DE1501725A1 - Process for liquefying and subcooling a cryogenic gas - Google Patents

Process for liquefying and subcooling a cryogenic gas

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DE1501725A1 DE19661501725 DE1501725A DE1501725A1 DE 1501725 A1 DE1501725 A1 DE 1501725A1 DE 19661501725 DE19661501725 DE 19661501725 DE 1501725 A DE1501725 A DE 1501725A DE 1501725 A1 DE1501725 A1 DE 1501725A1
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Description

■THE LUlIiaUS GOlIPAiTI,
35p Lladison Avenue, New York, New York 10017 (V.St.A.)■ THE LUlIiaUS GOlIPAiTI,
35p Lladison Avenue, New York, New York 10017 (V.St.A.)

Verfaliren zur Verflüssigung und Unterkühlung eines kryogenen GasesProcess for liquefaction and subcooling of a cryogenic gas

Die Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zur Entfernung von Wärme bei Temperaturen zwischen dem Siedepunkt von Methan bei erhöhten Drücken (etwa -85°C; -12O0F) und den Siedepunkt von Luft oder Stickstoff bei etwa atmosphärischen Druck (etwa ~195°C; -3200F); das Verfahren gemäß der Erfindung findet Anwendung bei Arbeitsxveisen zur Verflüssigung von kryogenen Gasen, wie Luft, Stickstoff, Methan, Erdgas u.dgl., in Fällen und unter Bedingungen, wo es notwendig ist, die Temperatur des bereits verflüssigten Materials weiter abzusenken, um dessen Dampfdruck - etwa zum Zwecke der Lagerung oder Versendung des Materials - auf Atmosphärenaruck oder nahezu atmosphärischen Druck zu verringern.The invention is directed to a method of removing heat at temperatures between the boiling point of methane at elevated pressures (about -85 ° C; -12O 0 F) and the boiling point of air or nitrogen at about atmospheric pressure (about ~ 195 ° C ; -320 0 F); The method according to the invention finds application in working methods for the liquefaction of cryogenic gases, such as air, nitrogen, methane, natural gas and the like. In cases and under conditions where it is necessary to lower the temperature of the already liquefied material further in order to reduce it To reduce the vapor pressure - for example for the purpose of storing or shipping the material - to atmospheric pressure or almost atmospheric pressure.

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Das Verfahren umfaßt ein Verflüssigen des Gases bei hohem Druck in einer Anzahl von Kühlstufen, die in einer Kaskadenanordnung miteinander verbunden sind, ein Unterkühlen des noch unter hohem Druck stehenden verflüssigten Gases mit Stickstoff, einen Wärmeaustausch zwischen hoch verdichtetem Stickstoff und dem bei der Unterkühlung ^ benutzten Stickstoff, gefolgt von einer Verdichtung dieses Stickstoffs und einem Wärmeaustausch mit weiterem Stickstoff, und ein Entspannen des gekühlten und verdichteten Stickstoffs zur Absenkung seiner Temperatur bis auf einen Punkt, wo er für die Arbeitsstufe der Unterkühlung benutzt werden kann.The method includes liquefying the gas at high pressure in a number of cooling stages connected in a cascade arrangement Subcooling of the liquefied gas, which is still under high pressure, with nitrogen, a heat exchange between highly compressed nitrogen and the nitrogen used in subcooling, followed by compression of this Nitrogen and a heat exchange with further nitrogen, and a relaxation of the cooled and compressed nitrogen to lower its temperature to a point where it can be used for the working stage of hypothermia can.

Zur Erläuterung der Erfindung wird nachstehend insbesondere auf Erdgas Bezug genommen, es ist jedoch ersichtlich, daß das Verfahren gemäß der Erfindung auch auf andere tiefsiedende verflüssigbare Gase, wie Luft, Stickstoff, Helium, Sauerstoff u.dgl., anwendbar ist. i.rirr/vTo explain the invention, reference is made in particular to natural gas below, but it can be seen that that the method according to the invention also applies to other low-boiling liquefiable gases such as air, nitrogen, Helium, oxygen and the like., Is applicable. i.rirr / v

Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt eine anfängliche Verflüssigung des Gases, bei der zur Erläuterung herangezogenen Ausführungsform also des Erdgase.s, , in schrittweisen Stufen durch Anwendung einer Mehrzahl von Kühlmitteln in einer solchen T/eise, daß jedes Kühlmittel zur Entfernung der maximalen Wärmemenge benutzt wird, gefolgt von einer Unterkühlung des verflüssigten Gases in einem geschlossenen Stickstoffsystem mit Verdichter undThe method according to the invention comprises one initial liquefaction of the gas, i.e. the natural gas in the embodiment used for explanation,, in incremental stages by applying a plurality of Coolants in such an amount that each coolant is used to remove the maximum amount of heat, followed by subcooling of the liquefied gas in a closed nitrogen system with compressor and

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Entspannungseinrichtung. Der Druck des verflüssigten Erdgases wird dann auf eine für Lagerungszwecke o.dgl. geeignete Höhe verringert, wobei ein bei der Druckverringerung erzeugtes Abgas benutzt wird, um das verdichtete Stickstoffgas vor der Entspannung zu kühlen.Relaxation facility. The pressure of the liquefied natural gas is then used for storage purposes or the like. suitable Height is reduced, with an exhaust gas generated in the pressure reduction is used to the compressed nitrogen gas of relaxation to cool.

