DE2163139C2

DE2163139C2 - Verfahren zum Betreiben eines geschlossenen Kältekreislaufes und Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE2163139C2
Application number: DE2163139A
Authority: DE
Inventors: Bernard Paris Darredeau
Original assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 1970-12-21
Filing date: 1971-12-20
Publication date: 1982-08-26
Also published as: JPS567148B1; FR2123095B1; DE2163139A1; IT944125B; FR2123095A1; NL7117453A; GB1373385A; CA948098A; SU645618A3; US3780535A; AU470261B2; AU3716971A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben ίο eines geschlossenen Kältekreislaufes zur Verflüssigung eines Gasgemisches nach dem Oberbegriff des Hauptanspruches. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, wie sie dem Oberbegriff des Anspruches 4 zu entnehmen ist

Auf dem internationalen Kältekongreß von 1959 in Kopenhagen hat A. P. Kleemenko (Kongreßbericht Seiten 34 bis 39) ein Verfahren zur Kühlung und Kondensation eines Gasgemisches mit Hilfe eines Kühlzyklus beschrieben, bei dem ein Kreislaufgemisch eingesetzt wird, das mindestens einen Bestandteil des behandelten Gasgemisches enthalten kann. Gemäß diesem Verfahren wird mindestens das Kreislaufgemisch abgekühlt und einer Fraktionierkondensation unter hohem Druck unterzogen, mindestens die bei dieser Fraktionierkondensation erhaltene erste kondensierte Fraktion auf einen niedrigen Druck unterhalb des Hochdruckes entspannt, mindestens die entspannte erste Fraktion im Wärmeaustausch mit dem Kreislaufgemisch und dem in Kondensation befindlichen Gasgemisch verdampft und unter dem niedrigen Druck wiedererwärmt und mindestens die erste wiedererwärmte Fraktion wieder vom niedrigen Druck auf Hochdruck verdichtet, um mindestens zum Teil das Kreislaufgemisch unter hohem Druck darzustellen, wobei man die erste kondensierte Fraktion unmittelbar nach der Verdichtung erhält. Außerdem sind zwei bestimmte Funktionsweisen dieses Zyklus dargelegt Im ersten Fall handelt es sich um einen offenen Kältekreis, bei welchem das Gasgemisch und das Kreislaufgemisch vereinigt und zusammen der fraktionierten Kondensation unterzogen werden. Im zweiten Fall handelt es sich um einen geschlossenen Kältezyklus, bei welchem das Kreislaufgemisch und das Gasgemisch in bestimmten getrennten Leitungen, in denen sie unabhängig voneinander kondensiert werden, strömen.

Der bekannte Kältezyklus, bei dem nur ein Kühlgemisch verwendet wird, ist heute allgemein bekannt. Gegenüber dem Kaskadenzyklus von Fictet benötigt er nur einen einzigen Kompressor und unterscheidet sich damit von letzterem durch einen geringeren Materialaufwand. Andererseits hat die Anmelderin diesem Zyklus gewisse Verbesserungen hinzugefügt, die Gegenstand der französischen Patentschrift 13 02 989 und ihrer beiden Zusatzpatentschriften 80 294 und 86 485 sind.

Beispielsweise gestattet ein solcher Kältekreis bei Einsatz eines Kreislaufgemisches von folgender volumenmäßiger Zusammensetzung:

Methan	35%
Äthan	40%
Propan	50/0
Butan	12%
Pentan	3%
Stickstoff und andere leichte Gase	5%

die Verflüssigung und Unterkühlung eines Naturgases von folgender volumenmäßiger Zusammensetzung:

Methan 88%

Äthan 5%

Propan 3%

Butan 2%

Stickstoff und andere leichte Gase 2%

Wenn das vorstehende, nach den genannten Patentschriften verbesserte Verfahren und die entsprechenden Anlagen auch zufriedenstellend sind, muß man indessen feststellen, daß der Grad der Irreversibilität gewisser Arbeitsphasen des durchgeführten Verfahrens relativ groß bleibt und umso mehr die Gesamtenergie wächst, die für die Kondensation des behandelten Gasgemisches verbraucht wird. Im Falle der Verflüssigung von Naturgas wurde in diesem Zusammenhang festgestellt, daß der Temperaturabstand zwischen dem Kreislaufgemisch im Verlauf der Fraktionierkondensation und dem Kreislaufgemisch während der Wiedererwärmung erheblich bleibt, insbesondere in dem ersten oder warmen Austauscher der Anlage, in welchem die Verdampfung der ersten kondensierten Fraktion erfolgt, und insbesondere in der Mittelzone des letzteren. Mit anderen Worten: Während des ersten Wärmetausches, der eine Senkung der Temperatur des Kreislaufgemisches von Umgebungstemperatur auf einen Temperaturbereich in der Größenordnung von -30⁰C gestattet, entspricht der Temperaturabstand, der in gewissen Zonen zwischen der Kondensationskurve des Kreislaufgemisches und der Verdampfungskurve des letzteren besteht, einer erheblichen Irreversibilität dieses Wärmetausches und erhöhte dementsprechend die gesamte von der Anlage verbrauchte Energie.

Dieses festgestellte Temperaturgefälle, hängt in der Hauptsache von dem Verhältnis des Hochdruckes, unter dem die fraktionierte Kondensation des Kreislaufgemisches erfolgt, und dem Niederdruck ab, unter dem die Verdampfung der kondensierten Fraktionen dieses Gemisches erfolgen. Gewisse Einschränkungen, die sich außerdem ergeben, verhindern die Modifizierung des Verhältnisses von Niederdruck und Hochdruck des Kältezyklus, um dementsprechend den vorstehend festgestellten Temperaturabstand zu vermindern.

