DE2751642A1 - PROCESS FOR THE CONVERSION OF A LOW-BOILING LIQUID, IN PARTICULAR NATURAL GAS OR METHANE UNDER ATMOSPHERIC PRESSURE, INTO THE GASY CONDITION WITH SUBSEQUENT WARMING - Google Patents
PROCESS FOR THE CONVERSION OF A LOW-BOILING LIQUID, IN PARTICULAR NATURAL GAS OR METHANE UNDER ATMOSPHERIC PRESSURE, INTO THE GASY CONDITION WITH SUBSEQUENT WARMINGInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung einer tiefsiedenden Flüssigkeit, insbesondere unter Atmosphärendruck stehendem Erdgas oder Methan, in den gasförmigen Zustand mit gewünschtem Abgabedruck und gewünschter Abgabetemperatur, bei dem die Umwandlung der kalten, unter Druck gesetzten Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand durch Kondensation eines Kälteträgers in einem Wärmetauscher und die Verdampfung des flüssigen Kälteträgers durch einen Wärmespender, insbesondere Meerwasser in einem Verdampfer erfolgtThe invention relates to a method for converting a low-boiling liquid, in particular under atmospheric pressure standing natural gas or methane, in the gaseous state with the desired delivery pressure and desired delivery temperature, which involves the conversion of the cold, pressurized liquid to the gaseous state through condensation of a coolant in a heat exchanger and the evaporation of the liquid coolant by a heat donor, in particular sea water is carried out in an evaporator
Bei derartigen Verfahren ist es erforderlich, ein unter niedrigem Druck, z.B. Atmosphärendruck und einer entsprechend tiefen Temperatur stehendes, verflüssigtes Gas durch Druckerhöhung und Wärmezufuhr in einen vom Abnehmer benötigten gasförmigen Zustand zu versetzen.In such methods, it is necessary to use one under low pressure, e.g., atmospheric pressure, and one correspondingly Liquefied gas at a low temperature by increasing the pressure and supplying heat to one of the consumers to move required gaseous state.
Es ist bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse bei einem Verfahren als Wärmespender Meerwasser zu verwenden, das im Wärmeaustausch mit einem zwischengeschalteten Kälteträger steht, der die dem Meerwasser entzogene Wärme an das flüssig Gas überträgt (US-PS 29 75 607). Hier ist die Hauptvoraussetzung für den Kälteträger, daß sein Gefrierpunkt niedriger als die Eintrittstemperatur des flüssigen Gases liegt, so daß an den Wärmeübergangsrohren des Wärmetauschers, durch den das flüssige Gas und der Kälteträger geströmt sind, keine festen Bestandteile auskristallisieren können. Der Kälteträger verdampft im Wärmeaustausch mit dem Wärmespender und kondensiert beim Wärmeaustausch mit dem flüssigen Gas. Wenn die Eintrittstemperatur des flüssigen Kälteträgers am Eintritt zum Verdampfer unter den Gefrierpunkt des Wärmespenders absinkt, fließt ein Teilstrom des dampfförmigen Kälteträgers am Austritt des Verdampfers durch eine Umleitung in die Leitung des flüssigen Kälteträgers vor Eintritt in den besagten Verdampfer, um den flüssigen Kälteträger vor Eintritt in den Ver-It is known to use seawater as a heat donor to meet these requirements in a method, which in the Heat exchange with an intermediate coolant is available, which transfers the heat extracted from the seawater to the liquid Gas transmits (US-PS 29 75 607). Here the main requirement for the refrigerant is that its freezing point is lower than the inlet temperature of the liquid gas, so that on the heat transfer tubes of the heat exchanger through Since the liquid gas and the coolant have flowed, no solid constituents can crystallize out. Of the The refrigerant evaporates in the heat exchange with the heat dispenser and condenses in the heat exchange with the liquid gas. If the inlet temperature of the liquid coolant at the inlet to the evaporator is below the freezing point of the heat dispenser drops, a partial flow of the vaporous refrigerant flows through a bypass at the outlet of the evaporator in the line of the liquid refrigerant before entering said evaporator to the liquid Coolant before entering the