Es sind bisher verschiedene Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas in einer kaskadenartigen Vorrichtung und weiteren Unterkühlung der Flüssigkeit zur Anwendung gekommen. Im allgemeinen benutzen derartige Verfahren einen Bestandteil des flüssigen Stroms, der durch Entspannung der Flüssigkeit auf einen Druck in Jiähe des Atmosphärendrucks erhalten wird, zum Unterkühlen der Flüssigkeit.There are so far various methods for liquefying natural gas in a cascade device and further subcooling of the liquid was used. In general, such methods use an ingredient of the liquid stream obtained by expanding the liquid to a pressure close to atmospheric pressure is used to subcool the liquid.

Es wurde festgestellt, daß wesentliche Einsparungen und eine Verbesserung der Wirtschaftlichkeit erzielt werden kann» wenn man im Gegensatz zu der vorstehend erläuterten Arbeitsweise die Unterkühluni; mit einem geschlossenen Verdichter-Entspanner-Stickstoffkreislauf durchführt; als Hau für cie Verbesserung der Wirtschaftlichkeit dient hierbei die Energie, die notwendig ist, um Wärme aus der Flüssigkeit abzuziehen.It has been found that substantial savings and an improvement in economy are achieved can »if, in contrast to the method of operation explained above, the subcooling; with a closed Performs compressor-expander nitrogen cycle; as Hau für cie improvement of the profitability serves here the energy necessary to remove heat from the liquid.

Hauptaufgabe der Erfindung ist demgemäß die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Entfernung von Wärme aus flüssigen kryogenen Gasen im allgemeinen und insbesondere aus Erdgas, und zv/ar mit einem geringeren Energieverbrauch, als das cislier Möglich war.Accordingly, the main object of the invention is to provide an improved method for removing heat from liquid cryogenic gases in general and in particular from natural gas, and zv / ar with a lower energy consumption, than the cislier was possible.

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Verschiedene andere Merkmale und technische Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung gehen aus der nachstehenden Beschreibung einer Ausführungsform hervor.Various other features and technical advantages of the method according to the invention will emerge from the following Description of an embodiment.

Die Erfindung wird im folgenden in Verbindung mit der anliegenden Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform weiter erläutert.The invention is hereinafter referred to in connection with the attached drawing further explained with reference to a preferred embodiment.

Fig. 1 ist eine Kondensationskurve für Erdgas bei 35*2 ata (500 psia) und zeigt die Wärmemenge, die im Temperaturbereich zwischen 10° und -1570C (50° bis -2500F) je 100 kg-mol (100 lbs.mols) entfernt werden muß.Fig. 1 is a condensation curve for natural gas at 35 * 2 ata (500 psia) and displays the amount of heat in the temperature range between 10 ° and -157 0 C (50 ° to -250 0 F) per 100 kg-mol (100 lbs .mols) must be removed.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes schematisches Fließbild, das eine Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf die Verflüssigung und Unterkühlung von Erdgas veranschaulicht .Fig. 2 shows a simplified schematic flow diagram, which illustrates an embodiment of the invention as applied to the liquefaction and subcooling of natural gas .

Fig. 3 ist ein Mollier-Diagramm des Stickstoffkreislauf es, wie er bei dem Verfahren gemäß der Erfindung zur Anwendung kommt.Figure 3 is a Mollier diagram of the nitrogen cycle it, as it is used in the method according to the invention.

In der nachstehenden Beschreibung wird als Beispiel auf ein Erdgas oder verflüssigtes Erdgas (in der Fachliteratur zuweilen auch als "LKG" bezeichnet) der nachstehend aufgeführten Zusammensetzung Bezug genommen, wobei ersichtlich ist, daß Wasser und saure Komponenten vor der Verflüssigung durch herkömmliche Maßnahmen aus dem Erdgas enaf erzrc v/erden;In the description below, a natural gas or liquefied natural gas (in the specialist literature sometimes also referred to as "LKG") of the composition listed below, it being evident is that water and acidic components are eroded from the natural gas before liquefaction by conventional measures;

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Methanmethane undand höherhigher 8787 ,0, 0 ÄthanEthane 1111 ,0, 0 Propanpropane 22 ,0, 0

In der Fig, 1 sind die Temperatur als Ordinate und die entfernte Wärmemenge (unterhalb 27°C; 800F) für 100 kg-mol (100 Ibs.mols) Gas als Abszisse aufgetragen. Die dargestellte Kurve gilt für Erdgas der vorstehend an- i gegebenen Zusammensetzung bei 35»2 ata (500 psia); dies ist ein geeigneter und zweckmäßiger Druck, da er etwa den normalerweise angetroffenen Bohrlochkopfdrücken entspricht.In FIG, 1, the temperature as the ordinate and the amount of heat removed (below 27 ° C; 80 0 F) per 100 kg-mol (100 Ibs.mols) gas as abscissa. The curve shown is valid for natural gas of the above-arrival i given composition at 35 "ata 2 (500 psia); this is an appropriate and convenient pressure as it is about the same as wellhead pressures normally encountered.

