DE60111087T2 - Vorrichtung zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas - Google Patents

Vorrichtung zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf den kryogenischen Wärmeaustausch für die Verflüssigung Industriegase. Ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verflüssigen von Industriegas ähnlich zu dieser Erfindung sind aus EP-A-0 583 189 bekannt. Dieses Dokument spezifiziert jedoch nicht die Struktur des Wärmetauschers, der bei der Durchführung des Verfahrens zu verwenden ist.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Verflüssigung von Gasen mit niedrigem Siedepunkt wie z.B. Sauerstoff und Stickstoff ist sowohl kapital- wie energieintensiv. In der Praxis ist die Angelegenheit einer Verbesserung der Leistung typischerweise durch die Verwendung von mehreren Turbinen und der Verwendung von Flüssigkeitsexpandern erfolgt. Im Allgemeinen werden die mit diesen Systemen verwendeten Wärmetauscher aufgrund hydraulischer Verfahrenseffekte in der vertikalen Ebene ausgerichtet. Diese konventionelle Praxis führt zu langen Rohrstrecken mit großem Durchmesser aufweisenden Warmdendleitungen und erfordert weiterhin die Verwendung von signifikanter Stellfläche für die Nachkühler-Wärmetauscher und ihre Rohrleitungen.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Verflüssigungssystems für Industriegas mit einem verbesserten Entwurf und niedrigeren Kosten, als dies bei konventionellen Verflüssigungssystemen für Industriegas der Fall ist.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die obige Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt in einem Verfahren zum Verflüssigen eines Industriegases besteht, bei welchem:
    • (A) Industriegas verdichtet wird, um verdichtetes Industriegas zu erzeugen und ferner ein Teil des verdichteten Industriegases weiter verdichtet wird, um einen verdichteten ersten Industriegasteil und einen weiter verdichteten zweiten Industriegasteil zu erzeugen;
    • (B) der erste Industriegasteil gekühlt wird, der gekühlte erste Industriegasteil turboexpandiert wird und der turboexpandierte erste Industriegasteil durch einen indirekten Wärmeaustausch mit horizontaler Gegenströmung mit dem weiter verdichteten zweiten Industriegasteil erwärmt wird, um den weiter verdichteten zweiten Industriegasteil zu kühlen;
    • (C) der gekühlte zweite Industriegasteil in einen ersten Teil und einen zweiten Teil aufgeteilt wird, der erste Teil turboexpandiert wird und der turboexpandierte erste Teil durch indirekten Wärmeaustausch mit den zweiten Teil des gekühlten zweiten Industriegasteils in einem vertikalen Strom erwärmt wird, um den zweiten Teil zu verflüssigen; und
    • (D) der verflüssigte zweite Industriegasteil als verflüssigtes Industriegasprodukt gewonnen wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht in einer Vorrichtung zum Verflüssigen eines Industriegases, versehen mit:
    • (A) einem Wärmetauscher mit horizontal ausgerichteten Wärmetauscherdurchlässen sowie mit vertikal ausgerichteten Wärmetauscherdurchlässen, die in Strömungsverbindung mit den horizontal ausgerichteten Wärmetauscherdurchlässen stehen;
    • (B) einem ersten Verdichtungssystem, einem zweiten Verdichtungssystem, einer Anordnung zum Überleiten von Industriegas zu dem ersten Verdichtungssystem sowie von dem ersten Verdichtungssystem zu einem horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers, und einer Anordnung zum Überleiten von Industriegas von dem ersten Verdichtungssystem zu dem zweiten Verdichtungssystem und von dem zweiten Verdichtungssystem zu einem horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers;
    • (C) einem ersten Turboexpander, einem zweiten Turboexpander, einer Anordnung zum Überleiten von Industriegas von einem horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers zu dem ersten Turboexpander und von dem ersten Turboexpander zu einem anderen horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers, und einer Anordnung zum Überleiten von Industriegas von dem Wärmetauscher zu dem zweiten Turboexpander und von dem zweiten Turboexpander zu entweder einem vertikal ausgerichteten Durchlass oder zu einem horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers; und
    • (D) einer Anordnung zum Gewinnen von verflüssigtem Industriegas von einem vertikal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" das Verbringen von zwei Fluiden in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeglichen physikalischen Kontakt der Fluide oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kompressor" eine Anordnung, die bei einem bestimmten Druck vorliegendes gasförmiges Fluid aufnimmt und es bei einem höheren Druckpegel ablässt.
  • Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe "Turboexpansion" und "Turboexpander" ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für das Durchströmen von Hochdruckgas durch eine Turbine zur Reduzierung des Drucks und der Temperatur des Gases, wodurch Kälte erzeugt wird.
  • Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe "Unterkühlen" und "Unterkühler" ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Kühlen einer Flüssigkeit auf eine Temperatur, die niedriger als die Sättigungstemperatur der Flüssigkeit für den vorliegenden Druck ist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Industriegas" ein Fluid, das hauptsächlich aus Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Erdgas und/oder aus einem oder mehreren anderen Kohlenwasserstoffen besteht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • Die einzige Figur ist eine vereinfachte schematische Darstellung einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Tieftemperatur-Industriegasverflüssigungssystems dieser Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben werden. Nun auf die Figur Bezug nehmend wird ein Industriegas 1 wie z.B. Stickstoff, das im allgemeinen einen Druck von bis zu etwa 1,38·105 Pa (20 pound pro Quadratinch absolut (psia)) aufweist und z.B. von einer Luftzerlegungsanlage stammt, zu einem ersten Verdichtungssystem geleitet, das einen Einsatzkompressor 2 und einen Umwälzkompressor 3 aufweist. In der in der Figur dargestellten Ausführungsform wird der Industriegaseinsatzstrom 1 mit einem Umwälzstrom 4 kombiniert, um einen kombinierten Strom 5 auszubilden, der in den Einsatzkompressor 2 geführt wird.
  • In dem Einsatzkompressor 2 wird der Industriegaseinsatz auf einen Druck verdichtet, der im Allgemeinen in dem Bereich von 3,45·105 Pa bis 5,86·105 Pa (50 bis 85 psia) liegt, und die Kompressionswärme eines sich ergebenden Industriegasstroms 6 wird in einem Kühler 7 abgeführt. Ein resultierender Industriegasstrom 8 wird zu dem Umwälzkompressor 3 des ersten Verdichtungssystems geleitet. In der in der Figur dargestellten Ausführungsform der Erfindung werden ein Rücklaufstrom 9 mit mittlerem Druck, ein zusätzlicher Strom 10 von der Luftzerlegungsanlage und ein Umwälzstrom 11 von dem Kompressor 3 alle in den Industriegasstrom 8 geführt, um einen Industriegasstrom 12 auszubilden, der in den Umwälzkompressor 3 eingeleitet wird.
  • In dem Umwälzkompressor 3 wird das Industriegas in dem Strom 12 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 13,1·105 Pa bis 26,2·105 Pa (190 bis 380 psia) liegt, um einen verdichteten Industriegasstrom 13 auszubilden. Die Kompressionswärme wird von dem Strom 13 mittels Durchleiten durch einen Kühler 14 abgeführt und ein sich ergebender verdichteter Industriegasstrom 15 wird in einen ersten Teil 16 und in einen zweiten Teil 17 aufgeteilt.
  • Ein Wärmetauscher 18 weist vier Zonen auf, die in der Figur als Zonen 1, 2, 3 und 4 angegeben sind. Die Wärmetauscherproduktdurchlässe in der Zone 1 sind vertikal und die Wärmetauscherdurchlässe in den Zonen 2, 3 und 4 sind horizontal ausgerichtet. Vorzugsweise sind in der Zone 1 alle Wärmetauscherdurchlässe vertikal ausgerichtet. Allerdings kann die Erfindung auch mit horizontal angeordneten Trennplatten und einer Querströmungsausrichtung angewendet werden, sodass die Rücklaufströme in der Zone 1 horizontal und der Produktstrom vertikal ausgerichtet sind. Für den Fachmann versteht sich, dass kleine Abweichungen von der absoluten Vertikalen bzw. Horizontalen in der Praxis dieser Erfindung vorliegen können, ohne die Effektivität der Erfindung übermäßig zu beeinträchtigen.
