DE1815010A1 - Verfahren zum Verfluessigen von Erdgas - Google Patents

Verfahren zum Verfluessigen von Erdgas

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Description

HESSEE GRIESHEIM GMBH MG 463
Kennwort: Sonatrach II
ErfInder; M. Streich
Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas durch Wärmeentzug mittels geschlossener Kühlmittelkreislauf e bis zur vollständigen Verflüssigung, wobei die Kühlmittelkreislauf e durch eine Kaskadenschaltung miteinander verbunden sind» Das Erdgas wird dabei stufenweise in Gegenstromwärmeaus- ^ t&iisehern mit den Kühlmittelkreislauf en in Kontakt gebracht.
ist bekannt, zwecks Einsparung von Kreisläufen und Druckstufea als Kühlmittel in den Kreisläufen Mehrkomponentengemische au verwenden, di© aus Bestandteilen des zu verflüssigenden Erdgases g^sasmengesetzt sind* Um sich dabei der Verflüssigungskurve dea Erdgases anzupassen, wird gemäß des? holländischen Patentschrift 108 6?8 die Zusammensetzung der Mehrkomponentengemisehe so gewählt, daß in ^eder Värmeaustauschstufe die !Demperaturdifferena ^T -zwischen dea abzukühlenden Erdgas und dea verdampfenden Mehrkomponentengemisch über die ganze Länge des Wärmeaustauschers in efcua konstant ist.»
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit dieses Verfahrens durch eine verbesserte temperaturführung in dea Wärmeaustauschern zu erhöhen.»
Es wurde nun ein Verfahren gum Vorflüssigen von Erdgas gefunden, bei dem das Erdgas in Gegen?? iTomwärmeaustauschern mit mindestens zwei in Kaskade-geschalteten, geschlossenen Mohrkomponentengemischkreisläufen,_ welche jc/vvoils nur ein Druckstufe durchlaufen, verflüssigt und abgekühlt wird. Bach der Erfindung ist dabei aae Kreislaufgemisch ßo zusammengesetzt, daß die Temperaturunterschiede ΔT zwischen dem abzukühlondc3n Erdgas und dem Kreislaufgemisch eatlang dea einzelnen W*}i3?mea\iütauschers in Sichtung* zur tieforon Temperatur im Mit bei kleiner i-jeru.@na
Der Vorteil dea erfindungsgemäßen Verfahrens besteht vor allem darin, daß bei gleichem Aufwand an Wärmeaustauschern der Energiebedarf wegen der kleineren Exergieverluste verringert wirdt
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich bei einer solchen Zusammenset zrung des Kreislauf gemisches, daß die QuotientenAt , gebildet aus dem Temperaturunterschied Δ Τ zwischen dem abzukühlenden Erdgas und dem jeweiligen Kreislauf gemisch und der absoluten Temperatur des Erdgases an allen Stellen eines Wärmeaustauschers im Mittel konstant ist.
Eine weitere Erhöhung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ergibt sich dadurch, daß die Entspannung der Kreisläufe auf größere Drücke als 2 Atmosphären, vorzugsweise auf 3 bis 5 Atmosphären, erfolgt. Bei gleichen Wärmeaustauscherquerschnitten, also in etwa gleichen Wärmeaustauscherf lachen, ergeben sich dann geringere Druckverluste. Es ist zweckmäßig, jedoch nicht notwendig, die Mehr komponent engend sehe der Kreisläufe aus Bestandteilen des zu verflüssigenden Erdgases zusammenzusetzen*
Eine besonders vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn das Erdgas nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf etwa - 14-0° C abgekühlt wird und danach seine Temperatur bis auf seine Speichertemperatur, etwa - 160° C, erniedrigt wird. Dies erfolgt zweckmäßigerweise durch einen zusätzlichen offenen oder geschlossenen Kreislauf. Besteht dieser Kreislauf aus einem Gemisch von Stickstoff, Methan und evtl. Äthan, so wird er vorteilhafterweise wie die vorangegangenen Kreisläufe auf Drücke zwi schen 3 1^Id 5 Atmosphären entspannt. Dieser Kreislauf kann aber auch, aus lediglich einer Komponente, Stickstoff oder Methan, bestehen» Weiter kann zur Tiefkühlung ss. B» auch bereits verflüssigtes, auf etwa atmosphärischen Druck entspanntes Erdgas verwendet werden.
„ 5 -
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Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert. Bs geigen:
· 1 den Verlauf der Temperaturdifferenz Δ Τ in. einem Wärmeaustauscher gemäß der Erfindung.
