DE1751714A1

DE1751714A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Kaelte

Info

Publication number: DE1751714A1
Application number: DE19681751714
Authority: DE
Inventors: Volker Dipl-Ing Etzbach; Wolfgang Dipl-Phys Foerg; Gerhard Dipl-Phys Linde
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1968-07-16
Filing date: 1968-07-16
Publication date: 1971-12-23
Also published as: FR2013065A1; GB1238087A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von Kälte durch fraktionierte Kondensation eines Komponenten mit verschiedenen Siedepunkten enthaltenden Gasgemisches bei erhöhtem Druck, Entspannen mindestens einer der flüssigen Fraktionen in den beim Entspannen und Verdampfen von mindestens einer tiefsiedenden Fraktion entstandenen Dampf, anschließendes Verdampfen und Erwärmen durch Wärmeaustausch mit abzukühlenden Medien und Wiederkomprimieren des so erhaltenen Gasgemisches.

Derartige Verfahren werden in erster Linie bei der Verflüssigung von Erdgas eingesetzt. Die Kälte wird dabei durch Kreislaufführung eines Gasgemisches, das aus den im Erdgas enthaltenen

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Komponenten besteht, erzeugt. Dabei kann sovjohl ein offener als auch ein geschlossener Kreislauf angewandt werden, d.h. das zu verflüssigende Erdgas und das Kreislaufgas können gemeinsam oder getrennt verflüssigt werden. Soll dagegen ein Gas verflüssigt werden, das eine andere stoffliche Zusammensetzung aufweist als das als Kältemedium dienende Gasgemisch, so ist letzteres in geschlossenem Kreislauf zu führen. Ein Beispiel hierfür ist die Verflüssigung von Luft mit Hilfe eines Kohlenwasser stoff gemisches als Kälternediuin.

Diese Gemischgaskreisläufe haben in neuerer Zeit deswegen ein sehr breites Anwendungsgebiet gefunden, weil im Vergleich zu der klassischen Art der Kälteerzeugung durch Hintereinanderschalten mehrerer getrennter Kältekreisläufe mit verschiedenen Kältemitteln nur mehr ein einziger Kältekreislauf und dementsprechend nur ein einziger Verdichter, meistens ein Turboverdichter, nötig ist.

Diesen Vorteilen stehen zwei Nachteile gegenüber: Erstens ist der Energiebedarf höher als bei den erwähnten zum Stand der Technik gehörenden Kälteerzeugungsverfahren und zweitens hat sich bei den der Erfindung zugrundeliegenden Untersuchungen herausgestellt, daß es mit bekannten Mitteln nicht möglich ist, die entspannte Flüssigkeit so gleichmäßig, wie dies bei Ge-

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mischgaskreisläufen nötig ist, auf den Eintrittsquerschnitt des zu kühlenden Wärmeaustauschers zu verteilen.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, diese Nachteile z"u überwinden, d.h. zum einen den Energiebedarf bei der Kälteerzeugung durch Gemischgaskreisläufe zu verringern und zum anderen für eine bessere Verteilung der entspannten Flüssigkeit in dem zu kühlenden Wärmeaustauscher zu sorgen.

Diese Aufgabe wird erfahrungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens eine der flüssigen Fraktionen in einem Ejektor, in dem gleichzeitig der beim Entspannen und Verdampfen der mindestens einen tiefersiedenden Fraktion entstandene Dampf verdichtet und mit der entspannten Flüssigkeit innig vermischt wird, auf Verdampferdruck entspannt wird und daß die den Ejektor verlassende innige Mischung aus Flüssigkeit und Dampf dem-Wärmeaustausch mit den abzukühlenden Medien zugeführt wird.