  • Der erste verdichtete Industriegasteil 16 wird durch einen Eintritt eines horizontalen Wärmetauscherdurchlasses in der Zone 4 eingespeist und mittels Durchströmen durch diesen Durchlass gekühlt, um den ersten verdichteten Industriegasteil auszubilden, der in einem Strom 19 von der Zone 4 des Wärmetauschers 18 abgezogen wird. Der gekühlte erste Industriegasteil in dem Strom 19 wird mittels Durchleiten durch einen warmen bzw. ersten Turboexpander 20 turboexpandiert und ein sich ergebender turboexpandierter erster Industriegasteil 21 wird mittels Durchleiten durch die Zonen 3 und 4 des Wärmetauschers 18 erwärmt und tritt aus ihnen als der oben erwähnte Rücklaufstrom 9 aus.
  • Der verdichtete zweite Industriegasteil 17 wird mittels Durchleiten durch ein zweites Verdichtungssystem weiter verdichtet, das wie in der in der Figur dargestellten Ausführungsform einen warmen Boosterkompressor 22 und einen kalten Boosterkompressor 23 aufweist. Der Strom 17 wird mittels Durchleiten durch den Kompressor 22 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 20,68·105 Pa bis 87,23·105 Pa (300 bis 540 psia) liegt, und die Kompressionswärme eines sich ergebenden Industriegasstroms 24 wird mittels Durchleiten durch einen Kühler 25 abgeführt. Ein resultierender Strom 26 wird mittels Durchleiten durch den Kompressor 23 auf einen Druck verdichtet, der im Allgemeinen in dem Bereich von 31,03·105 Pa bis 52,40·105 Pa (450 bis 760 psia) liegt, und tritt aus ihm in einem Strom 27 als ein weiter verdichteter zweiter Industriegasteil aus. Die Kompressionswärme des weiter verdichteten zweiten Industriegasteils 27 wird mittels Durchleiten durch einen Kühler 28 abgeführt und der sich ergebende weiter verdichtete zweite Industriegasteil wird in einem Strom 29 in einen horizontalen Wärmetauscherdurchlass in der Zone 4 des Wärmetauschers 18 eingeleitet.
  • Der weiter verdichtete zweite Industriegasteil wird mittels Durchleiten durch die Zonen 4, 3 und 2 des Wärmetauschers 18 durch den indirekten Wärmeaustausch mit in Gegenströmung fließenden sich erwärmenden Strömen wie z.B. dem Strom 21 gekühlt, was oben beschrieben wurde, um den gekühlten zweiten Industriegasteil auszubilden. Ein erster Teil von ihm wird von dem Wärmetauscher 18 in einem Strom 30 abgezogen und zu dem kalten oder zweiten Turboexpander 31 übergeleitet. Der Strom 30 wird mittels Durchleiten durch einen Turboexpander 31 turboexpandiert und ein resultierender turboexpandierter Strom 32 wird in einen vorzugsweise vertikal ausgerichteten Wärmetauscherdurchlass in der Zone 1 des Wärmetauschers 18 eingespeist.
  • Der restliche bzw. zweite Teil des gekühlten zweiten Industriegasteils wird durch die Zone 1 des Wärmetauschers 18 nach unten und vorzugsweise in Gegenströmung zu den nach oben fließenden Strömen wie z.B. dem oben genannten Strom 32 geleitet und mittels indirektem Wärmeaustausch mit ihm verflüssigt, um in einem Strom 33 den verflüssigten zweiten Industriegasteil auszubilden. Wie in der Figur dargestellt ist strömt der Strom 32 nach dem Wärmeaustausch mit dem gekühlten zweiten Industriegasteil horizontal durch die Zone 2 des Wärmetauschers 18 und kombiniert sich anschließend mit dem Strom 21, um weiter durch die Zonen 3 und 4 des Wärmetauschers 18 geleitet zu werden, bevor er als der weiter oben beschriebene Strom 9 austritt.