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dämpfer vorzuwärmen. Eine Pumpe ist - in Strömungsrichtung gesehen - hinter dem Mischpunkt von flüssigem und dampfförmigem Kälteträger dafür vorgesehen, die gesamte Menge des Kälteträgers durch den Verdampfer zu fördern. Der um den Teilstrom verminderte Strom des dampfförmigen Kälteträgers - der Hauptstrom - fließt zunächst durch einen Überhitzer, weiter durch eine Entspannungseinrichtung und durch einen Kondensator, in dem der entspannte gasförmige Kälteträger seine Kondensationswärme zur Verdampfung des flüssigen Gases an dieses abgibt. Der nunmehr flüssige Kälteträger fließt jetzt einer anderen - in Strömungsrichtung gesehen -, dem Mischpunkt von flüssigem und dampfförmigem Kälteträger vorgeschalteten Pumpe zu, die den flüssigen Kälteträger auf etwajj"einen Verdampfungs-5 druck fördert und ihn durch die erstgenannte Pumpe dem Verdampfer zuleitet.preheat damper. A pump is - in the direction of flow seen - behind the mixing point of liquid and vaporous refrigerant provided for the entire amount to promote the coolant through the evaporator. The flow of the vaporous refrigerant reduced by the partial flow - the main stream - flows first through a superheater, then through an expansion device and through a condenser, in which the expanded gaseous refrigerant uses its heat of condensation to evaporate releases the liquid gas to this. The now liquid coolant now flows into another - in Seen in the direction of flow - towards the mixing point of the liquid and vaporous refrigerant upstream pump, which the liquid coolant on something like an evaporation 5 promotes pressure and feeds it to the evaporator through the first-mentioned pump.
Ein Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der Dampfdruck des Kälteträgers im Verdampfer größer als der durch die Entspannungseinrichtung reduzierte Dampfdruck vor dem Kondensator ist. Das bedeutet, daß die Verdampfung£ temperatur des Kälteträgers beim Wärmeaustausch mit dem Wärmespender höher als seine Kondensationstemperatur beim Wärmeaustausch mit dem flüssigen Gas ist. Die Folge davon ist, daß die Austrittstemperatur des verdampften flüssigen Gases immer bedeutend niedriger als die Verdampfungstemperatur des Kälteträgers ist. Um das Gas anschließend auf die für das Erdgas-Netz gewünschte Abgabetemperatur erwärmen zu können, sind aufwendige Zusatzeinrichtungen und Gasbrenner mit hohem Brennstoffverbrauch notwendig. Ein weiterer, bedeutsamer Nachteil dieser bekannten Erfindung ist der obenerwähnte Teilstrom des dampfförmigen Kälteträgers am Austritt des Verdampfers durch eine Umleitung, mit dem es zwar möglich ist, den flüssigen Kälteträger geringfügig vorzuwärmen, jedoch ist es damit unmöglich, die vom Wärmespender durchströmten Verdampferteile vorA disadvantage of this method is that the vapor pressure of the refrigerant in the evaporator is greater than that by the expansion device reduced vapor pressure is in front of the condenser. This means that the evaporation £ temperature of the secondary refrigerant when exchanging heat with the heat dispenser is higher than its condensation temperature when Heat exchange with the liquid gas is. The consequence of this is that the outlet temperature of the vaporized liquid Gas is always significantly lower than the evaporation temperature of the refrigerant. To the gas afterwards on To be able to heat the delivery temperature desired for the natural gas network is expensive additional equipment and Gas burner with high fuel consumption necessary. Another significant disadvantage of this known invention is the above-mentioned partial flow of the vaporous refrigerant at the outlet of the evaporator through a bypass, with which it is possible to preheat the liquid coolant slightly, but it is impossible to the evaporator parts through which the heat source flows
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Vereisung zu schützen, weil die Verdampfungstemperatur des Kälteträgers durch diese Maßnahme nicht erhöht wird, womit die tiefe Temperatur des Kälteträgers im Verhältnis zur Temperatur des Wärmespenders bestehen bleibt.To protect icing, because the evaporation temperature of the coolant is not increased by this measure, so that the low temperature of the refrigerant remains in relation to the temperature of the heat dispenser.