v/ie aus der Pig, 1 hervorgeht, beginnt die Kondensation des Gases am Punkt a, d.h. der ersten Unstetigkeit, bei einer Temperatur von -540C (-650F). Die Verflüssigung ist beendet am Punkt b, d.h. der zweiten Unstetigkeit, "bei einer Temperatur von - 880C (-127°F). Um die Verflüssigung herbeizuführen, d.h. den Punkt b zu erreichen, ist es notwendig, ^53 * 556 =* 254.5OO kcal/100 kg-mol Gas (458.000 BTU/100 " Ibs.nols) zu entfernen. Wie in der Pig. 1 angedeutet .ist, kann dies erfolgen, indem man zuerst einen Propylenkühlkreislauf und als zweites einen ithvlenkühlkreislauf anwendet.v / ie from the Pig, 1 emerges, the condensation of the gas begins at point a, ie the first discontinuity, at a temperature of -54 0 C (-65 0 F). The liquefaction is complete b at the point, that the second discontinuity, "at a temperature of -. 88 0 C (-127 ° F) To bring about the liquefaction, that is the point to reach b, it is necessary ^ 53 * 556 = * Remove 254,5OO kcal / 100 kg-mol of gas (458,000 BTU / 100 "Ibs.nols). As in the Pig. 1, this can be done by first using a propylene cooling circuit and secondly using an ithvlenkühlkreislauf.

Um das verflüssigte Erdgas der vorstehend angegebenen Zusammensetzung bei oder in Nähe von Atinosphärendrusk zu .lagern, rauß es von der Verflüssigungstemperatur, d.h. -880C (-1270H1), auf -1580C (-2520F) gekühlt werden; bei der letztgenannten Temperatur beträgt sein Dampfdruck 1,24 ataTo .lagern the liquefied natural gas of the composition given above at or near Atinosphärendrusk, it Rauss of the condensing temperature, ie, -88 0 C (-127 0 H 1) at -158 0 C (-252 0 F) to be cooled ; at the latter temperature its vapor pressure is 1.24 ata

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(17 »7 psia). Natürlich, ändert sich der Dampfdruck mit der Zusammensetzung und der Fachmann wird im Rahmen der Erfindung im Einzelfall eine Temperatur wählen, die für die gerade zur Anwendung kommenden Lagerungs- oder Transporteinrichtungen geeignet ist. Um die Temperatur auf. -1580C (-2520F) abzusenken, ist es notwendig, weitere 218 · 556 =» 121.000 kcal/100 kg-mol (218.000 BTU/100 lbs.mols) an verflüssigtem Erdgas abzuführen, d.h. in der Fig. 1 vom Punkt b zu dem Punkt c zu gehen. Wie nachstehend näher dargelegt wird, erfolgt dies mit dem geschlossenen Stickstoffkreislauf, der ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung darstellt.(17 »7 psia). Of course, the vapor pressure changes with the composition and the person skilled in the art will, within the scope of the invention, select a temperature in each individual case which is suitable for the storage or transport equipment currently being used. To get the temperature up. -158 0 C (-252 0 F), it is necessary to remove a further 218 · 556 = »121,000 kcal / 100 kg-mol (218,000 BTU / 100 lbs.mols) of liquefied natural gas, ie in FIG Point b to go to point c. As will be explained in more detail below, this is done with the closed nitrogen cycle, which is an essential feature of the present invention.

In der Fig. 2 ist ein vereinfachtes schematisches Fließbild einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in Anwendung auf die Verflüssigung und Unterkühlung von Erdgas dargestellt. Es ist ersichtlich, daß verschiedene zusätzliche Apparateteile, die in der .Fig. 2 nicht dargestellt sind, ) bei einer gegebenen technischen Anlage vorgesehen werden, beispielsweise Pumpen, Ventile, Hegeleinrichtungen, Stromkreise, Betriebsmittelkreise u.dgl. Ihre Anordnung und Verwendung kann jedoch von einem Fachmann ohne erfinderisches Zutun vorgenommen werden.In Fig. 2 is a simplified schematic flow diagram a preferred embodiment of the invention in Application to the liquefaction and subcooling of natural gas shown. It can be seen that various additional Apparatus parts that are shown in the .Fig. 2 are not shown,) are provided in a given technical system, For example pumps, valves, control devices, electrical circuits, operating medium circuits, etc. Their arrangement and However, use can be made by a person skilled in the art without being inventive Action to be made.

Gemäß Fig. 2 tritt Erdgas durch eine Leitung 10 ein und wird zunächst entschwefelt und entwässert, um alle sauren Komponenten lind den Wasserdampf daraus zu .mc-According to FIG. 2, natural gas enters through a line 10 and is first desulfurized and dewatered in order to remove all acidic components and the water vapor from it.

eine Einrichtung zur Herbeiführung dieser Mai;nahmena facility to bring about this May; took

