DE2810972C2

DE2810972C2 -

Info

Publication number: DE2810972C2
Application number: DE2810972A
Authority: DE
Inventors: Maurice Paris Fr Grenier
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: 1977-03-16
Filing date: 1978-03-14
Publication date: 1987-10-29
Also published as: JPS5855432B2; GB1598998A; FR2384221A1; US4181174A; BE863763A; JPS53115956A; DE2810972A1; FR2384221B1; US4228660A

Description

Die Erfindung betrifft einen Plattenwärmetauscher zum Kühlen und Verflüssigen eines Gases, welches mittels eines Vorkühl kreislaufes vorgekühlt und anschließend mit Hilfe eines Hauptkühlkreislaufes auf eine tiefe Temperatur abgekühlt wird, wobei die Fluiddurchgänge für das abzukühlende Gas bzw. für die jeweiligen Kältemittel der Kältekreisläufe durch be abstandete Platten des Wärmetauschers gebildet sind, mit ei nem Kühler für das zu kühlende Kältemittel des Hauptkühl kreislaufes, mit zweiten Durchgängen für das zu kühlende Gas, dritten Durchgängen für das zu erwärmende Kältemittel des Hauptkühlkreislaufes und mit vierten Durchgängen für das zu erwärmende Kältemittel des Vorkühlkreislaufes.

Ein derartiger Plattenwärmetauscher ist aus der US-PS 35 87 731 bekannt. Dort wird Erdgas durch drei aufeinander folgende, im wesentlichen getrennte Kreisläufe gekühlt, näm lich für das warme Ende des Wärmetauschers einen Propan kreislauf, für den mittleren Bereich einen Äthylenkreislauf und für das kalte Ende einen Methankreislauf. Es handelt sich hier um die klassische Kaskade, bei welcher jeweils auf der kalten Seite der drei getrennten, hintereinander geschal teten Plattenwärmetauscher am Eingang nur flüssiges Kälte mittel eingeführt wird, nicht aber gleichzeitig mit der flüs sigen auch eine Gasphase.

Bei Verwendung dreier Plattenwärmetauscher mit den entspre chenden Ein- und Ausgängen bedingt nicht nur einen Raumauf wand ohne Wärmetauscherwirkung, sondern auch apparativen Aufwand für die verschiedenen Ein- und Ausgänge zwischen den Plattenwärmetauschern.

Außerdem hat eine wirtschaftlich günstig herstellbarer Platten wärmetauscher parallelepipedische Außengestalt, wie dies auch bei dem bekannten Wärmetauscher der Fall ist. Da aber die verschiedenen Kältemittel an den für das abzukühlende Gas bezüglich Temperatur und Druck richtigen Stellen eingeführt und abgezogen werden müssen, ergibt sich im Raum zwischen zahl reichen Plattenpaaren, in welchen Durchgänge für Kältemit tel angeordnet sind, Leerräume bzw. tote Zonen, die nicht für den Wärmetausch verwendbar sind.

Aus der DE-OS 21 26 561 ist ferner das Pritchard-Verfahren mit nur einem einzigen Plattenwärmetauscher bekannt. Bei diesem wird aber nur ein Kältemittelkreislauf vorgesehen, dessen Eingang am warmen Ende des Wärmetauschers die Zufuhr sowohl der gasförmigen als auch der flüssigen Phase erfor dert. Die Verteilung eines zweiphasigen Kältemittels über einen Plattenwärmetauscher wirtschaftlich günstiger Größe mit Querschnittsmaßen von etwa 1,20 m auf 1,20 m mit einer Länge von etwa 6 m ist aber äußerst problematisch: Es ist bislang nicht gelungen, ein zweiphasiges Kältemittel auf unterschiedliche Durchgänge ein und desselben Plattenwärme tauschers homogen zu verteilen, denn entweder führen Vertei lungsvorrichtungen zu einer technologisch nicht zulässigen Kompliziertheit, oder die Homogenität der zweiphasigen Ver teilung bleibt unzureichend. Um diese Schwierigkeiten zu ver meiden, wird das Gemisch bei anderen Anlagen einer Vorküh lung durch ein bei ungefähr Umgebungstemperatur siedendes weiteres Kältemittel unterzogen, wie z. B. einen Propan kreislauf. Dies ist der Fall nach der DE-OS 15 61 611, aller dings mit dem Nachteil einer größeren Komplexität der Anla ge, in der zwei getrennte Wärmetauscher vorgesehen sind.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, das spezifische Vo lumen (Bauvolumen/Wärmetauscherfläche) des bekannten Wärme tauschers zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Wärmetauscher aus einem Bauteil mit einem warmen und einem kalten Abschnitt besteht, daß der Kühler erste Durchgänge im kalten Abschnitt des Wärmetauschers, die vierten Durch gänge im warmen Abschnitt und beide Arten von Durchgängen jeweils zwischen gemeinsamen Plattenpaaren angeordnet sind und daß am warmen und am kalten Abschnitt des Wärmetau schers jeweils Anschlüsse für die dritten bzw. vierten Durchgänge zum Abziehen des angewärmten Kältemittels des Vor- bzw. Hauptkühlkreislaufes vorhanden sind. Durch diese Maßnahmen gemäß der Erfindung wird bei vorgegebenem Wärme tauschervolumen eine optimale Nutzung erreicht, denn es wer den Toträume bzw. Volumina, die zum Wärmeaustausch nichts beitragen, vermieden. Für eine vorgegebene Wärmtauscher fläche kann man durch die Erfindung das Bauvolumen des Plat tenwärmetauschers verringern.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche beschrieben.