Weiterhin sind Verfahren bekannt, bei denen die erforderliche Wärmezufuhr zur Umwandlung einer tiefsiedenden Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand durch die Verbrennung von Heizgasen bewirkt wird, wobei sich die Wärmeübe tragung s flächen entweder direkt im Strom von heißen Rauchgasen befinden (Prospekt der Firma Black, Sivalls & Bryson, Bl. 3, Zeichnung "Heat exchanger") - ein Verfahren, das einen hohen Brennstoffverbrauch hat und teuer ist - oder sich in einem Wasserbad befinden, welches durch heiße Rauchgase mittels Tauchbrenner erhitzt und das Wasser dadurch verdampft wird (Druckschrift "5. Internationaler Kongreß und Ausstellung für Flüssig-Erdgas", Düsseldorf, 28.8. - 1.1977, S. 99 - 100) - ein Verfahren, das die Umwelt belästigende Dampfschwaden und einen hohen Brennstoffverbrauch zeigt und störanfällig im Betrieb ist. Schließlieh ist auch ein Verfahren ff*· *m~h trtn Vorfihroj bekannt, bei dem zu einer Anlage gehörende Bündel vertikaler Platten, die aus Rohrelementen zusammengesetzt sind, mit Meerwasser berieselt werden (Prospekt der Firma Marston Excelsior Limited," Verdampfungsanlagen für verflüssigtes Erdgas", S. 1 und 2). Bei diesem Verfahren, das sehr aufwendig in der Erstellung seiner Einrichtung ist, besteht Einfriergefahr.Furthermore, methods are known in which the necessary heat supply for converting a low-boiling liquid into the gaseous state is brought about by the combustion of heating gases, with the heat transfer surfaces either being located directly in the flow of hot flue gases (brochure from Black, Sivalls & Bryson, p. 3, drawing "Heat exchanger") - a process that has a high fuel consumption and is expensive - or located in a water bath that is heated by hot flue gases using an immersion burner and the water is thereby evaporated (publication "5. International Congress and Exhibition for Liquefied Natural Gas ", Düsseldorf, August 28th - 1.1977, pp. 99-100) - a process that shows the environment nuisance steam plumes and a high fuel consumption and is prone to failure in operation. Finally, a method ff * · * m ~ h trtn Vorfihroj is also known, in which bundles of vertical plates belonging to a system, which are composed of pipe elements, are sprinkled with sea water (prospectus from Marston Excelsior Limited, "Evaporation systems for liquefied natural gas" , Pp. 1 and 2). There is a risk of freezing with this method, which is very complex to set up.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem solchen Verfahren den Brennstoffverbrauch niedrig zu halten, die Entstehung von DampfSchwaden in der Luft zu vermeiden, die Investitionskosten für eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu mindern und insbesondere ein betriebssicheres Verfahren zu schaffen, bei dem ein Einfrieren des Wärmespenders vermieden und mit einfachen Mitteln die gewünschte Abgabetemperatur des Gases erreicht wird. The invention is based on the object of keeping fuel consumption low in such a method, avoiding the formation of vapor plumes in the air, reducing the investment costs for a device for carrying out the method and, in particular, creating an operationally reliable method in which freezing of the heat dispenser avoided and the desired discharge temperature of the gas is achieved with simple means.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kondensation des dampfförmigen Kälteträgers in zwei Druckstufen durchgeführt wird, und zwar in der ersten Druckstufe mit dem Hauptstrom des dampfförmigen Kälteträgers in dem Wärmetauscher zur Umwandlung der tiefsiedenden, kalten Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand und in der zweiten Druckstufe mit dem Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers in dem Enderhitzer zur Erhöhung der Gastemperatur, wobei der Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers mittels der Druckerhöhungseinrichtung eine Druckerhöhung gegenüber dem Druck des Hauptstroms in der ersten Druckstufe erfährt.This object is achieved in that the Condensation of the vaporous refrigerant is carried out in two pressure stages, namely in the first pressure stage with the main flow of the vaporous coolant in the heat exchanger to convert the low-boiling, cold ones Liquid in the gaseous state and in the second pressure stage with the secondary flow of the vaporous refrigerant in the end heater to increase the gas temperature, whereby the secondary flow of the vaporous coolant means the pressure increasing device experiences a pressure increase compared to the pressure of the main flow in the first pressure stage.
Um zu erreichen, daß bereits in der ersten Druckstufe zur Erwärmung des flüssigen Gases der gasförmige Zustand bei relativ hoher Temperatur erreicht wird, wird nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung die Kondensation des Hauptstroms des dampfförmigen Kälteträgers im Wärmetauscher bei annähernd denselben Druck- und Temperaturverhältnissen der Verdampfung des gesamten flüssigen Kälteträgers im Wärmeaustausch mit dem Wärmespender im Verdampfer der ersten Druckstufe vollzogen.In order to achieve that the gaseous state in the first pressure stage for heating the liquid gas relatively high temperature is reached, the condensation of the is according to a further embodiment of the invention Main flow of the vaporous refrigerant in the heat exchanger with approximately the same pressure and temperature conditions the evaporation of the entire liquid refrigerant in heat exchange with the heat donor in the evaporator first pressure stage completed.