«09844/1391 "DOR1G1NAL«09844/1391" DOR 1 G 1 NAL

ist allgemein mit 12 bezeichnet. Daß Gas wird zuerst mit Hilfe von Kältemittelkühlern (chillers) 14, 16 und 18 auf etwa -340O (-3O0F) abgekühlt; es ist ersichtlich, daß die Anzahl an Kühlern, die in dieser und anderen Stufen des Verfahrens gemäß der Erfindung zur Anwendung kommen, entsprechend geändert werden kann, um eine Anpassung an die Bedingungen der im Einzelfall vorliegenden besonderen Vorrichtung vorzunehmen. Pur diese Kühlung erster Stufe wird ein Propylenkuhlmittel, das durch Leitungen 42 und 44 strömt, verwendet; die Kühlmitteleinrichtung 40 vervollständigt den Propylenkreislauf. Anschließend an die Kühlung erster Stufe wird das Gas in Kältemittelkühlerr.. .?*.,, 22 und 24 weiter auf -3S°C (-1270I1) abgekühlt; diese Kühler werden durch Leitungen 48 und 50 mit einem Äthylenkühlmittel gespeist, wobei eine Kühlmitteleinrichtung 46 den Kühlnittelkreie vervollständigt. Die beiden ioihlmitteleinrichtungen 40 und 46 sind na ca Art einer jiaskade miteinander verbunden, wobei Propylen durch eine Leitung 52, einen Propylenkoiidencator 55 und eine Leitung 54 strout. Dies ist eine herkömmliche LietAoüe der ioipplun- retreruiter üühlmittelkreisläui'e. is indicated generally at 12. That gas is first cooled to about -34 0 O (-3O 0 F) with the aid of refrigerant chillers 14, 16 and 18; it can be seen that the number of coolers used in this and other stages of the method according to the invention can be changed accordingly in order to adapt to the conditions of the particular apparatus at hand. For this first stage cooling, a propylene coolant flowing through lines 42 and 44 is used; the coolant device 40 completes the propylene cycle. After the first stage cooling, the gas is further cooled in the refrigerant cooler ....? *. ,, 22 and 24 to -3S ° C (-127 0 I 1 ); these coolers are fed with an ethylene coolant through lines 48 and 50, with a coolant device 46 completing the coolant circuits. The two coolant devices 40 and 46 are connected to one another in the manner of a jiaskade, with propylene flowing through a line 52, a propylene coolant 55 and a line 54. This is a conventional line of the ioipplun retreruiter coolant circuit.

Lxmnensiertes ]?lü;33ibercUa3 verläßt den Kühler 24 durch eiH^ Leixunj 25 bei einer Jenperatur et\7as unterhalb oes Punktes vollständiger Verflüssigung und wird von dort ii: sinen Unterlcühler 26 geleitet, in dem es durch StickstoffLxmnensierter]? Lü; 33i b ercUa3 leaves the cooler 24 through eiH ^ Leixunj 25 at a temperature et \ 7as below the point of complete liquefaction and is passed from there through its lower cooler 26, in which it is passed through nitrogen

909844/1391 SAD oa,G1NAL 909844/1391 SAD oa , G1NAL

in der nachstehend beschriebenen Weise auf -1580C (-abgekühlt wird. Nach der Kühlung im Unterkühler 26 fließt das verflüssigte Erdgas über eine Leitung 27, bei einer Temperatur von -1580C (-2520F) und noch bei einem Druck von 35i2 ata (500 psia), in eine Entspannungstrommel (flashdrum)28, wo der Druck auf nahe Atmosphärendruck abgesenkt wird; das verflüssigte Erdgas wird dann durch eine Leitung 30, eineis -abgekühlt in the manner described below to -158 0 C (. After cooling in sub-cooler 26, the liquefied gas flows via a line 27, at a temperature from -158 0 C (-252 0 F) and still at a pressure of 35i2 ata (500 psia), into a flashdrum 28 where the pressure is reduced to near atmospheric pressure; the liquefied natural gas is then passed through line 30, a

™ Pumpe 32 und eine Leitung 34- in Lager- oder 'JDransporteinrichtungen (nicht dargestellt) abgeführt. Abgas aus der Entspannungstrommel 28 fließt durch eine Leitung 100 und wird in einer noch zu beschreibenden Weise behandelt.™ Pump 32 and a line 34- in storage or transport facilities (not shown) discharged. Exhaust gas from the expansion drum 28 flows through a line 100 and is in a treated in a manner yet to be described.

Zur Erläuterung des Stickstoffkreislaufes, der dem Unterkühler 26 Kühlmittel zuführt, ist es zweckmäßig, den Stickstoffstrom ausgehend von einer Leitung 94 unmittelbar vor der Verdichtung in einem Verdichter 74 zu verfolgen. Der aus der Leitung 94 zufließende Stickstoff wird in drei To explain the nitrogen cycle that supplies coolant to the subcooler 26, it is expedient to follow the nitrogen flow starting from a line 94 immediately before the compression in a compressor 74. The nitrogen flowing in from line 94 is in three

^ Stufen mit zwiechengeschalteter Wärmeabführung in Zwischenkühler η 80 und 82 und einen Nachkühler 84 verdichtet, wobei der Zwischenkühler 80 durch eine Leitung 86, der Zwischenkühler 82 durch eine Leitung 88 und der Nachkühler 84 durch eine Leitung 90 geapeiit werden« leiter ict eise geeignet· Amtrieeeeinriehtune 76 verge sehen, um «eweal «en Y er« letter als auch einen Intspann*r 64 tu treiben} prakti··» üfeermiaBt der Imtepamaor 64 einen wesentlichen Teil der Verdichtungarbeit.^ Stages with intermediate heat dissipation in intercooler η 80 and 82 and an aftercooler 84 compressed, with the intercooler 80 through a line 86, the intercooler 82 through a line 88 and the aftercooler 84 through A line 90 be prepared «head ict also suitable · Amtrieeeeinriehtune 76 forgot to send "eweal" en Y er "letter as well as an intspann * r 64 tu drive} practi ·· »üfeermiaBt the Imtepamaor 64 does a substantial part of the compression work.