Der der Anmeldung am nächsten kommende Stand der Technik ist in F i g. 1 dargelegt und nachfolgend erläutert.

Aus der DE-AS 15 OI 695 ist ferner zwar ebenfalls ein Verfahren zum Verflüssigen von im wesentlichen Methan enthaltendem Naturgas durch Wärmeaustausch bekannt, bei dieser bekannten Anordnung sind aber zwei getrennte Kühlkreisläufe vorhanden, und das Prinzip dieser Kühlkreisläufe ist anders gestaltet als erfindungsgemäß. Insbesondere wird bei einem der Kreisläufe nach der Verdichtung auf Hochdruck das gesamte Kreislaufmedium auf einen Mitteldruck entspannt, so daß in den nachgeschalteten Wärmetauschern ein geringerer Wirkungsgrad erreicht wird.

Ferner ist aus der DE-AS 15 51 612 ein Verfahren zum Verflüssigen von Gasgemischen bekannt. Dort ist aber das Kühlmittel Bestandteil des zu verflüssigenden Gases. Aus diesem Grunde ist eine Anpassung der spezifischen Eigenschaften des Kühlmittels an die thermodynamischen Bedingungen des Kältekreislaufes nicht ohne weiteres möglich.

Auch bei der Verflüssigungseinrichtung nach der DE-OS 18 06 879 ist ein von dem zu verflüssigenden Gasgemisch getrennter Kühlkreislauf nicht vorhanden. Vielmehr ist das Kühlmittel auch hier Bestandteil des zu verflüssigenden Gases. Zwar ist bei dieser bekannten Anordnung ein MitteldruckkühJmittel vorhanden, das durch den ersten Kühler geieitet wird, doch wird dieses Mitteldruckkühlmittel nicht durch Expansion des Hochdruckkühlmittels erzeugt, sondern fällt durch die Zwischenkühlung im Kompressor an. Ein direkter Vergleich mit dem Anmeldungsgegenstand ist somit nicht möglich.

Bei dem Verfahren bzw. der Einrichtung nach der US-PS 33 64 685 erfolgt zwar eine Reduzierung des Druckes eines Hochdruckkühlmitiels auf einen Mitteldruck, doch wird hierbei lediglich eine Teilmenge im Druck reduziert Außerdem sind die Wärmetauscher für das Kreislaufmittel und für das zu verflüssigende Gas getrennt, so daß sich andere thermodynamische Verhältnisse ergeben.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Verbesserung des eingangs genannten Verfahrens bzw. der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Einrichtung derart, daß das oben erläuterte nachteilige Temperaturgefälle, welches zwischen dem in Kondensation befindlichen Kreislaufgtmisch und dem in Verdampfung befindlichen Gemisch im ersten Wärmetauscher besteht, vermindert werden kann, um den für die Verflüssigung des behandelten Gasgemisches erforderlichen Energieverbrauch herabzusetzen, ohne als Gegenleistung eine übermäßige Erhöhung der Austauschfläche des ersten Wärmetauschers in Kauf nehmen zu müssen.

Die Lösung dieser \ufgabe erfolgt für das Verfahren erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Hauptanspruches. Beim Stand der Technik, der nachstehend noch anhand der F i g. 1 erläutert wird, wird der gesamte erste flüssige Anteil, welcher nach der ersten Kühlung des komprimierten Kühlgemisches nach der Abscheidung anfällt, in den ersten Wärmetauscher eingeführt. Erfindungsgemäß wird hingegen nur ein Teil dieses im ersten Austauscher anfallenden flüssigen Anteils dem ersten Wärmetauscher zugeleitet. Dadurch erreicht man eine bessere Energiebilanz, bei der es zweckmäßig sein kann, wenn erfindungsgemäß ferner der gesamte flüssige Anteil vor seiner Entspannung auf den Verdichtungszwischendruck in einer zusätzlichen Wärmetauschstufe unterkühlt und nach der Entspannung teilverdampft wird, wodurch der hierbei verbleibende flüssige Anteil unterkühlt wird. Ein solches Verfahren erlaubt einen noch höheren Energiegewinn, und man kann nicht nur den Prozentsatz des im Zwischenabscheider abgetrennten zweiten gasförmigen Anteils erhöhen, sondern den verbleibenden flüssigen Anteil auch noch stärker an schweren Bestandteilen anreichern.

Vorteilhaft ist es gemäß der Erfindung auch, wenn der erste gasförmige Anteil und/oder das zu verflüssigende Gasgemisch in der zusätzlichen Wärmetauschstufe gekühlt wird.

Wenn man vorteilhafterweise mindestens den wiedererwärmten Teil der kondensierten ersten Fraktion in mindestens einer Kompressionsstufe auf den hohen Druck wieder verdichtet, die sich von einem Druck mindestens gleich dem niedrigen Druck auf einem mittleren Druck zwischen dem niedrigen und dem hohen Druck vollzieht, wählt man zweckmäßig für den Zwischendruck der Entspannungsstufe diesen mittleren Druck. Dies gestattet, unter dem mittleren Druck die VCi dem erwähnten Teil der ersten Fraktion abgetrennte Gasfraktion und mindestens den wiedererwärmten Anteil zu vereinigen und dann sie gemeinsam auf den Hochdruck in mindestens einer anderen Kompressionsstufe wieder zu verdichten, die sich von dem mittleren

Druck auf einen Druck höchstens gleich dem hohen Druck vollzieht.