Um zu verhindern, daß Eisbildungen an den vom Wärmespender benetzten Flächen des Verdampfers für den gesamten flüssigen Kälteträger auftreten, wird erfindungsgemäß bei Erreichung des Gefrierpunktes des Wärmespenders mit Hilfe einer Pumpe für die Förderung des gesamten flüssigen Kälteträgers in seinen Verdampfer der Druck und damit die Temperatur des Kälteträgers derart erhöht, daß die Verdampfungstemperatur des Kälteträgers geringfügig über dem Gefrierpunkt des Wärmespenders liegt.In order to prevent ice formation on the surfaces of the evaporator wetted by the heat dispenser for the entire liquid Coolants occur, according to the invention when the freezing point of the heat dispenser is reached with the aid of a pump for the promotion of the entire liquid refrigerant in its evaporator, the pressure and thus the temperature of the Coolant increased so that the evaporation temperature of the coolant is slightly above the freezing point of the Heat dispenser lies.
Nach der Erfindung wird ein Halogen- oder Paraffin-Medium als Kälteträger verwendet.According to the invention, a halogen or paraffin medium is used used as a coolant.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch den erfindungsgemäßen Verfahrens- The advantages achieved by the invention are in particular special that by the method according to the invention
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schritt in der ersten Druckstufe-die Kondensation des Hauptstroms des Kälteträgers im Wärmetauscher zur Wärmezufuhr an das flüssige Gas und die Verdampfung des gesamten flüssigen Kälteträgers im Wärmeaustausch mit dem Wärmespender im Verdampfer bei annähernd denselben Druck- und Temperaturverhältnissen des Kälteträgers - die Umwandlung der tiefsiedenden Flüssigkeit in den gasförmigen Zustand mit relativ hoher Temperatur in einem einzigen Wärmetauschvorgang möglich ist, und daß ein betriebssicheres Verfahren mit niedrigen Investitionskosten und niedrigem Brennstoffverbrauch gegeben ist, bei dem auf einfache Weise die vom Abnehmer gewünschten Abgabedaten Druck und Temperatur - des Gases erreicht werden.step in the first pressure stage - the condensation of the Main flow of the coolant in the heat exchanger for the supply of heat to the liquid gas and the evaporation of the entire liquid refrigerant in the heat exchange with the heat donor in the evaporator at approximately the same pressure and temperature conditions of the refrigerant - the Conversion of the low-boiling liquid into the gaseous state with a relatively high temperature in a single Heat exchange process is possible, and that a reliable process with low investment costs and Low fuel consumption is given, in which the delivery data desired by the customer can be easily printed and temperature - of the gas can be reached.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Die Zeichnung zeigt im Schema den Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Umwandlung von tiefsiedendem Erdgas in den gasförmigen Zustand mit Meewasser als Wärmespender.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is described in more detail below. the The drawing shows in a scheme the course of the process according to the invention for converting low-boiling natural gas into gaseous state with sea water as a source of heat.
In einem Speicher 1 wird flüssiges Erdgas mit einem Druck von 1 bar und minus 161 Grad Celsius gelagert. Eine Pumpe 2, über eine Leitung 3 mit dem Speicher 1 verbunden, fördert flüssiges Erdgas mit einem Druck von beispielsweise 70 bar durch die Leitung 4 in den Wärmetauscher 5, wo das flüssige Erdgas, welches sich mit 70 bar im überkritischen Zustand befindet, in den gasförmigen Zustand dadurch umgewandelt wird, daß dampfförmiger Kälteträger, im Hauptstrom durch die Leitung 6 zugeführt, z.B. bei minus 20 Grad Celsius kondensiert (erste Druckstufe). Das gasförmige, z.B. auf minus 25 Grad Celsius erwärmte Erdgas strömt anschließend durch die Leitung 7 in den Enderhitzer 8 und wird hier dadurch weitererwärmt, daß der Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers mit einer höheren Temperatur als der dampfförmige^Cälteträger in der Leitung 6 kondensiert (zweite Druckstufe). Mit der gewünschten Endtemperatur von beispielsweise plus 5 Grad Celsius strömt das wärme ErdgasIn a storage device 1, liquid natural gas is stored at a pressure of 1 bar and minus 161 degrees Celsius. A pump 2, Connected to the reservoir 1 via a line 3, it