Ein Ejektor besteht, wie dies in Fig. 1 dargestellt ist, in an sich bekannter Weise aus einer Düse a, durch die das unter Druck stehende Medium, der sogenannte Treibstrahl, austritt und einem diesen Strahl umhüllenden gleichachsig angeordneten Rohr b, dessen mittlerer Abschnitt als Mischraum c und dessen ■sich konisch erweiternder Endabschnitt d als Diffusor bezeichnet

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wird. Der beim Austritt aus der Düse sich entspannende Treibstrahl saugt durch den Ringspalt zwischen Düse und Rohr Gas aus der Umgebung an und vermischt sich damit. Das angesaugte Gas wird dabei nach dem. Prinzip der Impulsübertragung verdichtet.

In der Kältetechnik wurden Ejektoren bisher dazu benutzt, um den Druck, unter dem eine drosselentspannte Flüssigkeit siedet, noch weiter zu senken, so daß noch tiefere Temperaturen erreicht werden können, wie dies z.B. bei Heliumkälteanlagen entscheidend ist, durch die ein Kältebad von unter Vakuum siedendem Helium bereitgestellt werden soll. Als Treibstrahl dient dabei in überkritischem Zustand befindliches Helium, welches zunächst durch einen Ejektor auf einen unterkritischen Zwischendruck entspannt und dann in einem Abscheider in die flüssige und die gasförmige Phase zerlegt wird. Die Flüssigkeit wird nun in einem Drosselventil weiter auf den Verdampferdruck entspannt. Der den Verdampfer verlassende Dampf wird im Ejektor auf den Zwischendruck verdichtet; das aus dem Abscheider entweichende Gas wird dem Kältekreislaufkompressor zugeführt. Auf diese Weise können die Verluste, die bei der üblichen irreversiblen Drosselentspannung vom Kondensator auf den Verdampferdruck auftreten, vermindert werden. Hiervon unterscheidet sich die Erfindung dadurch, daß mehrere im Verlauf der fraktionierten Kondensation eines Gasgemisches ausgeschiedene Fraktionen in Ejektoren vom

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Kondensator unmittelbar auf den Verdampferdrück entspannt werden, daß das den Ejektor verlassende Gemisch aus Dampf und Flüssigkeit ohne Zwischenschaltung eines Abscheiders direkt dem Wärmeaustausch zugeführt wird und daß der zu verdichtende Dampf nicht aus der dem betrachteten Ejektor zugeführten Flüssigkeit, sondern aus der Verdampfung einer ■feiefersiedenden Flüssigkeit stammt.

Gerade im Falle eines Gemischgaskreislaufs ist also die Anwendung von Ejektoren als Entspannungsorgane besonders vorteilhaft, weil hier aufgrund der Tatsache, daß zu verdichtender Dampf aus einer bei tieferer Temperatur stattfindenden Verdampfung zur Verfügung steht, die irreversible Entspannung im Drosselventil nicht nur teilweise, sondern vollständig durch die der Reversibilität näherkommende Entspannung im Ejektor ersetzt werden kann. Dabei wird gleichzeitig zweierlei erreicht: Einmal wird in der Entspannungsvorrichtung selbst eine so innige Vermischung von Flüssigkeit und Dampf erreicht, daß sich die Flüssigkeitstropfen gleichmäßig auf den Wärmeaustauscherquerschnitt verteilen und vom Gasstrom auch in die Zonen höherer Temperatur mitgerissen werden, so daß eine vollständige Verdampfung selbst schwerersiedender Flüssigkeitsanteile gewährleistet-ist. Dies ist gerade bei Gemischgaskreisläufen besonders wichtig, weil hier jeder Wärmeaustauscher relativ große Temperaturdifferenzen überbrücken muß, während'

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die in einer bestimmten Querschnittsebene zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Temperaturdifferenz klein ist und weil die zu verdampfende Flüssigkeit Komponenten unterschiedlicher Siedepunkte enthält und die schwerer verdampfbaren Anteile bei ungleichmäßiger Verteilung an den vom Gasstrom weniger stark bespülten Stellen des Wärmeaustauschers liegen bleiben.