Vorzugsweise wird mindestens der wiedererhitzte Teil der kondensierten ersten Fraktion in zwei Kompressionsstufen wieder verdichtet. In diesem Fall 5 entspannt man diesen kondensierten Teil der ersten Fraktion auf niedrigen Druck in einer einzigen Zwischenstufe und wählt für den Entspännungszwischendruck den Trennungsdruck zwischen den beiden Kompressionsstufen.

Gegenüber dem vorbekannten und vorstehend beschriebenen Verfahren gestattet die Erfindung, insbesondere die erste kondensierte Fraktion des Kreislaufgemisches an schweren Bestandteilen, d. h. an Bestandteilen von hohem Siedepunkt, anzureichern. Zürn Ausgleich nimmt man die Verdampfung der ersten kondensierten Fraktion in dem ersten oder warmen Austauscher bei einer Temperatur vor, die in jedem Punkt höher ist als die vorher erhaltene. Auf der Höhe des ersten Wärmetauschers vermindert man also die Temperaturspanne zwischen der Verdampfungskurve und der Kondensationskurve des Kreislaufgemisches. Man verbessert damit den thermodynamischen Leislungsgrad dieses ersten Austausches, und infolgedessen wird der Energieverbrauch der entsprechenden Anlage vermindert.

Die Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 4 bezeichnet.

Gegenüber der bekannten Einrichtung mit nur einem Gemisch als Kühlmedium benötigt die Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung nur einen geringen zusätzlichen Aufwand. Einerseits ist nämlich festzustellen, daß zwar die ursprünglich in dem ersten Wärmetauscher angetroffenen Temperaturspannen ziemlich groß sind, aber ihre gemäß der Erfindung erzielte relative Verminderung gering bleibt Es ergibt sich also, daß sich die für den ersten Wärmetauscher erforderliche Austauschfläche nur sehr schwach erhöhte. Da andererseits in gewissen Fällen die Erfindung gestattet, die Verdampfungs- und Kondensationskurven des Kreisiaufgemisches wesentlich zu harmonisieren, die Erfindung sich also auf eine bessere Homogenisierung der Temperaturspannen längs des ersten Wärmetauschers beschränkt, kann die Austauschoberfläche in solchen Fällen unverändert bleiben. Da ferner die von der ersten kondensierten Fraktion unter dem Zwischendruck abgetrennte Gasfraktion nicht sehr groß ist behält der entsprechende Zwischenabscheider mäßige Abmessungen.

Bei einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der F.rfindung ist außerdem die in der letzten Kompressionsstufe behandelte Strömungsmenge immer größer als diejenige der ersten Stufe. Daraus folgt dann immer gemäß der Erfindung eine bessere Adaption der gesamten Kompression. Dieser Vorteil ist besonders bemerkenswert im Falle eines einzigen Kompressors vom Axialtyp.

Die Erfindung ist anwendbar auf einen Zyklus mit nur einem Kühlmedium, das ein Gemisch ist, gleichgültig, ob dieser Zyklus offen oder geschlossen ist

Die Erfindung ist auch nicht auf einen Zyklus beschränkt bei dem die erste Abkühlung in dem unmittelbar am Austritt des Kompressors liegenden Kondensator mit einem solchen Kühlmittel wie Wasser erfolgt. Je nach dem gegebenen Fall kann diese Anfangskühlung mit einem unabhängigen Kühlkreis des Zyklus mit nur einem Kühlgemisch durchgeführt werden, wobei man beispielsweise Propan als Kühlmittel benutzt.

Weitere Merkmale, Anwendungsgebiete und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung.

F i g. 1 zeigt eine Einrichtung zur Durchführung des bekannten Zyklus mit einem Gemisch als einzigem Kühlmittel,

F i g. 2,3 und 4 zeigen drei jeweils etwas modifizierte und bevorzugte Aüsführungsformen zur Durchführung desselben, jedoch gemäß der Erfindung verbesserten Zyklus,

F i g. 5 enthält Wärmetauschdiagramme zur Erläuterung der vorstehend dargelegten theoretischen Überlegungen. In diesen Diagrammen sind die Abkühlungsund Erwärmungskurven für den ersten Wärmetauscher einer solchen Kälteanlage mit nur einem Kühlmittel eingetragen. Die Wärmemengen (Q) sind in Kilokalorien auf der Ordinate und die Temperaturen (T) in Grad Celsius auf der Abszisse aufgetragen. Die voll ausgezogenen Kurven entsprechen dem Austauschdiagramm eines ersten Wärmetauschers einer Einrichtung gemäß Fig. 1, also einer bekannten Einrichtung. Die gestrichelt dargestellten Kurven entsprechen dem Austauschdiagramm eines ersten Wärmetauschers einer gemäß der Erfindung verbesserten Einrichtung nach Fig. 2.

F i g. 6 zeigt, ausgedrückt in relativen Werten (d. h. zur Verflüssigung von 1 m³ Normvolumen Naturgas), die gesamte Wärmetauschoberfläche 5 (wobei die Austauschfläche des letzten hinter dem Kompressor angeordneten Kondensators nicht eingeschlossen ist), die in den Fällen der F i g. 1,2 und 4 als Funktion der an das Kreislaufgemisch abzugebenden Leistung P erforderlich ist

Eine bekannte Einrichtung, welche die Kühlung und Kondensation eines solchen Gasgemisches, wie Naturgas, gestattet, umfaßt eine Kühleinrichtung, wie sie in F i g. 1 dargestellt und für die Umwälzung eines Kreislaufgemisches bestimmt ist das gegebenenfalls mindestens einen Bestandteil des behandelten Gasgemisches enthält Im Falle der Verflüssigung von Naturgas enthält das Kreislaufgemisch eine bestimmte Anzahl von Kohlenwasserstoffen des zu verflüssigenden Gases, wie Methan, Äthan, Propan usw. und gegebenenfalls Stickstoff in Funktion der erwünschten Abkühlung.