Ferner sind Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung in der folgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 schematisch eine Gaskühlanlage,

Fig. 2 die Draufsicht auf diese Anlage,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der Fig. 2 des Wärmeaustauschers, der Teil der schematisch in Fig. 1 gezeigten Anlage ist,

Fig. 4 eine Ansicht des Wärmeaustauschers, der Teil der schematisch in Fig. 1 gezeigten Anlage ist, und zwar in Richtung IV der Fig. 2 gesehen,

Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V der Fig. 4 durch den Wärmeaustauscher,

Fig. 6 eine Schnittansicht durch den Wärmeaustauscher entlang der Linie VI-VI der Fig. 4,

Fig. 7 eine Schnittansicht des Wärmeaustauschers ent lang der Linie VII-VII der Fig. 4,

Fig. 8 eine Schnittansicht des Wärmeaustauschers nach Linie VIII-VIII der Fig. 4,

Fig. 9 eine Schnittansicht desselben Wärmeaustauschers entlang der Linie IX-IX der Fig. 2,

Fig. 10 eine Schnittansicht desselben Wärmeaustauschers entlang der Linie X-X der Fig. 2 und

Fig. 11 eine andere Ausführungsform der Kühlanlage, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist, wobei nur derjenige Teil der Fig. 1 betroffen ist, der durch die geschlossene Linie mit den Kreuzen begrenzt ist.

Gemäß Fig. 1 besteht eine Kühlanlage gemäß der Erfindung aus einer Folge von mindestens zwei Kältekreisläufen 13 und 14, die thermisch einander kaskadenartig zugeordnet sind.

Der erste Kreislauf 13 weist auf:

- einen Kompressor 15 für die Kompression eines einfachen Hilfskühlmittels, z. B. Propan, mit einem Ausgang 16 für die Hochdruckseite und drei Eingängen 17, 18 und 19 für das Ansaugen von drei verdampften Anteilen des Hilfskühl mittels, jeweils unter einem unteren Druck, unter einem ersten Zwischendruck und einem zweiten Zwischendruck,
- einen Kondensator 10 für die Zirkulation eines äußeren Kühlmittels, z. B. Wasser, dessen einer Eingang 23 mit dem Ausgang 16 des ersten Kompressors 15 in Verbindung steht,
- einerseits drei Entspannungseinrichtungen 26, 25 und 24 für das kondensierte Hilfskühlmittel, die in einer Reihe angeschlossen sind, und andererseits drei Separatoren 27, 28 und 29 mit zwei Phasen für Flüssigkeit bzw. Dampf des Hilfskühlmittels unter dem unteren Druck, dem ersten Zwi schendruck und dem zweiten Zwischendruck. Der Eingang der ersten Entspannungseinrichtung 24 steht indirekt mit dem Ausgang 30 des Kondensators 10 durch den zweiten Separa tor 28, die zweite Entspannungseinrichtung 25, den drit ten Separator 29 und die dritte Entspannungeinrichtung 26 in Verbindung.
- drei Fluiddurchgänge 33 a, 33 b, 33 c für die Verdampfung des entspannten Hilfskühlmittels unter dem unteren Druck, dem ersten Zwischendruck bzw. dem zweiten Zwischendruck, die sich im Sinne der Zirkulation des Kältemittelgemisches in Wärmeaustausch mit einem Durchgang 36 für das Kälte mittel und mit einem Durchgang 37 für das nachfolgend de finierte Naturgas befinden.

Der zweite Kältekreislauf 14 weist auf:

- einen zweiten Kompressor 37 mit zwei Kompressionsstufen 37 a und 37 b. Die erste Stufe 37 a weist einerseits auf einen Eingang 38 zum Ansaugen eines verdampften Teils des Kältemittels unter einem niedrigen Druck (dieses Gemisch enthält Methan, Äthan, Propan, Butan und Stickstoff), und weist andererseits einen Ausgang 39 auf für das Kältemit tel unter einem Druck, der nachfolgend Verdampfungsdruck genannt wird.
Die zweite Stufe 37 b weist einerseits einen Eingang 40 auf für das Ansaugen des gesamten Kältemittels unter dem Verdampfungsdruck, wobei dieser Eingang 40 mit dem Aus gang 39 der ersten Stufe 37 a in Verbindung steht, und weist andererseits einen Ausgang 43 auf für das kompri mierte Kältemittel unter einem höheren Druck.
- Einen Durchgang 36 des komprimierten Kältemittels in Wär meaustausch (im Sinne der Zirkulation des vorgenannten Kältemittels), und zwar in der Folge zuerst mit den drei Verdampfungsdurchgängen 33 c, 33 b und 33 a des ersten Kälte kreises 13, dann gleichzeitig mit einem Durchgang 45 des Kältemittels unter dem Verdampfungsdruck und einem Durch gang 46 des Kältemittels unter dem niedrigen Druck. Der Eingang 44 des Kühldurchganges 36 steht mit dem Ausgang 43 des zweiten Kompressors 37 in Verbindung.
- Eine zweite Entspannungseinrichtung 47 und eine dritte Entspannungseinrichtung 48 für das Kältemittel auf den Verdampfungsdruck bzw. den vorgenannten niedrigen Druck. Die zwei Eingänge der zwei Entspannungseinrichtungen 47 und 48 stehen direkt mit dem Ausgang 49 des Kältemittel durchganges 36 in Verbindung.
- Einen Durchgang 37 für zu kühlendes Naturgas, der sich in drei aufeinanderfolgende Abschnitte zerlegen läßt (im Sin ne der Zirkulation des Naturgases), nämlich 37, 37′ und 37′′. Der Kühldurchgang 37 steht in Wärmeaustausch zuerst mit den drei Verdampfungsdurchgängen 33 c, 33 b und 33 a und dann zugleich mit den Erwärmungsdurchgängen 45 und 46. Die Unterbrechung der Abschnitte 37′ und 37′′ erfolgt zur Ent nahme des teilweise gekühlten Naturgases, um in einer Einheit 50 schwerere Bestandteile abzuziehen, wie z. B. Methan, und um eine an Methan angereicherte Gasfraktion für die weitere Naturgasabkühlung zu erzeugen. Die Unter brechung zwischen den Abschnitten 37 und 37′′ erfolgt für die Entnahme des im wesentlichen gekühlten Naturgases und Zuführen zu einer Stickstoffabzugseinheit 53 hin; und er folgt, um eine an Stickstoff verarmte Gasfraktion, von dieser Einheit ausgehend, zurückzuführen.