  • Der Strom 33 kann als verflüssigtes Industriegasprodukt gewonnen werden. Die Figur stellt eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dar, in welcher der Strom 33 vorgängig vor der Gewinnung unterkühlt wird. Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Strom 33, der in Abhängigkeit von seiner Zusammensetzung und seinem Druck eine Flüssigkeit oder eine Pseudoflüssigkeit sein kann, durch ein Ventil 34 auf einen Druck gedrosselt, der im allgemeinen in dem Bereich von 80 bis 120 psia liegt, und ein sich ergebender Strom 35 wird mittels Durchleiten durch einen Unterkühler 36 unterkühlt, aus dem er als unterkühlter Strom 37 abgezogen wird und wobei ein Teil davon bzw. der gesamte Strom in einem Strom 38 als verflüssigtes Industriegasprodukt gewonnen wird. In der in der Figur illustrierten Ausführungsform wird nicht der gesamte Strom 37 direkt gewonnen, sondern stattdessen wird ein Strom 39 von dem Strom 37 durch ein Ventil 40 auf einen Druck gedrosselt, der typischerweise in dem Bereich von 16 bis 19 psia liegt, und als Strom 41 durch den Unterkühler 36 geführt, wo er durch indirekten Wärmeaustausch erwärmt wird, um die Unterkühlung des Stroms 35 zu bewerkstelligen.
  • Ein resultierender Strom 42 wird von dem Unterkühler 36 zu dem Wärmetauscher 18 geleitet und mittels Durchleiten durch den Wärmetauscher 18 vorzugsweise durch indirekten Wärmeaustausch in Gegenströmung mit den oben erwähnten kühlenden oder kondensierenden Strömen erwärmt. Der Strom 42 strömt in der Zone 1 des Wärmetauschers 18 nach oben und horizontal durch die Zonen 2, 3 und 4 des Wärmetauschers 18, woraus er als warmer Strom 43 austritt, der wiederum durch ein Ventil 44 geführt wird, um wie oben beschrieben den Umwälzstrom 4 auszubilden.
  • Mit der Verwendung eines indirekten Wärmeaustauschs mit horizontaler Gegenströmung in den sensiblen Wärmeaustauschzonen und eines Wärmeaustauschs mit vertikaler Gegenströmung in der kondensierenden Zone des Verflüssigerwärmetauschers wird eine effizientere Industriegasverflüssigung bewerkstelligt. Es können kürzere Rohrleitungsstrecken verwendet werden, die zu den Einheitsoperationen außerhalb der Kaltboxpackung verlaufen, und der Ausrüstungsentwurf wird erleichtert. Der sensible Wärmeaustausch wird maximiert, während zugleich die Fluidverteilung insbesondere in der kondensierenden Zone erleichtert wird.
