DE69916224T2 - Hybridkältevorrichtung zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas - Google Patents

Hybridkältevorrichtung zur Tieftemperaturverflüssigung von Industriegas Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Tieftemperaturverflüssigung von industriellen Gasen und genauer auf die Bereitstellung von Kälte zur Durchführung der Tieftemperaturverflüssigung.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Die Verflüssigung von industriellen Gasen erfordert die Zufuhr von Kälte zum Kühlen und Verflüssigen des industriellen Gases. Typischerweise wird eine derartige Kälte durch die Turboexpansion eines Teils des industriellen Gasstroms mit einem nachfolgenden Wärmeaustausch des turboexpandierten Teils mit dem restlichen Teil des industriellen Gases bereitgestellt, um diesen restlichen Teils zu verflüssigen. Die Turboexpansion ist ein energieintensiver Schritt und insbesondere dann ziemlich kostspielig, wenn größere Mengen an Kälte erforderlich sind.
  • Ein Verfahren zum Verflüssigen eines industriellen Gases gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 ist aus WO 98/57 108 bekannt. Andere Verfahren zum Verflüssigen eines industriellen Gases sind aus US-3 690 114, EP-0 599 443 A1, EP-0 516 093 A1, US-A-5 702 632, WO 97/11 138 und US-A-5 779 931 bekannt.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung eines Systems zur Bereitstellung von Kälte zum Verflüssigen eines industriellen Gases, bei dem nicht die gesamte erforderliche Kälte zum Verflüssigen des Gases mittels Turboexpansion eines Teils des industriellen Gases erzeugt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die obigen und weitere Aufgaben, die sich für den Fachmann anhand dieser Beschreibung ergeben, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die in Anspruch 1 definiert ist.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "nicht toxisch" darauf, dass bei einer Handhabung gemäß akzeptablen Expositionsgrenzen keine akute oder andauernde Gefahr besteht.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "nicht entflammbar" darauf, dass entweder kein Flammpunkt oder ein sehr hoher Flammpunkt von mindestens 600°K vorliegt.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "nicht ozonabreichernd" darauf, dass ein Null betragendes ozonabreicherndes Potenzial vorliegt, d. h. dass keine Chlor-, Brom- oder Iodatome vorhanden sind.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Kühlmittel für veränderliche Last" auf ein Gemisch aus zwei oder mehreren Komponenten in solchen Anteilen, dass die Flüssigphase dieser Komponenten einer kontinuierlichen und ansteigenden Temperaturveränderung zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Gemisches unterzogen wird. Der Blasenpunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der das Gemisch vollständig in der Flüssigphase vorliegt, aber die Zufuhr von Wärme die Ausbildung einer sich im Gleichgewicht mit der Flüssigphase befindenden Dampfphase auslöst. Der Taupunkt des Gemisches ist diejenige Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei der sich das Gemisch vollständig in der Dampfphase befindet, aber eine Extraktion von Wärme eine im Gleichgewicht mit der Dampfphase befindliche Flüssigphase auslöst. Somit ist der Temperaturbereich zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt des Gemisches derjenige Bereich, in dem sowohl die Flüssig- wie die Dampfphasen im Gleichgewicht koexistieren. In der Praxis dieser Erfindung betragen die Temperaturunterschiede zwischen dem Blasenpunkt und dem Taupunkt für das Kühlmittel für veränderliche Last mindestens 10°K, vorzugsweise mindestens 20°K und am bevorzugtesten mindestens 50°K.