Wie Fig. 1 zeigt, sind die verschiedenen Wärmetauscher- oder Kältemitteldurchgänge 35 a, 35 b, 35 c, 36, 37, 45 und 46 in ein und demselben Plattenwärmetauscher 58, z. B. aus hart gelötetem Aluminium, vereinigt. Dieser Wärme tauscher wird nachfolgend anhand der Fig. 2 bis 10 be schrieben und weist auf:

- Eine Mehrzahl, beispielsweise insbesondere 14 Metallplat ten 101 bis 114 mit rechteckiger ähnlicher und sogar gleicher Gestalt, die sich in der Länge und Breite er strecken. Die Platten 101 bis 114 sind im Abstand von einander in regelmäßigen, möglicherweise konstanten Intervallen und parallel zueinander angeordnet und ver laufen ferner in einer dritten Dimension, der Dicke.
- Dichteinrichtungen 59 (siehe Fig. 4), die aus unter schiedlichen, rechteckigen Metallplättchen bestehen, die relativ schmal und klein sind und einerseits mit den Platten 101 bis 114 mehrere flache Durchgänge recht eckiger Form begrenzen, die nachfolgend beschrieben wer den, und andererseits zwischen sich mehrere Eingänge und Ausgänge zu den genannten Durchgängen hin und außer halb derselben begrenzen;
- vier Durchgänge 1, die parallel zueinander angeordnet sind und nachfolgend als erste Durchgänge bezeichnet werden, jeweils zwischen den Platten 102 und 103, 104 und 105, 108 und 109, 110 und 111 begrenzt sind und ge nauer in Fig. 6 dargestellt sind. Diese vier Durchgänge 1 bilden zusammen einen ersten Kältekreis für die Zir kulation längs der gesamten Länge des Wärmetauschers 58, und zwar für das zu kühlende Kältemittel (erstes Fluid). Dir Dichteinrichtung 59, die zu jedem ersten Durchgang gehört, hat an ihren zwei Enden einen Eingang 11 bzw. einen Ausgang 12. Jeder Durchgang 1 ist mit einer Aus kleidung 60 versehen, die aus Wellblech besteht, das grundsätzlich oder nur in Längsrichtung des Wärmetau schers 58 durchlässig ist, wobei die Auskleidung 60 an beiden Seiten ihrer Länge einerseits durch drei Ab schnitte 63, 64 und 65 Wellblech begrenzt ist, die der Verteilung des zu kühlenden Kältemittels dienen, und ist andererseits begrenzt durch drei Wellblechabschnit te 66, 67 und 68, die dem Sammeln des gekühlten Kälte mittels dienen. Die Eingänge 11 der verschiedenen er sten Durchgänge 1 stehen mit ein und derselben Einführ büchse 69 für das zu kühlende Kältemittel in Verbindung, während die Ausgänge 12 der verschiedenen ersten Durch gänge 1 mit ein und derselben Entleerungsbüchse 70 für das gekühlte Kältemittel in Verbindung stehen.
- Zwei parallel angeordnete Durchgänge 2, die nachfolgend als die zweiten Durchgänge bezeichnet werden, sind je weils zwischen den Platten 106 und 107, 112 und 113 an geordnet und in Fig. 8 dargestellt. Diese zwei Durch gänge 2 bilden gemeinsam einen zweiten Kältekreis für die Zirkulation des zu kühlenden Naturgases (zweites Fluid) entsprechend der Gesamtlänge des Wärmetauschers 58, und zwar im Gleichstrom mit dem zu kühlenden Kälte mittel. Die Dichteinrichtung 59, die zu jedem zweiten Durchgang gehört, hat an ihren zwei Enden jeweils einen Eingang 21 für das zu kühlende Naturgas und einen Aus gang 22 für das gekühlte Naturgas. Jeder zweite Durch gang 2 läßt sich längs des Wärmetauschers 58 in einen ersten Abschnitt 2 einen zweiten Abschnitt 2′ und einen dritten Abschnitt 2′′ aufteilen, wobei die Abschnitte 2 und 2′′ einerseits und 2′ und 2′′ andererseits jeweils durch zwei Trennwände 78 und 79 getrennt sind, die sich über die gesamte Breite des Wärmetauschers 58 erstrecken und zwischen den zwei aufeinanderfolgenden Platten (z. B. 106 und 107) den zweiten Durchgang begrenzen. Der erste Abschnitt 2 jedes zweiten Durchgangs ist für die Zirkulation des zu kühlenden Naturgases auf einem ersten Teil der Länge des Wärmetauschers 58 bestimmt. Er weist einerseits eine Füllung 73 auf, die grundsätzlich oder nur in Längsrichtung durchlässig ist und aus Wellblech besteht, und weist andererseits zwei Wellblechabschnitte 74 und 75 auf, die an einem Ende der Auskleidung 73 an geordnet sind und der Verteilung des zu kühlenden Natur gases dienen, welches durch den Eingang 21 eingeführt wird, sowie zwei Wellblechabschnitte 76 und 77, die am anderen Ende der Füllung 73 angeordnet sind und der Sammlung des teilweise gekühlten und durch den Ausgang 22′ zur Trenneinheit 50 hin abgezogenen Naturgases die nen. Der zweite Abschnitt 2′ jedes zweiten Durchganges ist für die Zirkulation längs eines zweiten Teils des Wärmetauschers 58 bestimmt, und zwar für das teilweise gekühlte, von der