Die in F i g. 1 dargestellte Kälteeinrichtung besitzt einen Kompressor 2, dessen Ansaugung und Förderung unter Drücken arbeiten, die nachstehend als »Niederdruck« bzw. »Hochdruck« bezeichnet sind. Der Kompressor 2 besitzt eine erste Kompressionsstufe 2', die unter Niederdruck ansaugt und unter Mitteldruck zwischen dem Hochdruck und dem Niederdruck abgibt, und eine zweite und letzte Stufe 2", die unter dem Mitteldruck ansaugt und unter dem Hochdruck abgibt Ein Endkondensator 3", dessen Eintrittsöffnung mit dem Austritt des Kompressors 2 verbunden ist, ist letzterem zugeordnet Er besitzt Mittel zum Umlauf eines Kühlmittels außerhalb der Kälteeinrichtung, wie Wasser. Ein erster Wärmetauscher 10, ein zweiter Wärmetauscher 20, ein dritter Wärmetauscher 30, ein erster Abscheider 3, ein zweiter Abscheider 13, ein erstes Entspannungsventil 4', ein zweites Ventil 14', ein drittes Ventil 15' gestatten, die fraktionierte Kondensation des Kreislaufgemisches durchzuführen, die im Kondensator 3" beginnt Der Eintritt des ersten Abscheiders 3 steht mit dem Austritt des Kondensators

3" in Verbindung. Jeder Wärmetauscher 10 und 20 besitzt einen ersten Durchlaß 51, der am einen Ende mit dem Gasaustritt eines Abscheiders 3 oder 13 und am anderen Ende mit dem Eintritt des zweiten Abscheiders 13 (vgl. Wärmetauscher 10) oder mit dem dritten Entspannungsventil 15' (vgl. Wärmetauscher 20) verbunden ist. Ein zweiter Durchgang 52, der aus dem Inneren jedes Wärmetauschers 10 und 20 besteht, ist in Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Durchgang 51 und ist mit der Abstromseite eines Entspannungsventils 4' bzw. 14' und mit der Ansaugseite des Kompressors 2 durch die Leitung 6 bzw. durch die Leitungen 16 und 6 verbunden. Ein dritter Durchgang 53 für das zu kühlende und zu verflüssigende Gasgemisch steht in Wärmetauschbeziehung mit dem zweiten 52, ein vierter Durchgang 54, dessen eines Ende mit dem Flüssigkeitsausgang eines Abscheiders 3 oder 13 und dessen anderes Ende mit der Aufstromseite eines Entspannungsventils 4' oder 14' verbunden ist, steht in Wärmetauschbeziehung mit dem zweiten Durchgang 52. Jede Entspannungseinrichlung, die jedem Abscheider 3 oder 13 zugeordnet ist, besitzt ein Entspannungsventil 4' bzw. 14' und steht damit an seinem Aufstromteil mit dem Flüssigkeitsaustritt eines Abscheiders 3 bzw. 13 vermittels eines vierten Durchganges 54 eines Wärmetauschers 10 bzw. 20 und in seinem Abstromteil mit einem zweiten Durchgang 52 eines Wärmetauschers 10 oder 20 in Verbindung. Der Wärmetauscher 30 unterscheidet sich von den beiden anderen Wärmetauschern 10 und 20 darin, daß er keinen vierten Durchgang 54 besitzt und daß sein erster vorstehend definierter Durchgang 51 unmittelbar am einen Ende mit dem dritten Entsparnungsventi! 15' ohne Zwischenschaltung eines den Abscheidern 3 und 13 analogen Abscheiders und mil seinem anderen Ende mit dem ersten Durchgang 51 des zweiten Wärmetauschers 20 verbunden ist

Gemäß dem zu F i g. 1 beschriebenen Kältezyklus wird im Betrieb das vorstehend definierte Kreislaufgemisch, das aus dem Kompressor 2 unter Hochdruck von 40 bar austritt, gekühlt und einer Fraktionierkondensation unterzogen. Zu diesem Zweck wird es mittels Durchganges durch den Kondensator 3" zunächst teilweise kondensiert Beim anschließenden Eintritt in den ersten Abscheider 3 wird die erste kondensierte Fraktion aus dem Kondensator 3" von dem Rest des Kreislaufgemisches abgetrennt Die gesamte erste kondensierte Fraktion aus dem Kondensator 3" von dem Rest des Kreislaufgemisches abgetrennt Die gesamte erste kondensierte Fraktion wird aus dem Abscheider 3 durch Leitung 4 abgezogen, beim Durchfluß durch den vierten Durchgang 54 des Wärmetauschers JO Gnterküh't, in einer Entspannungseinrichtung mit dem ersten Entspannungsventil 4' auf Niederdruck (2^5 bar) entspannt, durch Leitung 4" in den Wärmetauscher 10 geleitet beim Durchgang durch den zweiten Durchgang 52 dieses Wärmetauschers infolge Wärmetausches im Gegenstrom mit mindestens der auf dem Wege der Unterkühlung kondensierten ersten Fraktion wiedererwärmt und verdampft und schließlich aus dem Wärmetauscher 10 durch Leitung 6 abgeführt Der Rest des Kreislaufgemisches wird als erster gasförmiger Anteil vom ersten Abscheider 3 abgezogen, und seine fraktionierte Kondensation vollzieht sich beim Durchfluß durch den ersten Durchgang 51 des Wärmetauschers 10 infolge Wärmetausches in dem Gegenstrom mit der ersten kondensierten Fraktion im Verlauf der Verdampfung und Wiedererwärmung im zweiten Durchgang 52. Anschließend wird das Kreislaufgemisch aus dem Wärmetauscher 10 durch Leitung 5' abgezogen und in den zweiten Abscheider 13 gebracht, in welchem man eine zweite kondensierte Fraktion des Kreislaufgemisches abtrennt. Was die zu kühlende und zu kondensierende Gasmischung (Naturgas) betrifft, so wird diese durch Leitung 1 in den dritten Durchgang 53 des Wärmetauschers 10 eingeführt. Das Gasgemisch wird dann durch Wärmetausch im Gegenstrom mit der ersten kondensierten und auf Niederdruck entspannten Fraktion im Verlauf der Verdampfung, die in dem zweiten Durchgang 52 des Wärmetauschers 10 umläuft, gekühlt.