Zweitens wird mittels der zum Entspannen verwendeten Vorrichtung gleichzeitig der Energiebedarf für den Kreislaufverdichter durch Erhöhen des Ansaugedruckes verringert. Während nämlich bei d en üblichen Gemischgaskreisläufen mit Drosselentspannung der Verdampferdruck von dem bei der tiefsten Temperatur arbeitenden Wärmeaustauscher bis hin zu dem bei der höchsten Temperatur arbeitenden Wärmeaustauscher wegen des Strömungswiderstandes allmählich absinkt, kann der Verdampferdruck erfindungsgemäß in der erwähnten Richtung erhöht oder auf gleicher Höhe gehalten werden; in ungünstigen Fällen wird zumindest der auf den Strömungswiderstand zurückzuführende Druckverlust vermindert.

Ein zusätzlicher apparativer Aufwand ist mit der Erfindung nicht verbunden, da Drosselventile und Ejektoren sich hinsichtlich der Herstellungskosten kaum unterscheiden.

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Zv;eck:nä3i£;erweise wird der Verdaivipferdruck so ;jewäLlt, daß die beim EntspKiinen ir.i Ejektor zur Arbeitsleistung verfügcare Energie ausreicht, Uin aie beim Entspannen und Verdampfen der .mindestens einen tiefersiedenden Fraktion entstandene Dampfaience auf den Verdampferaruck zu verdichten.

Eine ^weckmäßi;\e Ausführungsform der Erfindung besteht darin, da;3 die pro Zeiteinheit in einem Ejektor zu entspannende Flüssigkeitsmenge und die in diesem zu verdichtende Dampfmenge, ir; lr.i\^J gemessen, gröi3enordnungsmäßig gleich gev:ählt werden. Bei der Verflüssigung von Erdgas ist es in vjeiterer Ausgestaltung der Erfindung günstig, die im- Kältekreislauf geführten Gasmengen etwa drei- bis fünfmal so groß zu wählen, wie die durch die erzeugte Kalte zu verflüssigende Gasmenge.

Um ein Entmischen des den Ejektor verlassenden Gemenges aus Flüssigkeit und Dampf zu verhindern, muß dafür gesorgt werden, daß sich zwischen Ejektor und Wärmeaustauscher keine als abscheider wirkenden Teile befinden. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die im Ejektor gebildete Mischung aus Flüssigkeit und Dampf über den als Diffusor des Ejektors ausgebildeten Eintrittsstutzen des Wärmeaustauschers in diesen eingeführt wird.

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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch die erzeugte Kälte verflüssigtes, unter Druck stehendes Gas in einem Ejektor in einen Abscheider hinein entspannt und dann gespeichert, der durch Wärmeeinwirkung auf die gespeicherte Flüssigkeit entstandene. Dampf wird in diesem Ejektor verdichtet und das den Abscheider verlassende Gas wird in einem separaten Strömungsweg im Wärmeaustausch mit den abzukühlenden Medien erwärmt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich noch dadurch vorteilhafter gestalten, daß die flüssigen Fraktionen vor dem Entspannen durch Wärmeaustausch mit der bereits entspannten Flüssigkeit unterkühlt werden.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist dadurch charakterisiert, daß ein Ejektor derart mit dem kalten Ende eines Wärmeaustauschers verbunden ist, daß der Eintrittsstutzen des Wärmeaustauschers gleichzeitig den Diffusor des Ejektors darstellt.

Außer Erdgaskomponenten sind auch andere Kälteniittelgemische, z.B. Gemische aus Olefinen oder aus Olefinen und Paraffinen als Kältemedien geeignet. Als weiteres Beispiel für ein in einem Gemischgaskreislauf verwendbares Kältemedium sei noch

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ein Gemisch aus halogenierten Paraffinen, wie sie unter dem Handelsnanien "Freon" bekannt geworden sind, tait Äthylen und Methan aufgeführt.

Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung werden nun anhand der schematischen Darstellungen Fig. 2-4 beispielsweise erläutert. In Fig. 2 ist die Scheraaskizze eines mit geschlossenem Kältekreislauf arbeitenden Verfahrens wiedergegeben; dieses Verfahren wird vorzugsweise dann angewandt, wenn der Erdgasdruck zwischen etwa 20 und 60 at liegt. In Fig. j5 ist die Schemaskizze eines Verfahrens dargestellt, das mit offenem Kältekreislauf arbeitet und daher auch für die Verflüssigung von Erdgas mit geringerem Druck geeignet ist. Fig. 4 zeigt die Verbindung zwischen Ejektor· und ■;ärr;.eaus tauscher.

Gemä3 dem Schema nach Fig. 2 wird das unter Druck stehende Erdgas durch Leitung 1 zugeführt, in den Wärmeaustauschern 2, 3* '^ und 5 augekühlt und verflüssigt und im Ejektor 6 auf ca. 1,2 ata entspannt. Im Abscheider 7 werden Flüssigkeit und Gas voneinander getrennt. Die Flüssigkeit gelangt über das Regelventil <., in den Lagertank 9. Der durch V-'ärmeeiriwirkung auf die gelagerte Flüssigkeit entstandene Dampf steht unter eine::. Druck von etwa 1,02 ata und kann daher nur dann unter

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Ausnutzung seines Kälteinhalts durch die Anlage zurückgeführt werden, wenn er z.B. durch ein Kaltgasgebläse so weit verdichtet wird, daß der Druckabfall der Wärmeaustauscher und der übrigen Anlägeteile überwunden wird. Urn diesem Kaltgasgebläse zu entlasten oder einzusparen, wira der Dampf aus dem Tank 9 über Leitung 10 vom Ejektor 6 angesaugt, auf 1,2 ata verdichtet, durch Leitung 11 zurückgeführt und als Brenngas abgegeben.

Das Kreislaufgas besteht aus Stickstoff, Methan, Ätnan, Propan und Butan. Es wird im Kompressor 12 auf 30 - 35 at verdichtet und im Wasserkühler 13 gekühlt. Die aabei hauptsächlich kondensierenden Ci. - sowie ein Teil der C,- und CV -

k 3 c;

Kohlenwasserstoffe werden im Abscheider 14 abgetrennt, im Wärmeaustauscher 2 unterkühlt und im Ejektor 15 auf 1,6 ata entspannt, im Wärmeaustauscher 2 verdampft und vom Kreislaufkompressor 12 mit einem Druck von 1,5 ata wieder angesaugt. Der den Abscheider 14 verlassende Dampf wird im "armeaustauscher 2 so weit gekühlt, daß vorwiegend Cp- und C^- Kohlenwasserstoffe kondensieren. Sie werden im Abscheider 1ö von der Dampfphase getrennt, im Wärmeaus tauscher 3 unterkühlt, ii.i Ejektor 1? auf 1,6 ata entspannt und wieder dein Wärmeaustauscher ';) zugeführt, um im Gegenstrom zu den abzukühlenden Gas- und Plüssigkeitsströmen verdampft zu werden. Der Dampf verlädt den

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den Wärmeaustauscher 3 durch Leitung 1ö mit einein Druck von 1,55 ata, v.'ird. dem Ejektor 15 zugeführt und in diesem auf 1jU ata verdichtet, so daß der Druckabfall im Wärmeaustauscher 3 ausgeglichen ist. Das aus dem Abscheider 1ü abziehende Gas v.'ird unter Abkühlung im Wärmeaustauscher vielter partiell kondensiert. Die vorwiegena verflüssigten Komponenten Äthan und Methan werden im Abscheider 19 gesammelt, ii/, ^T-'ärmeaustauscher 4 unterkühlt, im Ejektor 20 auf 1,4 ata entspannt und unter diesem Druck im Wärmeaustauscher 4 veruanipft. üie verlassen den Wärmeaustauscher 4 unter einem Druck von 1,35 ata, gelangen über Leitung 21 in den Ejektor und werden in diesem auf 1,o ata verdichtet. Das aus dem Abscheider 19 kommende, nun hauptsächlich aus Methan und ,Stickstoff bestehende Gas wird schließlich in den Wärmeaustauschern 4 und 5 v/eiter gekühlt und verflüssigt, im Drosselventil 22 auf 1,2 ata entspannt und durch den Wärmeaustauscher 5 zurückgeführt. Der Druckabfall im Wärmeaustauscher 5 beträgt '.riederum etwa 0,5 ata, so daß der Dampf über Leitung 23 mit einem Druck von 1,15 ata in den Ejektor 20 gelangt und von diesem auf 1,-i ata verdichtet wird. Die Kreislaufgasmenge ist in diesem Fall dreimal so groß v.ie die Menge des zu verflüssigenden Erdgases.