  • Obwohl die Erfindung ausführlich mit Bezug auf eine besonders bevorzugte Ausführungsform beschrieben wurde, könnte auch eine parallele Turbinenanordnung zur Durchführung der Erfindung benutzt werden.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Industriegases, bei welchem: (A) Industriegas verdichtet wird (2, 3), um verdichtetes Industriegas (13) zu erzeugen und ferner ein Teil des verdichteten Industriegases (17) weiter verdichtet wird (22, 23), um einen verdichteten ersten Industriegasteil (16) und einen weiter verdichteten zweiten Industriegasteil (27) zu erzeugen; (B) der erste Industriegasteil (16) gekühlt wird, der gekühlte erste Industriegasteil (19) turboexpandiert wird (20) und der turboexpandierte erste Industriegasteil (21) durch einen indirekten Wärmeaustausch mit horizontaler Gegenströmung mit dem weiter verdichteten zweiten Industriegasteil (29) erwärmt wird, um den weiter verdichteten zweiten Industriegasteil zu kühlen; (C) der gekühlte zweite Industriegasteil in einen ersten Teil (30) und einen zweiten Teil (33) aufgeteilt wird, der erste Teil turboexpandiert wird (31) und der turboexpandierte erste Teil (32) durch indirekten Wärmeaustausch mit den zweiten Teil des gekühlten zweiten Industriegasteils in einem vertikalen Strom erwärmt wird, um den zweiten Teil zu verflüssigen; und (D) der verflüssigte zweite Industriegasteil als verflüssigtes Industriegasprodukt (38) gewonnen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der verflüssigte zweite Teil (35) unterkühlt wird (36), bevor er als verflüssigtes Industriegasprodukt (38) gewonnen wird.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 2, bei welchem ein Teilstrom des unterkühlten verflüssigten zweiten Teils druckvermindert wird (40) und dann durch indirekten Wärmeaustausch erwärmt wird (36), um das Unterkühlen des verflüssigten zweiten Teils auszuführen.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 3, bei welchem der sich ergebende erwärmte Teilstrom (42) durch einen in vertikalem Gegenstrom mit dem gekühlten zweiten Industriegasteil erfolgenden indirekten Wärmeaustausch (18) weiter erwärmt wird, um die Verflüssigung des zweiten Teils zu unterstützen.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 4, bei welchem der sich ergebende weiter erwärmte Teilstrom durch einen in horizontalem Gegenstrom mit dem weiter verdichteten zweiten Industriegasteil erfolgenden indirekten Wärmeaustausch weiter erwärmt wird, um das Abkühlen des zweiten Industriegasteils zu unterstützen.
  6. Vorrichtung zum Verflüssigen eines Industriegases, versehen mit: (A) einem Wärmetauscher (18) mit horizontal ausgerichteten Wärmetauscherdurchlässen sowie mit vertikal ausgerichteten Wärmetauscherdurchlässen, die in Strömungsverbindung mit den horizontal ausgerichteten Wärmetauscherdurchlässen stehen; (B) einem ersten Verdichtungssystem (2, 3), einem zweiten Verdichtungssystem (22, 23), einer Anordnung zum Überleiten von Industriegas zu dem ersten Verdichtungssystem (1) sowie von dem ersten Verdichtungssystem zu einem horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers, und einer Anordnung (17) zum Überleiten von Industriegas von dem ersten Verdichtungssystem zu dem zweiten Verdichtungssystem und von dem zweiten Verdichtungssystem zu einem horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers (18); (C) einem ersten Turboexpander (20), einem zweiten Turboexpander (31), einer Anordnung (19) zum Überleiten von Industriegas von einem horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers zu dem ersten Turboexpander und von dem ersten Turboexpander zu einem anderen horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers, und einer Anordnung (30) zum Überleiten von Industriegas von dem Wärmetauscher zu dem zweiten Turboexpander und von dem zweiten Turboexpander zu entweder einem vertikal ausgerichteten Durchlass oder zu einem horizontal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers; und (D) einer Anordnung (35, 36, 37, 38) zum Gewinnen von verflüssigtem Industriegas von einem vertikal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 6, ferner versehen mit einem Unterkühler (36), wobei die Anordnung zum Gewinnen von verflüssigtem Industriegas von einem vertikal ausgerichteten Durchlass des Wärmetauschers den Unterkühler umfasst.
  8. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, ferner versehen mit einem Drosselventil (40), einer Anordnung (39) zum Überleiten von verflüssigtem Industriegas von dem Unterkühler zu dem Drosselventil, und einer Anordnung (41) zum Überleiten von Fluid von dem Drosselventil zurück zu dem Unterkühler.
  9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, ferner versehen mit einer Anordnung (42) zum Überleiten von druckvermindertem verflüssigtem Industriegas von dem Unterkühler (36) zu dem Wärmetauscher.
  10. Vorrichtung gemäß Anspruch 6, ferner versehen mit einer Anordnung (9, 43) zum Überleiten von Fluid von dem Wärmetauscher zu dem ersten Verdichtungssystem.
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