Einheit 50 stammende Naturgas, das folglich im wesentlichen an Methan angereichert ist. Dieser zweite Abschnitt weist einerseits eine Ausklei dung 73′ auf, die grundsätzlich oder nur in Längsrich tung des Wärmetauschers 58 durchlässig ist und aus Wellblech besteht, und weist andererseits zwei Well blechabschnitte 74′ und 75′ auf, die an den Enden der Auskleidung 73′ angeordnet sind und der Verteilung des im wesentlichen an Methan angereicherten Naturgases dienen, welches durch den Eingang 21′ eingeführt ist, sowie zwei Wellblechabschnitte 76′ und 77′, die am an deren Ende der Auskleidung 73 angeordnet sind und der Sammlung des im wesentlichen gekühlten Naturgases die nen, welches durch den Ausgang 22′′ zu der Stickstoff abzugseinheit 53 hin abgezogen ist. Der dritte und letz te Abschnitt 2′′ jedes zweiten Durchganges ist dafür be stimmt, das aus der Stickstoff entziehenden Einheit 53 stammende Naturgas, dem der Stickstoff entzogen ist, längs des letzten Teils des Wärmetauschers 58 zirkulie ren zu lassen. Dieser letzte Abschnitt 2′′ weist einer seits eine grundsätzlich oder nur längs des Körpers 58 durchlässige Auskleidung 73′′ auf, die aus Wellblech besteht, und weist andererseits zwei Wellblechabschnitte 74′′ und 75′′ auf, die an einem Ende der Auskleidung 73′′ angeordnet sind und der Verteilung des Naturgases die nen, dem der Stickstoff entzogen ist und das durch den Eingang 21′′ eingeführt ist, sowie zwei Wellblechab schnitte 76′′ und 77′′, die am anderen Ende der Ausklei dung 73′′ angeordnet sind und der Sammlung des gänzlich gekühlten Naturgases dienen, dem der Stickstoff entzo gen ist und welches durch den Ausgang 22 abgezogen ist. Alle die Eingänge 21, 21′ und 21′′, welche zu den ver schiedenen zweiten Durchgängen gehören, stehen mit den Einführbüchsen 80, 80′ und 80′′ des Naturgases in Ver bindung. Alle Ausgänge 22, 22′ und 22′′, die zu ver schiedenen zweiten Durchgängen gehören, stehen mit den Entleerungsbüchsen 83, 83′, 83′′ für das Naturgas in Verbindung.
- Drei Durchgänge 3, die parallel zueinander angeordnet sind und nachfolgend als die dritten Durchgänge be zeichnet werden, jeweils zwischen den Metallplatten 103 und 104, 107 und 108, 111 und 112 angeordnet und in Fig. 7 dargestellt sind. Diese drei Durchgänge 3 bilden insgesamt einen dritten Kältekreis für die Zir kulation des zu erwärmenden Kältemittels (drittes Fluid) längs eines Teils des Wärmetauschers 58, und zwar un ter Verdampfungsdruck. Jeder dritte Durchgang, bei spielsweise derjenige zwischen den Metallplatten 107 und 108, steht in Wärmeaustausch zugleich mit einem ersten Durchgang 1 und einem zweiten Durchgang 2. Das Dichtmittel 59, welches jedem dritten Durchgang zugeord net ist, gibt an seinen zwei Enden jeweils einen Ein gang 31 für das zu erwärmende Kühlmittel unter dem Ver dampfungsdruck bzw. einen Ausgang 32 für das erwärmte Kühlmittel frei. Jeder Durchgang 3 ist mit einer Aus kleidung 84 gefüllt, die grundsätzlich oder nur längs des Wärmetauschers 58 durchlässig ist und aus Wellblech besteht, wobei die Auskleidung 84 beidseitig ihrer Länge einerseits begrenzt ist durch drei Wellblechabschnitte 85, 86 und 87 , die der Verteilung des zu erwärmenden Kältemittels unter dem Verdampfungsdruck dienen, und andererseits durch zwei Wellblechabschnitte 88 und 89, welche der Sammlung des erwärmten Kältemittels dienen. Die Eingänge 31 der verschiedenen dritten Durchgänge 3 stehen mit ein und derselben Einführbüchse 90 für zu erwärmendes Kältemittel in Verbindung, während die Aus gänge 32 der verschiedenen dritten Durchgänge 3 mit ein und derselben Entleerungsbüchse 93 des gekühlten Kälte mittels in Verbindung stehen.
- Sieben Durchgänge 4 a, die jeweils zwischen den Metall platten 101 und 102, 103 und 104, 105 und 106, 107 und 108, 109 und 110, 111 und 112, 113 und 114 angeordnet sind und nachfolgend als vierte Durchgänge bezeichnet werden. Sieben Durchgänge 4 b, die jeweils zwischen den selben Platten wie vorstehend erläutert angeordnet sind, werden nachfolgend vierte Ergänzungsdurchgänge genannt. Die sieben Durchgänge 4 c, die jeweils zwischen densel ben Platten angeordnet sind, wie vorstehend beschrieben, werden die zusätzlichen vierten Durchgänge genannt. Je der vierte Durchgang 4 a, z. B. der zwischen den Platten 105 und 106, steht in Wärmeaustausch zugleich mit einem ersten Durchgang 1 und einem zweiten Durchgang 2, und es ist derselbe für jeden vierten Ergänzungsdurchgang 4 b und jeden