Die zweite kondensierte Fraktion wird aus dem Abscheider 13 durch Leitung 14 abgezogen, beim Durchfluß durch den vierten Durchgang 54 des Wärmetauschers 20 unterkühlt, in einer Entspannungseinrichtung mit dem zweiten Entspannungsventil 14' auf Niederdruck entspannt, durch die Leitung 14" in den Wärmetauscher 20 geführt, beim Durchfluß durch den zweiten Durchgang 52 dieses Wärmetauschers mittels Wärmetausches im Gegenstrom mit mindestens der zweiten im Verlauf der Unterkühlung kondensierten Fraktion verdampft und wiedererwärmt und schließlich aus dem Wärmetauscher 20 durch Leitung 16 abgezogen. Das im gasförmigen Zustand bleibende Kreislaufgemisch wird aus dem zweiten Abscheider 13 durch Leitung 15 abgezogen, und seine fraktionierte Kondensation erfolgt beim Durchfluß durch den ersten Durchgang 51 des zweiten Wärmetauschers 20 mittels Wärmetausches im Gegenstrom mit der zweiten im Verlauf der Verdampfung und Wiedererwärmung in dem zweiten Durchgang 52 kondensierten Fraktion. Das Kreislaufgemisch wird dann vom Wärmetauscher 20 zum ersten Durchgang 51 des dritten Wärmelauschers 30 abgezogen.

Das Gemisch (Naturgas) vollzieht also seine Kondensation auf einem tieferen Temperaturniveau als dasjenige des ersten Wärmetauschers 10 in dem dritten Durchgang 53 des zweiten Wärmetauschers 20 durch Wärmetausch im Gegenstrom mit der zweiten kondensierten und auf Niederdruck entspannten Fraktion im Verlauf der Verdampfung in dem zweiten Durchgang 52 des Wärmetauschers 20.

Das Kreislaufgemisch, d.h. der erste gasförmige Anteil, vollzieht seine Kondensation und wird beim Durchlaß durch den ersten Durchgang 51 des dritten Wärmetauschers 30 unterkühlt Die dritte so erhaltene kondensierte und unterkühlte Fraktion wird in dem dritten Entspannungsventil 15' auf Niederdruck entspannt und in dem zweiten Durchgang 52 des dritten Wärmetauschers mittels Wärmetausches im Gegenstrom mit mindestens dem Rest des Kreislaufgemischeä am Schluß der fraktionierten Kondensation verdampft und wiedererwärmt die in dem ersten Durchgang 51 umläuft und wird aus dem Wärmetauscher 30 durch Leitung 26 abgeführt Das Gasgemisch selbst (Naturgas) beendet seine Kondensation auf einem niedrigeren Temperaturniveau als dasjenige des zweiten Wärmetauschers 20 beim Durchfluß durch den dritten Durchgang 53 des Wärmetauschers 30 aufgrund des Wärmetausches im Gegenstrom mit der kondensierten letzten Fraktion des Kreislaufgemisches im Zuge der Verdampfung. Es wird schließlich im dritten Wärmetauscher 30 unterkühlt Das kondensierte und gegebenenfalls unterkühlte Gasgemisch wird aus der Kälteanlage abgezogen und auf seinen Gewinnungsdruck im Entspannungsventil 56 entspannt Was die drei konden-

sierten Fraktionen des Kreislaufgemisches betrifft, die in den Wärmetauschern 10, 20 bzw. 30 verdampft worden sind, so vereinigen sie sich vermittels der Leitungen 6,16 und 26 und werden zur Ansaugseite des Kompressors 2 zurückgeschickt, nachdem sie durch einen Sicherheitsabscheider 55 hindurchgegangen sind. Sie werden dann vom Niederdruck (2,5 bar) auf Hochdruck (40 bar) des Zyklus wieder verdichtet, um wieder das Kreislaufgemisch unter Hochdruck darzustellen. Ihre Verdichtung erfolgt auf ein erstes Niveau in der ersten Stufe 2' von Niederdruck auf einen Mitteldruck und auf ein zweites und letztes Niveau in der zweiten Stufe 2" von Mitteldruck auf Hochdruck.