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Der verdichtete Stickstoff fließt durch eine Leitung ab und wird in einem Wärmeaustauscher 72, einem Kältemittelkühler 70, einem Wärmeaustauscher 68 und einem Kältemittelkühler 66 weiter gekühlt. Die Kühler 70 und 66 werden als Kühlmittel mit Ithylen (Propylen) von -54-0C (-650F) über Leitungen 122 bzw. Ithylen von -95°C (-1400F) über Leitungen 120 gespeist. Der Stickstoff verläßt den Kühler 66 durch eine Leitung 61 bei einem Druck von etwa 43 ata (620 psia) und einer (Temperatur von -94° C (-1370F) und wird in den EntspannerThe compressed nitrogen flows off through a line and is further cooled in a heat exchanger 72, a refrigerant cooler 70, a heat exchanger 68 and a refrigerant cooler 66. The coolers 70 and 66 are fed as a coolant with ethylene (propylene) at -54- 0 C (-65 0 F) via lines 122 and ethylene at -95 ° C (-140 0 F) via lines 120. The nitrogen leaves the cooler 66 through a line 61 at a pressure of about 43 ata (620 psia) and a (temperature of -94 ° C (-137 0 F) and in the expander

geleitet, wo der Druck auf etwa 7 ata (100 psia) verringert wird; die sich ergebende !Temperatur beträgt -161°C(-258°F). Aus dem Entspanner 64- fließt der Stickstoff durch eine Leitung 60 in den Unterkühler 26, um das verflüssigte Erdgas auf -1580O (-2520F) zu unterkühlen. Danach fließt der Stickstoff aus dem TJnterkühler 26 durch eine Leitung 62 ab und er wird in den Wärmeaustauschern 68 und 72 durch in Gegenrichtung fließenden warmen Hochdruckstickstoff wieder angewärmt. "passed where the pressure is reduced to about 7 ata (100 psia); the resulting temperature is -161 ° C (-258 ° F). From the expander 64- the nitrogen flows through a line 60 into the subcooler 26 in order to subcool the liquefied natural gas to -158 0 O (-252 0 F). The nitrogen then flows out of the sub-cooler 26 through a line 62 and is warmed up again in the heat exchangers 68 and 72 by warm high-pressure nitrogen flowing in the opposite direction. "

Auf diesem Wege kommt der Stickstoff mit einer Temperatur von etwa 27°G (800F) und einem Druck von etwa 6,75 ata (96 psia) wieder zu der Leitung 94 zurück, womit der Stickstoff kreislauf geschlossen ist.In this way the nitrogen is at a temperature of about 27 ° G (80 0 F) and a pressure of about 6.75 ata (96 psia) back to the line 94, whereby the nitrogen cycle is closed.

Y/ie vorstehend erwähnt, war es bisher üblich, eine Komponente des Gases selbst zur Herbeiführung der Unterkühlung des verflüssigten Gases zu verwenden. Das Verfahren [-jemüß der Erfindung bedient sich eines geschlossenen Stick-As mentioned above, it has hitherto been customary to use a component of the gas itself to induce subcooling of the liquefied gas to be used. The method [-jemüß of the invention uses a closed stick-

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stoffkreislaufes für diesen Zweck. Jedoch kann auch der Gasanteil, der in der Trommel 28 durch Entspannung verdampft, in dem Verfahren ausgenutzt werden. Dieses Gas, das in erster Linie aus Methan besteht, verläßt die Entspannungstrommel 28 durch eine Leitung 100 und wird dann als Wärmeaustauschmedium in den Wärmeaustauschern 68 und 72 benutzt, um den im Gegenstrom dazu fließenden verdichteten Stickstoff zu kühlen; es wird dann durch eine Leitung 104- zu einem Hilfsverdichter 106 geleitet und durch Leitungen 108, 110 und 112 zu den anfangs erläuterten Kühlmitteleinrichtungen 40 und 46 geführt.material cycle for this purpose. However, the Gas portion that evaporates in the drum 28 by expansion, can be used in the process. This gas that is in consists primarily of methane, leaves the expansion drum 28 through a line 100 and is then used as a heat exchange medium used in the heat exchangers 68 and 72 to the countercurrent flowing compressed nitrogen to cool; it is then passed through line 104- to an auxiliary compressor 106 and through lines 108, 110 and 112 to the initially explained coolant devices 40 and 46.

Die Vorteile des geschlossenen Stickstoffkreislaufes gemäß der Erfindung mit Verdichter und Entspannungseinrichtung sind in der 3?ig. 3 erläutert; diese zeigt ein Mollier-Diagramm des Stickstoffkreislaufes. Das Diagramm in der unteren rechten Ecke der !ig. 3 stellt den idealisierten " Kreisprozeß aus einem adiabatischen Kompressor und Entspanner und einem Wärmeaustauscher dar.The advantages of the closed nitrogen cycle according to the invention with compressor and expansion device are shown in FIG. 3 explained; this shows a Mollier diagram of the nitrogen cycle. The diagram in the lower right corner of! ig. 3 represents the idealized "cycle of an adiabatic compressor and expander and a heat exchanger.