vierten Zusatzdurchgang 4 c. Die sieben Durch gänge 4 a, die sieben Ergänzungsdurchgänge 4 b und die sieben Zusatzdurchgänge 4 c bilden jeweils einen vierten Kältekreis, einen vierten Ergänzungskältekreis und einen vierten Zusatzkältekreis, die alle drei für die Aufnahme des Hilfskühlmittels (Propan) in flüssiger zu erwärmen der Form bestimmt sind, und zwar genauer gesagt bei der Verdampfung des genannten Kältemittels jeweils unter dem unter Druck (Hilfskühlmittel oder viertes Fluid), dem Zwischendruck (Hilfs-Ergänzungskühlmittel oder viertes Ergänzungsfluid), dem zweiten Zwischendruck (Zusatzhilfs kühlmittel oder viertes Zusatzfluid) in gekreuzter Strö mung des Kältemittels und des zu kühlenden Naturgases. Die Dichteinrichtung 59, die zu den drei vierten Durch gängen 4 a, 4 b, 4 c gehören, gibt an ihren zwei Enden einer seits erste Öffnungen oder Eingänge 41 a, 41 b, 41 c und andererseits zweite Öffnungen oder Ausgänge 42 a, 42 b bzw. 42 c frei. Jeder vierte Durchgang 4 a, 4 b, 4 c ist eingerichtet für die Aufnahme des Hilfskühlmittels (viertes Fluid) längs der Breite des Wärmetauschers 58 und weist zu diesem Zweck (vgl. Fig. 5 und 7) eine Aus kleidung 94 a, 94 b oder 94 c auf, die grundsätzlich oder nur längs der Breite des Wärmetauschers 58 durchlässig ist. Die genannte Auskleidung besteht aus Wellblech, welches über dem ganzen Bereich vorgesehen ist und zwar zwischen den Sammel- und Verteilereinrichtungen außen am Wärmetauscher 58. Die Eingänge 41 a, 51 b, 41 c stehen alle mit den Einführbüchsen für das Hilfskühlmittel 96 a, 96 b bzw. 96 c in Verbindung, während die Ausgänge 42 a, 42 b und 42 c alle mit den Entleerungsbüchsen des Hilfskühlmittels 85 a, 95 b, 95 c in Verbindung stehen.
- Vier Durchgänge 5, die nachfolgend die fünften Durch gänge genannt werden, sind jeweils zwischen den Plat ten 101 und 102, 105 und 106, 109 und 110, 113 und 114 angeordnet und in Fig. 5 gezeigt. Die vier Durchgänge 5 bilden zusammen einen fünften Kältekreis, der für die Zirkulation des zu erwärmenden Kältemittels längs eines Teils des Wärmetauschers 58 unter dem niedrigen Druck (fünftes Fluid) bestimmt ist, und zwar in Gegenstrom zu den Kältemitteln und dem zu kühlenden Naturgas sowie im Gleichstrom zu dem unter dem Verdampfungsdruck zu er wärmenden Kältemittel. Jeder fünfte Durchgang 5, z. B. der zwischen den Platten 105 und 106, steht in Wärme austausch mit einem ersten Durchgang 1 und einem zweiten Durchgang 2. Die Dichteinrichtung 59, die zu dem fünf ten Durchgang gehört, gibt an ihren zwei Enden jeweils einen Eingang 51 für das unter dem niedrigen Druck zu erwärmende Kältemittel und einen Ausgang 52 für das er wärmte Kältemittel frei. Jeder fünfte Durchgang 5 ist mit einer grundsätzlich oder nur in Längsrichtung des Wärmetauschers 58 durchlässigen Auskleidung 97 gefüllt, die aus Wellblech besteht und beiderseits ihrer Länge einerseits durch zwei Wellblechabschnitte 98 und 99 be grenzt ist, die der Verteilung des unter dem niedrigen Druck zu erwärmenden Kältemittels dienen, und anderer seits durch zwei Wellblechabschnitte 100 und 115, die dem Sammeln des unter dem niedrigen Druck zu erwärmenden Kältemittels dienen. Die Eingänge 51 der verschiedenen Durchgänge 5 stehen mit ein und derselben Einführbüchse 116 für das Kältemittel unter dem niedrigen Druck in Verbindung, während die Ausgänge 52 der verschiedenen fünften Durchgänge 5 mit ein und derselben Büchse 117 für die Entnahme des Kältemittels unter dem niedrigen Druck in Verbindung stehen.
- Eine Zweiphasenverteilungsvorrichtung 118, mit welcher die Dampf- und Flüssigkeitsphase des Kältemittels unter dem Niederdruck gleichmäßig verteilt werden kann, und zwar zwischen den verschiedenen fünften Durchgängen 5 des Wärmetauschers 58. Diese Vorrichtung 118 ist den Eingängen 51 aller Durchgänge 5 zugeordnet und weist einerseits eine Trenneinrichtung 119 auf, mit welcher die Gasphase und die flüssige Phase des Kältemittels unter dem Niederdruck getrennt werden können, und weist andererseits einen Verteiler 120 auf (siehe Fig. 5), mit dem die Dampfphase des genannten Kältemittels auf die verschiedenen Eingänge 51 regelmäßig verteilt wer den kann. Der Zweiphaseneingang der Trenneinrichtung 119 steht mit dem Ausgang der zweiten Entspannungsein richtung 48 in Verbindung, während der Flüssigausgang und der Dampfausgang derselben Trenneinrichtung 119 jeweils mit der Einführbüchse 116 und dem Verteiler 120 des Gases in Verbindung stehen.