. 2 das Sehaltschema eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Figur 1 ist in einem Diagramm der beispielsweise Verlauf der Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem au verflüssigenden Erdgas und dem Kreislaufgemisch über die Ljänge 1 des Wärmeaustauschers aufgetragen und zwar vom warmen zum kalten Ende. Kurve a gibt den tatsächlichen Verlauf wieder, Kurve b den Verlauf im. Mittel. Das Kreislaufgemisch wird so zusammengesetzt, daß die Kurve a möglichst gut der Kurve b angepaßt ist.
Figur 2 zeigt das Schaltscheraa eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei das Erdgas erfindungsgemäß zunächst auf - 142°C abgekühlt und dann mittels eines dritten offenen Kreislaufs auf - 160° C tiefgekühlt wird. '
Das über Leitung 1 unter etwa 40 at und Umgebungstemperatur in die Anlage eintretende stickstoffhaltige Erdgas wird in den Wär-τ meaustauBchern 2, 3 und 4 verflüssigt und auf - 142° C abgekühlt. Bevor es in den Wärmeaustauscher 4 eintritt, wird ihm £n der Stickstoffkolonne 6 der Stickstoff entzogen-, wobei es den Sumpf dieser Kolonne mittels der ersten Sumpf schlange 5 beheizt, über das Drosselventil 7 wird es dann in die Stickstoffkolonne 6 entspannt, die unter einem Druck von 21 at arbeitet. In ihr wird das Erdgas in drei Fraktionen zerlegt. Aus.dem Sumpf wird stickstofffreies, flüssiges Erdgas abgezogen* Über den Kopf geht reiner Stickstoff weg. In der Mitte der Kolonne wird eine Methan-Stickstoff -Fraktion abgenommen, die in ihrer Menge und Zusammensetzung so gehalten ist, daß damit die Tiefkühlung des flüssigen Erdgases auf - 160° 0 günstig durchgeführt werden kann. Das stickstofffreie, flüssige Erdgas wird übor Leitung 8 aus dem
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Sumpf der Stickstoffkolonne 6 abgezogen und durchströmt danr» die beiden Wärmeaustauscher 4 und 9, in denen es auf - 142° C bzw. - 160° C tiefgekühlt wird. Nach Zwischenentspannung gelangt es denn in die Speichertanks. Der über Leitung 10 abgezogene Stickstoff durchläuft nacheinander die Wärmeaustauscher 9i 4, 3 und und wird so auf Umgebungstemperatur angewärmt. Ehe das Erdgas in den Wärmeaustauscher 2 gelangt, können ihm noch die schweren Kohlenwasserstoffe entzogen werden.
■'"'S
Die Kälteerzeugung geschieht über zwei zur Kaskade geschaltete, geschlossene Mehrkomponentengemischkreisläufe sowie einen nachgeschalteten offenen Methan-Stickstoff-Gemisch-Kreislauf *
Der erste Kreislauf liefert die zwischen Umgebungstemperatur und etwa - yo° 0 benötigte Kälte. Er besteht aus einem Gemisch von Methan, Äthan, Propan und Butan und kann durch Kompression auf 42 at bei Umgebungstemperatur vollständig verflüssigt werden.
Das im Kompressor 10 auf 42 at verdichtete Gemisch wird im Nachkühler 11 durch Kühlwasser vollständig verflüssigt und gelangt über Leitung 12 in den Wärmeaustauscher 2« Hier wird es gegen sich selbst tiefgekühlt,und gibt nach Entspannung auf 3 at im Entspannungsventil 13 seinen Kälteinhalt an das Erdgas sowie an den zweiten Kreislauf ab. Die Zusammensetzung des Kreislaufgemisches ist erfindungsgemäß derart, daß im Wärmeaustauscher 2 die Temperaturdifferenz Δ Τ zwischen dem Kreislaufgemisch und dem Erdgas zum kalten Ende hin im Mittel kleiner wird. Über Leitung 14 gelangt das Kreislaufgemisch schließlich zurück zum Kompressor 10.
Das Mehrkomponentengemisch des zweiten Kreislaufes in Leitung wird in den Wärmeau3tauschorn .2 und 3 verflüssigt und gekühlt. Danach durchströmt Θ3 die zweite Sumpfachlange 16 der Stickstoff-.kolonne 6 und den Wärmeaustauscher 4. Das auf diesem Wege tiefgekühlte Gemisch wird im Entspannungsventil 17 auf 3 bis 4 at entspannt. Über Leitung 18 gelangt es nacheinander in die Wärme-
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austausche:"? 4-, 3 und 2, wobei es sich auf Umgebungstemperatur erwärmt und verdampft. Erfindungsgemäß ist seine Zusammensetzung Wiederum derart, daß ΔT zum kalten Ende der Wärmeaustauscher hin im Mittel kleiner wird. Im Kompressor 19 wird das Kreislaufgemisch dann erneut verdichtet und im Nachkühler 20 auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt.