Der Punkt a in der Pig. 3 entspricht dem Stickstoff in der Leitung 94- gemäß Fig. 2. Der Stickstoff wird in drei Stufen von 6,75 auf 43,6 ata (96 auf 620 psia), entsprechend dem Punkt b, verdichtet, wobei die Zwischenkühler 80 und 82 und der Nachkühler 84· in der angegebenen Weis· Wärme entfernen. Der verdichtete Stickstoff wird von 320G (9O°3?) auf -94-0G (-1370F), entsprechend dem Punkt c, gekühlt, wennThe point a in the pig. 3 corresponds to the nitrogen in line 94- according to FIG. 2. The nitrogen is compressed in three stages from 6.75 to 43.6 ata (96 to 620 psia), corresponding to point b, with the intercoolers 80 and 82 and the aftercooler 84 · remove heat in the manner indicated. The compressed nitrogen is cooled from 32 0 G (90 ° 3?) To -94- 0 G (-137 0 F), corresponding to point c, when

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er über die Kühler 70 und 66 und die Wärmeaustauscher 72 und 68 fließt. Wenn der gekühlte und verdichtete Stickstoff durch den Entspanner 64 geht, wird er auf 7 ata (100 psia) entspannt, wobei sich eine Temperatur von -1610G (-2580P) ergibt; dies entspricht dem Punkt d. Zwischen den Punkten d und e gemäß Pig. 3 strömt der Stickstoff durch den Unterkühler 26; der Abschnitt von dem Punkt e zurück zu dem Punkt a entspricht dem Jfluß des Stickstoffs durch die Leitung 62, " die Wärmeaustauscher 68 und 72 und zurück in die Leitung ?A, d.h. zu dem vorstehend angegebenen Ausgangspunkt, von wo · eich der Kreisprozeß wiederholt.it flows through coolers 70 and 66 and heat exchangers 72 and 68. When the cooled and compressed nitrogen passes through the expander 64, it is to 7 ata (100 psia) is relaxed, with a temperature of -161 0 G (0 -258 P) results; this corresponds to point d. Between points d and e according to Pig. 3 the nitrogen flows through the subcooler 26; the section from point e back to point a corresponds to the flow of nitrogen through line 62, heat exchangers 68 and 72 and back into line A, ie to the starting point given above, from where the cycle is repeated.

Zur besseren Übersichtlichkeit sind die Bedingungen in jeder Stufe des Stickstoffkreislaufes, d.h. der Druck, dl· Temperatur und der Wärmeinhalt (Enthalpie i) an jeden der fruakte der fig. 3 in d.er nachstehenden Tabelle I aufgeführt.For the sake of clarity, the conditions in each stage of the nitrogen cycle, ie the pressure, dl · temperature and the heat content (enthalpy i) of each of the fruacts in fig. 3 listed in the table I below.

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Tabelle ITable I. Druckpressure (psia)(psia) Temperaturtemperature 0C 0 C (0F)( 0 F) WärmeinhaltHeat content (186,0)(186.0) Punkt desPoint of ataata (96)(96) 2727 (80)(80) kcal/kK-mol(BTU/lb.molkcal / kK-mol (BTU / lb.mol (185,96)(185.96) Kreis
prozessescircle
process 6,756.75 (615)(615) 3232 (90)(90) 103,2103.2 )149,52)) 149.52) aa 43,243.2 -44-44 (-47,3)(-47.3) 103,19103.19 (144,71)(144.71) bb (610)(610) -51-51 (-60)(-60) 83,183.1 (125,45)(125.45) b1 b 1 42,842.8 (605)(605) -87-87 (-125)(-125) 80,480.4 (125,45)(125.45) b"b " 42,542.5 (600)(600) -94-94 (-137)(-137) 69,769.7 (98)(98) b1■ ·b 1 ■ · 42,242.2 (100)(100) -161-161 (-258)(-258) 69,769.7 (130,3)(130.3) CC. 7,037.03 (98)(98) -95-95 (-140)(-140) 54,554.5 (149,56)(149.56) dd 6,896.89 ( 97)(97) -54-54 (-65)(-65) 72,472.4 ee 6,826.82 83,183.1 el e l

Es ist ersichtlich., daß die in der vorstehenden Beschreibung angegebenen Enddrücke des Stickstoffkreislaufes von etwa 6,75 bzw. 43 ata (96 - 615 p&ia) nur zur Veranschaulichung herangezogen wurden und nur einen bevorzugten Druckbereich darstellen, der einzig wegen der bequemen Zugänglichkeit von Wärmeaustauschern mit diesem Bereich gewählt wurde. Für eine wirksame Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist es nicht erforderlich, diese besonderen Drücke einzuhalten, und tatsächlich v/urae festgestellt, daß der Vfirkungsgrad des Kreisprozesses noch etwas verbessert wird, wenn höhere Drücke, beispielsweise etwa 10 bis 70 ata (150 - 1000 psia), zur Anwendung koi.iu.ien. Ss ist klar, daßIt can be seen that the final pressures of the nitrogen cycle given in the above description of about 6.75 or 43 ata (96-615 p & ia) for illustration purposes only were used and only represent a preferred pressure range, solely because of the convenient accessibility of heat exchangers with this range. For an effective implementation of the procedure according to according to the invention it is not necessary to adhere to these particular pressures, and indeed v / urae found that the degree of efficiency of the cycle process improved somewhat when higher pressures, for example about 10 to 70 ata (150-1000 psia), for application koi.iu.ien. It is clear that

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ein Fachmann die günstigste und wirksamste Einrichtung, die an irgendeinem gegebenen Ort zu irgendeiner gegebenen Zeit zur Verfügung steht, benutzen wird und das Verfahren gemäß der Erfindung entsprechend anwendet.a professional the cheapest and most effective facility that is available at any given place at any given time and will use the method according to according to the invention applies.