Im übrigen weist der Wärmetauscher 58 die besonderen fol genden Eigenschaften auf:

- Wie in Fig. 7 dargestellt ist, erstrecken sich die dritten Durchgänge 3 in der Breite des Wärmetauschers 58, ausgehend vom Eingangsanschluß 31 nur auf einem Teil der Länge des Wärmetauschers 58, und mindestens ein vierter Durchgang 4 a neben dem Durchgang 3 erstreckt sich längs des Wärmetauschers 58 auf einem anderen Teil der Länge des Wärmetauschers 58. Eine Quertrennwand 121 trennt die zwei Durchgänge 3 und 4 a.
- Wie in Fig. 5 dargestellt ist, erstrecken sich die fünften Durchgänge 5 in der Länge des Wärmetauschers 58, ausgehend vom Eingangsanschluß 51 nur auf einem Teil der Länge des Wärmetauschers 58, und andererseits er streckt sich mindestens ein vierter Durchgang 4 a neben einem Durchgang 5 längs des Wärmetauschers 58 auf einen anderen Teil der Länge des Wärmetauschers 58. Eine Quer trennwand 122 trennt zwei Durchgänge 5 und 4 a. In jedem fünften Durchgang 5 ist eine Auskleidung 123 zwischen der Trennwand 122 und den Abschnitten 100 und 115 der art angeordnet, daß die mechanische Kohäsion des Wärme tauschers 58 sichergestellt ist.
- Die Durchgänge 4 b und 4 c erstrecken sich jeweils in der Länge des Wärmetauschers 58 auf einem Ergänzungsteil und einem Restteil der Länge des Wärmetauschers 58, und zwei Trennwände 124 und 125 trennen jeweils den Durch gang 4 a des Hilfsdurchganges 4 b und den letzteren vom Zusatzdurchgang 4 c.

Folglich wird nun aus der Darstellung der Fig. 1 ersicht lich:

- Der Kältekreis 36 des Kältemittels unter dem höheren Druck entspricht dem ersten Kältekreis (erste Durch gänge 1) des Wärmetauschers 58.
- Der Kältekreis 37 des Naturgases entspricht dem zwei ten Kältekreis (zweite Durchgänge 2) des Wärmetauschers 58.
- Der Kältekreis 45 für die Erwärmung des Kältemittels unter dem Verdampfungsdruck entspricht dem dritten Käl tekreis (dritte Durchgänge 3) des Wärmetauschers 58.
- Die drei Kältekreise oder Verdampfungsdurchgänge 33 a, 33 b und 33 c entsprechen jeweils dem vierten Kältekreis (vierte Durchgänge 4 a) des Wärmetauschers 58, dem vier ten Ergänzungskältekreis (vierte Ergänzungsdurchgänge 4 b) des Wärmetauschers 58 bzw. dem vierten Zusatzkäl tekreis (vierte Zusatzdurchgänge 4 c) des Wärmetauschers 58.
- Der Kältekreis oder Erwärmungsdurchgang 46 des Kälte mittels unter dem Niederdruck entspricht dem fünften Kältekreis (fünfte Durchgänge 5) des Wärmetauschers 58.

Von der Anordnung der Durchgänge innerhalb des Wärmetau schers 58 ergibt sich folgendes:

- Der Kältekreis oder Kühldurchgang 36 des Kältemittels steht in dauerndem Wärmeaustausch zuerst mit drei Durch gängen oder aufeinanderfolgenden Verdampfungskreisen 33 c, 33 b und 33 a des Hilfskühlmittels, dann zugleich mit den Durchgängen oder Erwärmungskreisen 45 und 46 des Kältemittels, und zwar jeweils unter dem Verdampfungs druck und dem niedrigen Druck.
- Die Erwärmungsdurchgänge 45 und 46 des Kältemittels stehen in Wärmeaustausch zugleich mit dem Durchgang 36 des Kälte mittels und dem Durchgang 37 des Naturgases.

Die somit beschriebene Kühlanlage erlaubt die Verwendung des nachfolgend beschriebenen Kühlverfahrens, welches aus einer Reihenfolge von mindestens zwei Kühlkreisläufen 13 und 14 besteht, die thermisch einander in Kaskaden zugeord net sind.

Gemäß dem ersten Vorkühlkreislauf 13 gilt hinsichtlich des Kreislaufes und der Reihenfolge:

- In dem ersten Kompressor 15 komprimiert man 334,500 Nm³/h Propan (Hilfskühlmittel) bei einem hohen Druck von 14,1 at absolut (ata).
- In dem Kondensator 10 kondensiert man das komprimierte Propan durch Wärmeaustausch mit dem Wasser (äußeres Kühl mittel) derart, daß die am Ausgang des erwähnten Konden sators erreichte Temperatur in der Größenordnung von 32°C liegt.
- Infolge der drei Entspannungseinrichtungen 24, 25 und 26 entspannt man in Reihe das kondensierte Kältemittel, und zwar jeweils auf den unteren Druck (1,4 ata), auf den er sten Zwischendruck (2,87 ata) und auf den zweiten Zwi schendruck (6,52 ata), wie oben definiert.
- In den Verdampfungskreisen 33 a, 33 b und 33 c verdampft man jeweils unter dem unteren Druck, dem ersten Zwischendruck und dem zweiten Zwischendruck jeweils einen ersten Anteil (92 500 Nm³/h) bei der Temperatur von -34°C, einen zwei ten Anteil (145 500 Nm³/h) bei der Temperatur von -15°C und einen dritten Anteil (96 500 Nm³/h) des entspannten Kältemittels bei der Temperatur von 11°C und dies durch Wärmeaustausch bei Überkreuzstrom mit dem Kältemittel des zweiten Kühlkreislaufes 14 und des Naturgases im Verlaufe der Kühlung im Kreislauf 36 bzw. 37.
- Durch Ansaugen an den Eingängen 17, 18 und 19 des ersten Kompressors 15 komprimiert man wieder die drei verdampf ten, oben definierten Propananteile auf den hohen Druck.