Fig.2 zeigt eine ähnliche Kälteeinrichtung wie vorstehend beschrieben, jedoch gemäß der Erfindung abgewandelt. Diese Abwandlung betrifft lediglich die Entspannungseinrichtung, die einem Abscheider des Teils der Kälteeinrichtung zugeordnet ist, in dem die fraktionierte Kondensation des Kreislaufgemisches erfolgt. Gemäß F i g. 2 enthält die dem ersten Abscheider 3 zugeordnete Entspannungseinrichtung außer dem Entspannungsventil 4' eine einzelne Zwischenstufe. Letztere besteht aud einem Entspannungszwischenventil 104, das zwischen dem Hochdruck des Kältezyklus und dem Mitteldruck der Zwischenstufe des Kompressors 2 arbeitet und mit seiner Aufstromseite durch Leitung 56 mit dem Flüssigkeitsauslaß des ersten Abscheiders 3 verbunden ist Ein Zwischenabscheider 103, dessen Eintrittsseite mit der Abstromseite des Entspannungszwischenventils 104 verbunden ist, steht mit seinem Gasaustritt mit der Druckseite der ersten Kompressorstufe 2' des Kompressors 2 durch Leitung 105 in Verbindung, während sein Flüssigkeitsauslaß durch Leitung 114 mit der Aufstromseite des ersten Entspannungsventüs 4' verbunden ist

Die Arbeitsweise der Einrichtung nach F i g. 2 unterscheidet sich von derjenigen, wie sie für F i g. 1 erläutert wurde, lediglich durch die Art und Weise der Entspannung der ersten kondensierten und im Abscheider 3 aufgefangenen Fraktion bzw. des flüssigen Anteils auf Niederdruck, Nach F i g. 2 entspannt man die gesamte kondensierte bzw. flüssige erste Fraktion, die vom Abscheider 3 durch Leitung 56 abgezogen wurde, in einer einzigen Zwischenstufe. Diese Stufe besteht darin, daß man den aus Leitung 56 kommenden flüssigen Anteil in dem Zwischenventil 104 auf einen Zwischendruck gleich dem Verdichtungsmitteidruck der ersten Stufe des Kompresssors 2' entspannt Dann trennt man im Abscheider 103 einen zweiten gasförmigen Anteil von der gesamten auf Mitteldruck entspannten Fraktion ab. Der zweite gasförmige Anteil wird durch Leitung 105 abgezogen, unter Mitteldruck an der Verdichtungszwischenstiife der ersten Kompressionsstüfe 2' mit den wiedererwärmten Teilen des Kreislaufgemisches vereinigt und zusammen mit diesen in der zweiten Kompressionsstufe 2" von Mitteldruck auf Hochdruck verdichtet, um einen anderen Teil des Hochdruckkreislaufgemisches wieder herzustellen. Somit wird jetzt nur noch der verbleibende flüssige Anteil aus dem Abscheider 103 über Leitung 114 der ersten Wärmetauschstufe 10 zugeführt

Außer den vorstehend genannten Vorteilen, die zur Verminderung des Energieaufwandes für die Kondensation des behandelten Gasgemisches beitragen, führt die Ausführungsweise nach F i g. 2 auch zur Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Kältezyklus, und zwar aus folgenden Gründen: Einerseits bleibt die Gesamtmenge des Kreislaufgemisches auf der Druckseite des Kompressors 2 praktisch unverändert Die Massenbilanz ist praktisch dieselbe bis auf den zweiten gasförmigen Anteil, den man im Abscheider 103 unter Zwischendruck erhält und der bei tieferer Temperatur der Verdichtungszwischenstufe zugeführt wird. Andererseits erspart man die Kompression des gesamten bei Zwischendruck erhaltenen gasförmigen Anteils in der ersten Stufe 2' des Kompressors 2. Wenn beispielsweise der Verdichtungsgrad in den beiden Stufen des

ίο Kompressors 2 derselbe ist, kann dieser zweite gasförmige Anteil 10 bis 12% des Kreislaufgemisches darstellen. In diesem Fall beträgt der Energiegewinn 5 bis 6%.

Die in Fig.3 dargestellte Kälteeinrichtung unterscheidet sich von der in Fig.2 dargestellten durch die Tatsache, daß die in F i g. 2 beschriebene Entspannungszw'ischer.stufe außerdem gemäß F i g. 3 einen zwischengeschalteten zusätzlichen Wärmetauscher 200 aufweist Dieser Wärmetauscher 200 besitzt einen ersten Durchgang 57, der aus dem Wärmetauscherinneren besteht und mit der Abstromseite des Entspannungszwischenventils 104 und mit der Eintrittseite des Zwischenabscheiders 103 in Verbindung steht. Ein zweiter Durchgang 58 ist am einen Ende mit dem Flüssigkeitsaustritt des ersten Abscheiders 3 und am anderen Ende mit der Aufstromseite des Entspannungszwischenventiles 104 verbunden und steht in Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Durchgang 57. Ein dritter Durchgang 59 steht in Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Durchgang 57 und ist am einen Ende mit dem Flüssigkeitsaustritt des Zwischenabscheiders 103 und am anderen Ende mit der Aufstromseite des ersten Entspannungsventils 4' vermittels des vierten Durchganges 54 des ersten Abscheiders 10 verbunden. Ein anderer Durchgang 60 für den gesamten in der Abkühlung befindlichen Strom steht in Wärmetauschbeziehung mit dem ersten Durchgang 57.