Auf der Grundlage der in der vorstehenden Beschreibung des Stickstoffkreislaufes gemäß der Erfindung- angegebenen Y/erte wurde ermittelt, daß mit einem Kompressor, der einen adiabatisehen wirkungsgrad von 0,92 hat, zusammen mit einem f lint spanner, der einen adiabatischen Wirkungsgrad von 0,83 Lininum hat, der Energie-bedarf zur Entfernung der vorgenannten wärmemenge bzw. zur Aufbringung der genannten Unterkühlungsleistung 213 X 556 = 121.000 kcal je Stunde Je 100 kg-mol (213.000 Bl1U per-hour per 100 Ibs.nols), aus einem'System bei 33°G (100°^), etwa 223 Brems-PS (225 3HP) beträgt, unter Einschlu.fi von Verlusten. Im Vergleich hierzu sind zur rlerbeixüiirung dieser Wärmeentfernung nach einem vollständig reversiolcn Process und ohne Värmeverluste 104,3 Brems-PS (103 BHP) erforderlich, so daß also der Wirkungsgrad des Kreisprozesses, bezogen auf den Wirkungsgrad eines Garnot-ilreisprozesses, UG % beträgt. Dies ist, wie für den Fachmann ersichtlich, eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bisher angewendeten ünterkühlungsverfaiaren.On the basis of the values given in the above description of the nitrogen cycle according to the invention, it was determined that with a compressor, which has an adiabatic efficiency of 0.92, together with a flint tensioner, which has an adiabatic efficiency of 0. 83 Lininum has the energy requirement to remove the aforementioned amount of heat or to generate the aforementioned supercooling capacity 213 X 556 = 121,000 kcal per hour per 100 kg-mol (213,000 Bl 1 U per hour per 100 Ibs.nols), from one 'System at 33 ° G (100 ° ^) is about 223 brake horsepower (225 3HP), including losses. In comparison, to achieve this heat removal after a completely reversible process and without heat losses, 104.3 braking horsepower (103 BHP) are required, so that the efficiency of the cycle, based on the efficiency of an emergency rice process, is UG% . As is evident to the person skilled in the art, this is a substantial improvement over the previously used super-cooling methods.

lic ist ersichtlich, daß die vorstehenden Einzelheiten und Zahlenwerte zur Veransciiaulichung einer besonderen Ausr'Lii-Ui.gsi"ori,i der Erfindung herangezogen wurden, daß die Er-lic can be seen that the above details and numerical values to illustrate a particular arrangement the invention were used that the

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findung aber nicht auf diese "besondere Ausführungsform beschränkt ist und hinsichtlich der Maßnahmen, Materialien und Anordnungen der Teile entsprechende Änderungen vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Weiterhin kann das Verfahren gemäß der Erfindung auf die Verflüssigung und Unterkühlung einer Vielzahl von anderen kryogenen Gasen als Erdgas angewendet v/erden, letzteres wurde nur zur Erläuterung einer Ausführungsform der Erfindung herangezogen. but not limited to this particular embodiment has been made and changes have been made to the measures, materials and arrangements of the parts can be without departing from the scope of the invention. Furthermore, the method according to the invention can be applied to liquefaction and subcooling of a variety of cryogenic gases other than natural gas, the latter has only been used used to explain an embodiment of the invention.

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Claims (7)