Gemäß dem zweiten Kühlkreislauf gilt im Hinblick auf den Kreislauf und auf die Folge:

- Durch den Kompressor 37 komprimiert man auf den höheren Druck von 38,2 ata ein Kältemittel mit 33,5 Volumen-% Methan, 33,5 Volumen-% Äthan, 10 Volumen-% Propan, 1 Vo lumen-% Butan und 20 Volumen-% Stickstoff. Das somit kom primierte Kältemittel, nämlich 470 000 Nm³/h, wird (ohne Kondensation, sogar ohne teilweise Kondensation) durch den Kondensator 20 auf eine Temperatur von 32°C gekühlt.
- Das somit komprimierte Kältemittel wird ohne Unterbrechung in dem Kühlkreislauf 36 auf -166°C gekühlt, zuerst durch Wärmeaustausch im Überkreuzstrom mit den drei Teilen des vorerwähnten Propans, hintereinander (im Sinne der Zirku lation des Kältemittels) im Verlauf der Verdampfung unter dem zweiten Zwischendruck bzw. dem ersten Zwischendruck und dem unteren Druck in den Verdampfungskreisen 33 c, 33 b und 33 a, dann durch Wärmeaustausch im Gegenstrom mit einem Teil und dem anderen Teil (wie nachfolgend beschrieben) des Kältemittels, welches jeweils in den Durchgängen 45 und 46 unter dem Verdampfungsdruck bzw. dem niedrigen Druck zirkuliert.
- Man entspannt einen Anteil und einen anderen Anteil des somit gekühlten Kältemittels mit Hilfe der Entspannungs einrichtung 47 bzw. 48 auf den Verdampfungsdruck bzw. den niedrigen Druck.
- Man erwärmt auf -33°C den Anteil (320 000 Nm³/h) des Kältemittels, der aus der Entspannungseinrichtung 47 kommt bzw. zwischen -33°C und -80°C den anderen Anteil (150 000 Nm³/h) desselben Kältemittels, welches aus der Entspannungseinrichtung 48 kommt, und zwar in dem Erwär mungsdurchgang 45 unter dem Verdampfungsdruck (5,5 ata) und in dem Erwärmungsdurchgang 46 unter dem Niederdruck (1,5 ata) durch Wärmeaustausch im Gegenstrom zugleich mit dem Kältemittel (welches in der Leitung 36 zirkuliert) und dem Naturgas (welches in der Leitung 37 zirkuliert) und setzt ihre Kühlung fort, nachdem sie im Wärmeaustausch mit dem Propan im Laufe der Verdampfung hindurchgeströmt sind.
- Durch den zweiten Kompressor 37 komprimiert man die zwei Anteile des Kältemittels wieder auf den höheren Druck, welche unter dem Verdampfungsdruck bzw. dem Niederdruck erwärmt sind.

Hinsichtlich des zweiten oder Hauptkühlkreislaufes 14 wird mindestens einer der folgenden Parameter, nämlich die Na tur der verschiedenen Bestandteile des Kältemittels, die je weiligen Prozentsätze der letzteren in der Zusammensetzung des Kältemittels, der höhere Förderdruck des Kompressor 37, der Saugdruck der zweiten Stufe 37 b der Kompression und der Saugdruck der ersten Kompressionsstufe 37 a, derart ausge wählt, daß folgendes gilt:

- Nach erfolgtem Wärmeaustausch in Überkreuzstrom mit dem Propan im Verlaufe der Verdampfung (unter drei verschie denen Drücken) erfolgt der Anfangsteil der nachfolgenden Kühlung des Kältemittels (im Durchgang 36 und folglich innerhalb verschiedener Durchgänge 1 des Wärmetauschers 58) und des Naturgases (im Durchgang 37 und folglich in nerhalb verschiedener Durchgänge 2 des Wärmetauschers 58), und zwar mit Hilfe der Zuführung von Hauptkälte, ausge hend von dem Anteil des Kältemittels, der im Durchgang 45 erwärmt ist (und folglich innerhalb verschiedener Durch gänge 3 des Wärmetauschers 58), und zwar unter dem genann ten Verdampfungsdruck, und andererseits mit Hilfe der Zu führung von sekundärer Kälte, ausgehend von dem anderen Anteil desselben Kältemittels, das im Durchgang 46 erwärmt ist (und folglich innerhalb verschiedener Durchgänge 5 des Wärmetauschers 58) und zwar unter dem genannten Nie derdruck.
- Die Endkühlung des Kältemittels und des Naturgases erfolgt einerseits mit Hilfe der Zuführung von Hauptkälte, aus gehend von dem anderen Anteil des Kältemittels, das im Durchgang 46 erwärmt ist (und folglich innerhalb verschie dener Durchgänge 5 des Wärmetauschers 58), und zwar unter dem Niederdruck und andererseits mit Hilfe der Zuführung von Sekundärkälte, ausgehend von dem Anteil des Kältemit tels, der im Durchgang 45 erwärmt ist (und folglich inner halb verschiedener Durchgänge 3 des Wärmetauschers 58), und zwar unter dem genannten Verdampfungsdruck.

Mit anderen Worten bedeutet die Betriebsbedingungen, die oben definiert wurden, folgendes:

- Der Anfang der Kühlung gemäß vorstehender Definition er folgt im wesentlichen durch Wärmeaustausch mit dem Anteil des Kältemittels im Verlaufe der Verdampfung unter dem Verdampfungsdruck, während die in Rede stehende Endküh lung im wesentlichen durch Wärmeaustausch mit dem anderen Anteil des Kältemittels im Verlaufde der Verdampfung unter dem Niederdruck erfolgt.
- Bei der in Rede stehenden Endkühlung wird das Kältemittel unterkühlt (in der Leitung 36), und zwar einerseits grund sätzlich durch Wärmeaustausch mit dem Kältemittel im Ver lauf der Verdampfung unter dem Niederdruck und anderer seits zusätzlich durch Wärmeaustausch mit dem Kältemit tel in flüssiger Form im Verlaufe der Erwärmung unter dem Verdampfungsdruck. Man erhält nach der Entspannung in den Ventilen 47 und 48 jeweils unter dem Verdampfungsdruck und dem Niederdruck das Kältemittel in unverfälscht flüs siger Form und dasselbe Mittel in der Form eines zweipha sigen Gemisches.