Bei dem Verfahren gemäß Fig. 3 werden das durch Leitung ankommende, unter einem Druck von 35 at stehende Erdgas und

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das im Kompressor 31 auf 3 at verdichtete und im Wasserkühler 32 gekühlte Kreislaufgas gemeinsam durch Leitung 33 dem Wärmeaustauscher 3^ zugeführt. Dort verflüssigen sich vorwiegend die schweren Kohlenwasserstoffe, werden im Abscheider 35 gesammelt, im Wärmeaustauscher 36 unterkühlt und im Ejektor 37 auf 1,6 ata entspannt. Der dabei entstehende Dampf gelangt über Leitung 38 unter einem Druck von 1,55 ata in den Wärmeaustauscher 3^ und wird vom Kreislaufkompressor 31 unter einem Druck von 1,5 ata angesaugt. Der den Abscheider 35 verlassende Dampf wird im Wärmeaustauscher 36 unter Kondensation von vorwiegend Äthan und Propan weiter abgekühlt. Die flüssige Phase wird im Abscheider 39 abgetrennt, im Wärmeaustauscher 4o unterkühlt und im Ejektor 41 auf 1,6 ata entspannt. Der den Wärmeaustauscher 40 durch Leitung 42 verlassende Dampf steht unter einem Druck von 1,55 ata und wird im Ejektor 37 auf 1,6 ata verdichtet. Der aus dem Abscheider 39 abziehende Dampf wird im Wärmeaustauscher 4o weiter abgekühlt. Dabei werden vorwiegend Äthan und Methan verflüssigt, im Abscheider 43 gesammelt, im Wärmeaustauscher ^4 unterkühlt und Im Drosselventil 45 auf 1,4 ata entspannt. Die Flüssigkeit verdampft im Wärmeaustauscher 44 unter Abgebe ihrer Verdunstungskälte und der entstandene Dampf gelangt über Leitung 46 mit einem Druck von 1,35 ata in den Ejektor 41, wo er auf 1,6 ata verdichtet wird.

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Das den Abscheider 4^ verlassende Gas besteht zum größten Teil aus Methan. Es wird im Wärmeaustauscher 44 verflüssigt und unterkühlt, im Ejektor 4γ auf 1,2 ata entspannt, im Abscheider 4ü von den gasförmig gebliebenen Anteilen getrennt. Die Flüssigkeit wird über ein Regelventil 49 dem Flüssiggas tank 50 zugeführt, in den sie je nach Füllzustand des Tanks mit einem Druck bis zu 2,5 ata am Fußende eingegeben wird. Das Gaspolster unter dem Tankdach steht unter einem Druck von ca. 1,03 ata. Der aus dem Tank entweichende Dampf wird im Ejektor 47 auf 1,2 ata verdichtet und über Leitung 52 aus der Anlage abgezogen.

Das Verfahren gemäß Fig. J5 ist, wie bereits erwähnt, auch zur Verflüssigung von unter relativ geringem Druck stehendem Erdgas geeignet. Ist der Erdgasdruck niedriger als der Kreislaufkompressorenddruck, so wird das Erdgas in eine Zwischenstufe des Kreislaufkompressors eingespeist und zusammen mit dem Kreislaufgas auf den gewünschten Enddruck verdichtet.