PatentansprücheClaims 1) \ Verfahren zur Verflüssigung und Unterkühlung eines bei erhönwr Temperatur und hohem Druck zugeführten kryogenen Gases, bei dem das Gas unter Aufrechterhaltung des Drucks durch Verringerung der Temperatur des Gases in einer Mehrzahl von * Kühlstufen verflüssigt wird und die Kühlstufen in einer Kaskadenanordnung miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß man1) \ Process for the liquefaction and subcooling of a cryogenic gas supplied at elevated temperature and high pressure, in which the gas is liquefied while maintaining the pressure by reducing the temperature of the gas in a plurality of * cooling stages and the cooling stages are connected to one another in a cascade arrangement , characterized in that one (a) das verflüssigte Gas in eine Unterkühlungszone führt, während es noch bei dem hohen Druck gehalten wird,(a) Passes the liquefied gas into a subcooling zone while it is still held at the high pressure, (b) Stickstoff bei einer Temperatur unterhalb der gewünschten Endtemperatur des verflüssigten Gases in indirekten Wärmeaustausch mit dem Verflüssigten Gas leitet und hierdurch das Gas auf die gewünschte Temperatur abkühlt,(b) nitrogen at a temperature below that desired Final temperature of the liquefied gas in indirect heat exchange with the liquefied gas and thereby the Cools the gas to the desired temperature, (c) abfließenden Stickstoff aus der Stufe (b) in indirekten i Wärmeaustausch mit hochverdichtetem Stickstoff leitet und hierdurch den abfließenden Stickstoff erwärmt und den verdichteten Stickstoff kühlt,(c) flowing nitrogen from step (b) passes in indirect heat exchange with i highly compressed nitrogen and thereby heats the effluent nitrogen and cooling the compressed nitrogen, (d) den abfließenden Stickstoff in einer Mehrzahl- von Stufen verdichtet und kühlt,(d) the outflowing nitrogen in a plurality of stages compacts and cools, (e) den verdichteten Stickstoff aus der Stufe (d) durch indirekten Y/ärneaustausch mit dem abfließenden Stickstoff in der Stufe (c) v/eiter kühlt,(e) the compressed nitrogen from step (d) by indirect Y / heat exchange with the outflowing nitrogen in of stage (c) v / more cools, Ö09844/1391Ö09844 / 1391 (f) den gekühlten verdichteten Stickstoff aus der Stufe (e) entspannt, hierdurch seine Temperatur unter die gewünschte Endtemperatur des verflüssigten Gases absenkt und den Druck des Stickstoffs verringert, und(f) the cooled compressed nitrogen from step (e) relaxed, thereby keeping its temperature below the desired one The final temperature of the liquefied gas is lowered and the pressure of the nitrogen is reduced, and (g) den kalten entspannten Stickstoff in die Stufe (b) leitet.(g) passes the cold expanded nitrogen into step (b). 2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, . daß man den Druck des verflüssigten Gases auf etwa Umgebungsdruck verringert, hierdurch eine gasförmige Fraktion dieses Gases erzeugt, die gasförmige Fraktion in indirekten Wärmeaustausch mit dem hochverdichteten Stickstoff in der Stufe (c) bringt und dadurch den verdichteten Stickstoff weiter kühlt.2) Method according to claim 1, characterized in that. that the pressure of the liquefied gas to about ambient pressure reduced, thereby generating a gaseous fraction of this gas, the gaseous fraction in indirect heat exchange brings with the highly compressed nitrogen in stage (c) and thereby further cools the compressed nitrogen. 3) Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die gasförmige Fraktion nach dem Wärmeaustausch als Wärmeaustauschmittel in den Kühlstufen verwendet.3) Method according to claim 2, characterized in that the gaseous fraction after the heat exchange as Heat exchange medium used in the cooling stages. 4-) Verfahren nach Anspruch 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet, daß man das verflüssigte Gas vor dessen Druckver- | ringerung aus der Unterkühlungszone entfernt«4-) Method according to claim 2 or 3> characterized in that the liquefied gas before its Druckver- | reduction from the hypothermic zone " 5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4-, dadurch gekennzeichnet, daß man den indirekten Wärmeaustausch in den Stufen (c) und (e) in einer Mehrzahl von Gegenstiomwärmeaus- tauschern durchführt und zusätzlich den verdichteten Stickstoff nach jedem der Gegenstromwärmeaustauscher in einer Kältezone kühlt.5) Method according to one of claims 1-4, characterized in that the indirect heat exchange in stages (c) and (e) is carried out in a plurality of counterflow heat exchangers and additionally the compressed nitrogen after each of the countercurrent heat exchangers in a cold zone cools. 6) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, daß man die bei der Entspannung des Stickstoffs 6) Method according to any one of claims 1-5 », characterized in that when the nitrogen is released 909SU/1391909SU / 1391 in der Stufe (f) gewonnene Energie zum Verdichten des Stickstoffs in der Stufe (d) verwendet.Energy obtained in step (f) is used to compress the nitrogen in step (d). 7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß man7) Method according to one of claims 1-6, characterized in that one (1) als kryogenes Gas Erdgas einsetzt,(1) uses natural gas as the cryogenic gas, (2) in der Kühlung Äthylen zur Abkühlung des Gases auf etwa(2) in the cooling, ethylene to cool the gas to about -340C (-3O0F) verwendet, λ -34 0 C (-3O 0 F) used, λ (3) das Gas mit einem Propylenkältemittel verflüssigt,(3) liquefies the gas with a propylene refrigerant, (4) bei der Unterkühlung das verflüssigte Gas durch Wärmeaustausch mit Stickstoff von etwa -1610C (-2580F) auf eine Temperatur von etwa -151° bis -1610C (-240° bis -2580F) abkühlt,The liquefied gas to -161 0 C (-240 to -258 ° F 0) cooling (4) at the sub-cooling by heat exchange with nitrogen of about -161 0 C (-258 0 F) to a temperature of about -151 °, (5) den Stickstoff in der Stufe (e) durch Wärmeaustausch mit abfließendem Stickstoff aus der Stufe (b) und durch Wärmeaustausch mit einem Äthylenkältemittel weiter auf etwa -940C (-1370F) abkühlt und(5) the nitrogen in the step (e) by heat exchange with nitrogen runoff from step (b) and by heat exchange with a Äthylenkältemittel further to about -94 0 C (-137 0 F) cools and (6) durch die Entspannung in der Stufe (f) die Temperatur des " Stickstoffs auf etwa -161°C (-2580F) absenkt.(6) by the relaxation in step (f) lowering the temperature of the "nitrogen at about -161 ° C (-258 0 F). 0 9844/13910 9844/1391 LeerseiteBlank page
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