conveys liquid natural gas at a pressure of, for example, 70 bar through the line 4 into the heat exchanger 5, where the liquid natural gas, which is at 70 bar in the supercritical state is, is converted into the gaseous state by the fact that vaporous refrigerant, in the main flow through the line 6 is fed, e.g. condensed at minus 20 degrees Celsius (first pressure stage). The gaseous, e.g. on Natural gas heated to minus 25 degrees Celsius then flows through line 7 into final heater 8 and is here further heated by the fact that the secondary stream of the vaporous Coolant with a higher temperature than the vaporous ^ Cälteträger condensed in line 6 (second pressure stage). With the desired final temperature of, for example The warm natural gas flows plus 5 degrees Celsius
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B<g»RSIG GRUPPE OEUTSCHE BABCOCK B <g »RSIG GROUP OEUTSCHE BABCOCK
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durch die Leitung 9 nun in das Erdgas-Netz 10. Der Nebenstrom des flüssigen Kälteträgers fließt durch die Leitung zu einer Druckminderungseinrichtung 12, wo er auf den Druck der ersten Druckstufe entspannt wird, und er fließt dann durch die Leitung 13 in die Leitung 14 mit dem Hauptstrom des flüssigen Kälteträgers aus dem Wärmetauscher 5 zur Pumpe 15, welche den gesamten flüssigen Kälteträger durch die Leitung 16 in den Verdampfer 17 fördert. Eine Pumpe 18 saugt Meerwasser aus einem Meerwassereinlaufbauwerk 19 durch die Leitung 20 an und führt es dem Verdampfer 17 durch die Leitung 21 und damit die für die Verdampfung des gesamten flüssigen Kälteträgers erforderliche Verdampfungswärme zu. Das gekühlte Meerwasser fließt durch dJ.G Lgituner 2 2 ί^^-^-α^^^Lu**-u&^^vfioixi^jJ ins Meer zurück. Der gesamte dampfförmige Kälteträger verläßt den Verdampfer 17 durch die Leitung 23 und teilt sich in den Hauptstrom durch die Leitung 6 und in den Nebenstrom durch die Leitung 24. Während der Hauptstrom des dampfförmigen Kälteträgers, wie bereits oben beschrieben, durch die Leitung 6 in den Wärmetauscher 5 der ersten Druckstufe strömt, wird der Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers aus der Leitung 24 von der Druckerhöhungseinrichtung 25 angesaugt und auf den Kondensationsdruck der zweiten Druckstufe verdichtet. Mit der Verdichtungsendtemperatur der zweiten Druckstufe, die höher als die der ersten Druckstufe ist, gelangt der Nebenstrom des dampfförmigen Kälteträgers nun durch die Leitung 26 in den Enderhitzer 8, kondensiert dort und strömt von neuem als Nebenstrom des flüssigen Kälteträgers durch die Leitung 11, über die Druckminderungseinrichtung 12 und durch die Leitungen 13 und 14 der Pumpe 15 zu.through the line 9 now into the natural gas network 10. The secondary flow of the liquid refrigerant flows through the line to a pressure reducing device 12, where it is expanded to the pressure of the first pressure stage, and it then flows through the line 13 into the line 14 the main flow of the liquid coolant from the heat exchanger 5 to the pump 15, which conveys the entire liquid coolant through the line 16 into the evaporator 17. A pump 18 sucks in seawater from a seawater inlet structure 19 through the line 20 and feeds it to the evaporator 17 through the line 21 and thus the heat of evaporation required for the evaporation of the entire liquid refrigerant. The cooled sea water flows through dJ.G Lgituner 2 2 ί ^^ - ^ - α ^^^ Lu ** - u & ^^ vfioixi ^ jJ back into the sea. The entire vaporous refrigerant leaves the evaporator 17 through the line 23 and divides into the main flow through the line 6 and the secondary flow through the line 24. While the main flow of the vaporous refrigerant, as already described above, through the line 6 into the heat exchanger 5 of the first pressure stage flows, the secondary stream of the vaporous refrigerant is sucked in from the line 24 by the pressure increasing device 25 and compressed to the condensation pressure of the second pressure stage. With the compression end temperature of the second pressure stage, which is higher than that of the first pressure stage, the secondary flow of the vaporous refrigerant now passes through the line 26 into the final heater 8, condenses there and flows again as a secondary flow of the liquid refrigerant through the line 11, via the Pressure reducing device 12 and through the lines 13 and 14 of the pump 15 to.
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