Die Arbeitsweise der Kälteeeinrichtung nach F i g. 3 unterscheidet sich von derjenigen der vorher beschriebenen Einrichtung lediglich durch den Wärmetausch, der in dem zusätzlichen Wärmetauscher 200 erfolgt In letzterem, und zwar in dem ersten Durchgang 57, verdampft man zumindest teilweise den gesamten flüssigen, im Ventil 104 auf den Zwischendruck entspannten und in den Wärmetauscher 200 durch Leitung 204" eintretenden Anteil. Die erforderliche Verdampfungswärme gewinnt man in erster Linie durch Wärmetausch mit dem gesamten flüssigen Anteil im Verlauf der Unterkühlung vor dessen Entspannung 104 auf den Zwischendruck, der in dem zweiten Durchgang 58 umläuft und aus dem ersten Abscheider 3 stammt in zweiter Linie mit dem verbleibenden flüssigen Anteil, dsr von deni zweiten gasförmigen Anteil abgetrennt ist. von dem Zwischenabscheider 103 durch Leitung 114 ankommt und in dem dritten Durchgang 59 des Wärmetauschers fließt, um vor seiner Entspannung auf einen niedrigeren Druck gleich dem Niederdruck im ersten Entspannungsventil 4' unterkühlt zu werden, und drittens mit einem in Kühlung befindlichen Strom, der durch Leitung 201 in den zusätzlichen Wärmetauscher 200 eintritt und in dem anderen Durchgang 60 fließt

Dieser andere Strom kann das Kreislaufgemisch, das vom Gasaustritt des ersten Abscheiders 3 stammt, das zu kühlende und zu kondensierende Gasgemisch (z. B.

Naturgas) oder jedes andere Strömungsmittel von einer Temperatur nahe der Umgebung sein, das gekühlt werden muß.

Die Käiteeinrichtung nach Fig.3 gestattet gegen-

über derjenigen nach Fig. 1 die Erzielung eines gegenüber der Einrichtung nach F i g. 2 noch gesteigerten Energiegewinns. Da nämlich der erste flüssige Anteil des Kreislaufgemisches mindestens teilweise in dem zusätzlichen Wärmetauscher 200 verdampft wird, erhöht man einerseits beträchtlich den Prozentsatz des im Abscheider 103 abgetrennten zweiten gasförmigen Anteils, und andererseits wird der verbleibende flüssige Anteil noch stärker an schweren Bestandteil angereichert

Außerdem ist die im zusätzlichen Wärmetauscher 200 erzeugte Kälte zweifach billiger an Energie, weil die Verdichtung an dem Kreislaufgemisch auf die Hälfte reduziert werden kann. Natürlich ist die notwendige Austauschfläche um so viel größer, wie die Verdampfung des zweiten gasförmigen Anteils größer ist Daraus ergibt sich eine Grenze für den erzielbaren Energiegewinn. Er kann jedoch in der Größenordnung von 10% liegen.

Die in Fig.4 dargestellte Kälteeinrichtung unterscheidet sich von derjenigen nach F i g. 3 nur durch die Tatsache, daß der zusätzliche Wärmetauscher 200 noch einen vierten Durchgang 61 aufweist, der am einen Ende mit dem Gasauslaß 5 des ersten Abscheiders 3 und am anderen Ende mit dem Eintritt des zweiten Abscheiders 13 über den ersten Durchgang 51 des ersten Abscheiders 10 verbunden ist und einen fünften Durchgang 62 besitzt, der den Beginn der Kühlung des zu behandelnden Gasgemisches gestattet und am einen Ende mit dem dritten Durchgang 53 des ersten Wärmetauschers 10 verbunden ist Infolgedessen wird gemäß Fig.4 die für die Verdampfung des gesamten flüssigen Anteils im Wärmetauscher 200 erforderliche Wärme in gleicher Weise a) durch Wärmetausch im Gegenstrom mit dem Kreislaufgemisch, das aus dem ersten Abscheider 3 stammt und in dem vierten Durchgang 61 strömt und zwar während dessen fraktionierter Kondensation, und b) durch Wärmetausch im Gegenstrom mit dem Gasgemisch (Naturgas), das im Verlauf der Kühlung im fünften Durchgang 62 des zusätzlichen Wärmetauschers 200 strömt und zu den Wärmetauschern 10,20 und 30 geleitet wird, zugeführt

Eine Betrachtung der in F i g. 5 wiedergegebenen Austauschdiagramme gestattet die vorstehend dargelegten theoretischen Überlegungen zu erläutern. In dieser Figur stellen die Abkühlungskurven (abwärts gerichtete Pfeile) die Summe der Wärmemengen dar, die von dem Gasgemisch 1 (Naturgas) auf dem Wege der Abkühlung und Kondensation, von dem ersten gasförmigen Anteil 5 im Wege der fraktionierten Abkühlung und Kondensation und von dem aus dem ersten Abscheider 3 stammenden flüssigen Anteil auf dem Wege der Unterkühlung ausgetauscht werden. Die Erwärmungskurven (nach oben gerichtete Pfeile) stellen dagegen die Wärmemenge dar, die von dem Kreislaufgemisch auf dem Wege der Wiedererwärmung ausgetauscht wird, welches durch die Leitung 16 und 4" ankommt und welches den verbleibenden flüssigen Anteil im Verlaufe der Verdampfung und Wiedererwärmung unter Niederdruck enthält.

Hinsichtlich der voll ausgezogenen Kurven ist für den Fall der bekannten Einrichtung nach F i g. 1 festzustellen, daß die Abkühlungskurve eine im wesentlichen lineare Funktion der Temperatur ist und daß die Erwärmungskurve einen Knickpunkt aufweist, der einer scharfen Gefälleänderung entspricht und in der mittleren Zone des ersten Wärmetauschers 10 bemerkbar ist. Daraus ergibt sich eine große Temperaturspanne im wesentlichen in dieser Zone des Wärmetauschers, welche den thermodynamischen Leistungsgrad des Kältekreises verändert.