Der zweite Kreislauf kann bei den gewählten Betriebsbedingungen, also Zusammensetzung und Druck nach der Entspannung, praktisch keine Kälte unterhalb - 14-2° C an.das Erdgas abgeben. Es ist zwar möglich, aber thermodynamisch nicht günstig, seinen Arbeitsbereich über ein noch, größeres Temperaturintervall auszudehnen. Deshalb wird dem zweiten Kreislauf eine dritte Kaskadenstufe nachgeschaltet. Diese dritte Stufe ist offen und arbeitet mit einem Gemisch aus Stickstoff und Methan und beliefert das Erdgas mit der zwischen - 142° 0 und - 160° C zur Tiefkühlung benötigten Kälte. Dieser Kreislauf kann auch etwas Äthan enthalten.*Er kann aber auch ein reiner Stickstoff- oder Methankreislauf sein. Es kann z. B. verlüssigtes Erdgas für den Methankreislauf benutzt werden. Schließlich kann der Kreislauf auch geschlossen ausgeführt werden. .
In der Mitte der Stickstoffkolonne 6 wird über Leitung 21 das gasförmige Methan-Stickstoff-Gemisch für die dritte Kaskadenstufe abgezogen und im Wärmeaustauscher 4- gegen den zweiten Kreislauf verflüssigt. Das Gemisch gelangt weiter zum WärmeaustauGcher 9, wo es unterkühlt wird und zum Entspannungsventil 22, wo es auf 3,8 at entspannt wird. Es gibt dann zunächst einen Teil seiner Kälte zwecks Rücklauferzeugung in der Kühlschlange 23 der Stickstoffkolonne 6 ab. Danach strömt es über Leitung 24- zurück zum Wärmeaustauscher 9» v/o es den überwiegenden Teil seiner Kälte zur Tiefkühlung des Erdgases auf - 160° C abgibt, nachdem ea die V/ärmeaustauscher 4, 3 und 2 durchströmt hat und auf Umgebungstemperaturen angewärmt worden ist, wird es zus? Energie- und Wärmeerzeugung verbraucht. · . .
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Der beschriebene Verflüssigungsprozess ist seinem Wesen nach eine dreistufige Kaskade mit dem hohen thermodynamischen Wirkungsgrad einer mehrstufigen Kaskade, jedoch geringem Materialaufwand. Iharch die erf indungsgemäße .Temperaturführung in den Wärmeaustauschern gelingt es, den Energiebedarf zu verringern und somit die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens zu erhöhen.
6. 11. 1968
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Claims (1)

  1. HESSER GRIESHEIM GMBH MG 463
    Ansprüche
    1. Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas, bei dem das Erdgas in Gegenstromwärmeaustauschern mit mindestens zwei zur Kaskade geschalteten, geschlossenen Mehrkomponenten-Gemischkreisläufen, welche jeweils nur eine Druckstufe durchlaufen, verflüssigt und abgekühlt wird, gekennzeichnet durch eine solche Zusammensetzung der Kreislaufgemische, daß die Tempe~ raturunterschiede Δ Τ zwischen dem abzukühlenden Erdgas und dem Kreislaufgemisch entlang des einzelnen Wärmeaustauschers in Richtung zur tieferen !Temperatur im Mittel kleiner werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine solche Zusammensetzung der Kreislaufgemische, daß die Quotienten ΔΤ , gebildet aus dem Temperaturunterschied ΔΎ zwischen dem abzukühlenden Erdgas und dem jeweiligen Kreislaufgemisch und der absoluten Temperatur des Erdgases* an allen Stellen eines Wärmeaustauschers im Mittel konstant ist.
    3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung der Kreisläufe auf größere Drücke als 2 Atmosphären erfolgt, vorzugsweise auf 3 bis 5 Atmosphären.
    4» Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß.die Mehrkomponentengend.sehe der Kreisläufe aus Bestandteilen des zu verflüssigenden Erdgases zusammengesetzt sind.
    5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Erdgas auf etvra - 140° C abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Abkühlung des Erdgases bis auf etwa - 160° C durch einen zusätzlichen offenen oder geschlossenen Kreislauf erfolgt, der im wesentlichen aus Stickstoff, Methan oder einer Mischung von beiden zusammengesetzt ist«
    Ba/Bt 0098 29/1315
    22. 11. 1968
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