 2006-03-06 2007-09-06 Sander Kaart Refrigerant circuit
US10544986B2 (en) 2017-03-29 2020-01-28 Air Products And Chemicals, Inc. Parallel compression in LNG plants using a double flow compressor

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PILLARELLA M ET AL: "THE C3MR LIQUEFACTION CYCLE: VERSATILITY FOR A FAST GROWING, EVER CHANGING LNG INDUSTRY", vol. 15TH, 24 May 2007 (2007-05-24), pages PS2 - 5/1, XP009108435, Retrieved from the Internet <URL:http://www.kgu.or.kr/admin/data/P-000/e24dba96efa969ae9c9e056d2dffb446.pdf> *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN121112506A (zh) * 2025-11-12 2025-12-12 北京恒泰洁能科技有限公司 一种用于乙烷裂解的低压丙烯制冷工艺

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