Bei Betrachtung der gestrichelten Kurven, d. h. im Falle einer gemäß der Erfindung verbesserten Kälteeinrichtung (F i g. 2) stellt man einerseits fest, daß die Erwärmungskurve sich der Abkühlungskurve nähert, und andererseits, daß die Erwärmungskurve viel mehr abgeflacht ist als in dem vorhergehenden Fall. Man hat also die Temperaturspanne auf der ganzen Länge des ersten Wärmetauschers vermindert, und zwar im wesentlichen in der mittleren Zone des letzteren. Damit ist die Reversibilität des ersten Wärmetauschers erhöht, und man trägt somit zur Verminderung der für die Verflüssigung des behandelten Gasgemisches verbrauchten Energie bei.

Die Kurven der F i g. 6 zeigen den gemäß der Erfindung verwirklichten Gewinn bei gleicher Wärmetauschfläche oder gleichem Energieaufwand.

Die Kurven VA 1, VA 2 und VA 4 beziehen sich auf die Fälle der F i g. 1.2 bzw. 4. Aus dem Vergleich dieser Kurven läßt sich folgendes feststellen:

Gegenüber der F i g. 1 bringt F i g. 2 Energiegewinne von ungefähr 5% bei gleicher Wärmetauschfläche und 6 bis 10% an Wärmetauschfläche bei gleichem Energieaufwand. Die Wahl zwischen einer Einrichtung nach F i g. 2 und einer solchen nach F i g. 4 sollte fallweise aufgrund wirtschaftlicher Gesichtspunkte erfolgen, wobei sich Einrichtungen nach F i g. 3 und 4 anbieten, wenn die Energie teuer ist

Selbstverständlich kann man anstelle eines einzigen Kompressors mit zwei Kompresionsstufen ohne weiteres auch eine Kompressionsanlage verwenden, die mehrere Kompressoren aufweist, von denen jeder eine Konipressionsstufe darstellt

Ferner läßt sich jeder flüssige Anteil des Kreislaufgemisches in der gleichen Weise, wie dies für den ersten bzw. gesamten flüssigen Anteil angegeben ist auf den Niederdruck des Kältekreises in mindestens einer Zwischenstufe entspannen, um so die gleichen Vorteile der Erfindung auch auf dem Niveau der verschiedenen Abscheider 20 und 30 der Kälteeinrichtung zu erzielen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Betreiben eines geschlossenen Kältekreislaufes zur Verflüssigung eines Gasgemisches, welches in mehreren Stufen durch das Kältemittel des Kältekreislaufes gekühlt wird und in welchem das Kältemittel auf einen Ausgangsdruck verdichtet (2), gekühlt (3"), unmittelbar anschließend (3) in einen flüssigen (56) und einen ersten gasförmigen Anteil (5) getrennt wird, der erste gasförmige Anteil (5) in einer ersten Wärmetauschstufe (10) bis zur Teilkondensation gekühlt wird, der flüssige Anteil (56) in der ersten Wärmetauschstufe (10) unterkühlt (54), anschließend auf den Eingangsdruck der Verdichtung entspannt (4') und zum Kühlen des Gasgemisches (1) und des ersten gasförmigen Anteils (5) sowie zum Unterkühlen des flüssigen Anteils (56) in die erste Wärmetauschstufe (10) eingeführt, dort verdampft und der Verdichtung (2) zugeführt wird, und mehrere Wärmetauschstufen (10, 20, 30) hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Anteil (56) vor Einführung in die erste Wärmetauschstufe (10) auf einen Verdichtungszwischendruck entspannt (104) wird, daß der hierdurch entstehende zweite gasförmige Anteil (105) einer Verdichtungszwischenstufe (2") zugeführt wird, und daß nur der verbleibende flüssige Anteil (114) der ersten Wärmetauschstufe (10) zugeleitet wird (F i g. 2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der flüssige Anteil (56) vor seiner Entspannung (104) auf den Verdichtungszwischendruck in einer zusätzlichen Wärmetauschstufe (200) unterkühlt (58) und nach der Entspannung (104) teilverdampft (57) wird, wodurch der hierbei verbleibende flüssige Anteil (114) unterkühlt wird (F i g. 3 und 4).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste gasförmige Anteil (5) und/oder das zu verflüssigende Gasgemisch (1) in der zusätzlichen Wärmetauschstufe (200) gekühlt (60,61,62) wird (F i g. 3 und 4).

4. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2 mit einem einen Verdichter (2), einen Kühler (3', 3"), einen ersten Abscheider (3) und einen ersten Wärmetauscher (10) aufweisenden geschlossenen Kältekreislauf, wobei der erste Wärmetauscher (10) je einen Durchgang (53) für das zu verflüssigende Gasgemisch (1), den im ersten Abscheider (3) entstehenden flüssigen (56, 54) und ersten gasförmigen Anteil (51) aufweist und im Strömungsweg des flüssigen Anteils (56) nach dem ersten Wärmetauscher (10) eine Entspannungsvorrichtung (4') vorgesehen ist, deren Ausgang mit einem weiteren Durchgang (52) des ersten Wärmetauschers (10) verbunden ist, und mehrere Wärmetauscher (10, 20, 30) hintereinandergeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Wärmetauscher (200) dem ersten Wärmetauscher (10) vorgeschaltet ist und einen ersten Durchgang (58) für den dem ersten Abscheider (3) entnommenen flüssigen Anteil (56), einen über eine weitere Entspannungsvorrichtung (104) mit dem ersten Durchgang (58) verbundenen zweiten Durchgang (57), der mit einem zweiten Abscheider (103) verbunden ist, dessen Flüssigkeitsausgang (114) mit einem dritten Durchgang (59) im zusätzlichen Wärmetauscher (200) verbunden ist, und einen vierten Durchgang (60) für ein abzukühlendes Medium (201) aufweist (Fig. 3).