Fig. 4 zeigt die Verbindung des Ejektors Emit dem Wärmeaustauscher V/. Die Bezugszeichen haben die gleiche Bedeutung wie in Fig. 1: In der Düse a wird der Treibstrahl, in diesem Fall die unter Druck -stehende, durch fraktionierte Kondensation gebildete Flüssigkeit, entspannt und im Mischraum c

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vermischt sie sich mit dem durch die Mündung des Rohres b angesaugten, vom warmen Ende des bei der nächsttieferen Temperatur arbeitenden Wärmeaustauschers kommenden Dampf. Dieser wird dabei nach dem Prinzip der Impulsübertragung verdichtet. Das entstandene innige Gemisch aus Flüssigkeit und Dampf tritt durch den Diffusor d in das kalte Ende des Wärmeaustauschers W ein. Der Diffusor d stellt gleichzeitig den Eintritts^tutzen des V/ärmeaustauschers Vi dar; er ist mit dem Mischraum c über Plansche F verbunden.

8 Patentansprüche
4 Blatt Zeichnungen

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Claims

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(H 451) H G8/0 52

Str/Kp 15. Juli 1968

Patentansprüche

. Verfahren zum Erzeugen von Kälte durch fraktionierte Kondensation eines Komponenten mit verschiedenen Siedepunkten enthaltenden Gasgemisches bei erhöhtem Druck, Entspannen mindestens einer der flüssigen Fraktionen in den beim Entspannen und Verdampfen von mindestens einer tiefersiedenden Fraktion entstandenen Dampf, Verdampfen und Erwärmen durch Wärmeaustausch mit abzukühlenden Medien und V/iederkomprimieren des so gewonnenen Gasgemisches,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der flüssigen Fraktionen in einem Ejektor, in dem gleichzeitig der beim Entspannen und Verdampfen der mindestens einen tiefersiedenden Fraktion entstandene Dampf verdichtet und mit der entspannten Flüssigkeit innig vermischt wird, auf Verdampferdruck entspannt wird und daß die den Ejektor verlassende innige Mischung aus Flüssigkeit und Dampf dem Vlärmeaustausch mit den abzukühlenden Medien zugeführt wird.

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2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampferdruck so gewählt wird, daß die beim Entspannen im Ejektor verfügbare Energie ausreicht, um die beim Entspannen und Verdampfen der mindestens einen tiefersiedenden Fraktion entstandene Dampfmenge auf den Verdampferdruck zu verdichten.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die pro Zeiteinheit in einem Ejektor zu entspannende Flüssigkeitsmenge und die in diesem zu verdichtende Dampfmenge, in Nm gernessen, größenordnungsmäßig gleich gewählt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Verflüssigung von Erdgas die im Kältekreislauf geführte Gasmenge etwa drei- bis fünfmal so groß gewählt wird wie die durch die erzeugte Kälte zu verflüssigende Erdgasmenge.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die im Ejektor gebildete Mischung aus Flüssigkeit und Dampf über den als Diffusor des Ejektors ausgebildeten Eintrittsstutzen eines Wärmeaustauschers in diesen eingeführt wird.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5* dadurch gekennzeichnet, daß durch die erzeugte Kälte verflüssigtes, unter Druck stehendes Gas in einem Ejektor in einen Abscheider hinein entspannt uuu uann gespeichert wird, daß der durch Wärmeeinwirkung auf die gespeicherte Flüssigkeit entstandene Dampf in diesem Ejektor verdichtet und daß das den Abscheider verlassende Gas in einein separaten Strömungsweg im Wärmeaustausch mit abzukühlenden Medien erwärmt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die flüssigen Fraktionen vor dem Entspannen durch Wärmeaustausch mit der bereits entspannten Flüssigkeit unterkühlt werden.

o. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis "J, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ejektor(E)derart mit dem am kalten Ende eines Wärmeaustauschers (W) verbunden ist, daß der Eintrittsstutzen des Wärmeaustauschers gleichzeitig den Diffusor (d) aes Ejektors darstellt (Fig. 4) .·

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