Wenn der Massendurchsatz des unter Verdampfungsdruck erwärm ten Anteils des Kältemittels im wesentlichen über dem Mas sendurchsatz des anderen Anteils des unter dem Niederdruck erwärmten Kältemittels liegt (diese Betriebsbedingung ist im vorliegenden Fall gegeben), ist das Problem der Vertei lung eines in den Wärmetauscher 58 eingeführten, zweiphasi gen Fluids auf einen relativ kleinen Anteil des Gesamtdurch satzes des Kältemittels beachtlich vereinfacht.

Verschiedene Modifikationen können bei der in Verbindung mit den Fig. 1 bis 10 oben beschriebenen Kühlanlage vorgese hen sein:

- Der Wärmetauscher 58 kann statt vertikal angeordneter Platten 101 bis 114 auch horizontal angeordnete aufwei sen.
- Entsprechend Fig. 11 weist der Wärmetauscher 58 zwei Teile 58 A und 58 B unterschiedlichen Aufbaues auf, die parallel zueinander liegen. Der erste Wärmetauscher 58 A weist ein fach mindestens einen ersten Durchgang 1, mindestens einen dritten Durchgang 3 A, mindestens einen vierten Durchgang 4 A und mindestens einen fünften Durchgang 5 A auf. Der zweite Wärmetauscher 58 B weist einfach mindestens einen zweiten Durchgang 2, mindestens einen dritten Durch gang 3 B, mindestens einen vierten Durchgang 4 B und minde stens einen fünften Durchgang 5 auf.

Wie vorstehend ausgeführt, richtet sich die Erfindung ins besondere auf die Verflüssigung von Gas oder Gasgemisch, insbesondere Naturgas, und zwar in großer oder kleiner Menge.

Claims

1. Plattenwärmetauscher zum Kühlen und Verflüssigen eines Gases, welches mittels eines Vorkühlkreislaufes (13; 4 a, 4 b, 4 c) vorgekühlt und anschließend mit Hilfe eines Hauptkühlkreislaufes (14; 1, 36) auf eine tiefe Tempe ratur abgekühlt wird, wobei die Fluiddurchgänge (1, 2, 3, 4 a, 4 b, 4 c, 5) für das abzukühlende Gas bzw. für die jeweiligen Kältemittel der Kältekreisläufe (13, 14) durch beabstandete Platten (101-114) des Wärmetau schers (58) gebildet sind, mit einem Kühler (58, 1, 36) für das zu kühlende Kältemittel des Hauptkühlkreislau fes (14), zweiten Durchgängen (2, 37; 2′, 37′; 2′′, 37′′) für das zu kühlende Gas, dritten Durchgängen (3, 45) für das zu erwärmende Kältemittel des Hauptkühlkreislaufes (14) und mit vierten Durchgängen (4 a, 4 b, 4 c, 33 a, 33 b, 33 c) für das zu erwärmende Kältemittel des Vorkühlkreis laufes (13), dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (58) aus einem Bauteil mit einem war men und einem kalten Abschnitt besteht, daß der Kühler erste Durchgänge (1, 36) im Plattenwärmetauscher (58) bildet, daß die dritten Durchgänge (3, 45) im kalten Abschnitt des Wärmetauschers (58), die vierten Durch gänge (4 a, 4 b, 4 c; 33 a, 33 b, 33 c) im warmen Abschnitt und beide Arten von Durchgängen jeweils zwischen gemein samen Plattenpaaren (103, 104; 107, 108; 111, 112) ange ordnet sind und daß am warmen und am kalten Abschnitt des Wärmetauschers (58) jeweils Anschlüsse (31, 54; 32, 56; 41 a, 41 b, 41 c; 34 a, 34 b, 34 c; 42 a, 42 b, 42 c) für die dritten bzw. vierten Durchgängen (3, 45, 4 a, 4 b, 4 c; 33 a, 33 b, 33 c) zum Abziehen des angewärmten Kältemittels des Vor- (13) bzw. Hauptkühlkreislaufes (14) vorhanden sind.

2. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die dritten (3 A; 45 A) und vierten Durch gänge (4 aA, 4 bA, 4 cA; 33 aA, 33 bA, 33 cA) auf zwei Plat tenwärmetauscher (58 A, 58 B) aufgeteilt sind, von denen der eine Wärmetauscher (58 A) die ersten Durchgänge (1, 36) und der andere Wärmetauscher (58 B) die zweiten Durchgänge (2, 37; 2′, 37′; 2′′, 37′′) enthält (Fig. 17).

3. Plattenwärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß die vierten Durchgänge (4 a, 4 b, 4 c; 33 a, 33 b, 33 c) im Kreuzstrom zu den ersten (1, 36) und zwei ten Durchgängen (2, 37; 2′, 37′; 2′′, 37′′) geschaltet sind (Fig. 1).

4. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vierten Durchgänge (4 a, 4 b, 4 c; 33 a, 33 b, 33 c) aus einer Mehrzahl von Abschnitten mit unterschiedlichen Kältmitteltemperaturen bestehen (Fig. 1).

5. Plattenwärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dritten Durchgänge (3, 5) in zwei parallele Durchgänge (45, 46) mit unterschied lichen Kältemitteldrücken aufgeteilt sind (Fig. 1).

6. Plattenwärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel des Hauptkühlkreislaufes ein Gemisch ist (Fig. 1).