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Fluorkarbon" auf eine der folgenden Verbindungen: Tetrafluormethan (CF4), Perfluorethan (C2F6), Perfluorpropan (C3F8), Perfluorbutan (C4F10), Perfluorpentan (C5F12), Perfluorethen (C2F4), Perfluorpropen (C3F6), Perfluorbuten (C4F8), Perfluorpenten (C5F10), Hexafluorcyclopropan (Cyclo-C3F6) und Octafluorcyclobutan (Cyclo-C4F8).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Fluorkohlenwasserstoff' auf eine der folgenden Verbindungen: Fluoroform (CHF3), Petrafluorethan (C2HF5), Tetrafluorethan (C2H2F4), Heptafluorpropan (C3HF7), Hexafluorpropan (C3H2F6), Pentafluorpropan (C3H3F5), Tetrafluorpropan (C3H4F4), Nonafluorbutan (C4HF9), Octafluorbutan (C4H2F8), Undecafluorpentan (C5HF11), Methylfluorid (CH3F), Difluormethan (CH2F2), Ethylfluorid (C2H5F), Difluorethan (C2H4F2), Trifluorethan (C2H3F3), Difluorethen (C2H2F2), Trifluorethen (C2HF3), Fluorethen (C2H3F), Pentafluorpropen (C3HF5), Tetrafluorpropen (C3H2F4), Trifluorpropen (C3H3F3), Difluorpropen (C3H4F2), Heptafluorbuten (C4HF7), Hexafluorbuten (C4H2F6) und Nonafluorpenten (C5HF9).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Fluorether" auf eine der folgenden Verbindungen: Trifluormethyoxy-Perfluormethan (CF3-O-CF3), Difluormethoxy-Perfluormethan (CHF2-O-CF3), Fluormethoxy-Perfluormethan (CH2F-O-CF3), Difluormethoxy-Difluormethan (CHF2-O-CHF2), Difluormethoxy-Perfluorethan (CHF2-O-C2F5), Difluormethoxy-1,2,2,2-Tetrafluorethan (CF3-O-C2H2F4), Difluormethoxy-1,1,2,2-Tetrafluorethan (CHF2-O-C2HF4), Perfluorethoxy-Fluormethan (C2F5-O-CH2F), Perfluormethoxy-1,1,2-Trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Perfluormethoxy-1,2,2-Trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Cyclo-1,1,2,2-Tetrafluorpropylether (Cyclo-C3H2F4-O-), Cyclo-1,1,3,3-Tetrafluorpropylether (Cyclo-C3H2F4-O), Perfluormethoxy-1,1,2,2-Tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Cyclo-1,1,2,3,3-Pentafluorpropylether (Cyclo-C3H5-O-), Perfluormethoxy-Perfluoraceton (CF3-O-CF2-O-CF3), Perfluormethoxy-Perfluorethan (CF3-O-C2F5), Perfluormethoxy-1,2,2,2-Tetrafluorethan (CF3-O-C2HF4), Perfluormethoxy-2,2,2-Trifluorethan (CF3-O-C2H2F3), Cyclo-Perfluormethoxy-Perfluoraceton (Cyclo-CF2-O-CF2-O-CF2-) und Cyclo-Perfluorpropylether (Cyclo-C3F6-O).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "atmosphärisches Gas" auf eines der folgenden Gase: Stickstoff (N2), Argon (Ar), Krypton (Kr), Xenon (Xe), Neon (Ne), Kohlendioxid (CO2), Sauerstoff (O2) und Helium (He).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "gering ozonabreichernd" auf ein ozonabreicherndes Potenzial von weniger als 0,15 gemäß der "Montreal Protocol Convention", wobei Dichlorfluormethan (CCl2F2) ein ozonabreicherndes Potenzial von 1,0 aufweist.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "normaler Siedepunkt" auf eine Siedetemperatur bei 1 Standardatmosphärendruck, d. h. 1,013 bar (14,696 pound pro inch2 absolut).
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" auf das Verbringen von Fluiden in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne irgendeinen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Expansion" auf die Bewirkung einer Druckreduktion.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Turboexpansion" und "Turboexpander" auf ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Durchfluss von Hochdruckfluid durch eine Turbine zur Reduzierung des Drucks und der Temperatur des Fluids, wodurch Kälte erzeugt wird.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "industrielles Gas" auf Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Wasserstoff, Helium, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid, Methan und Fluidgemische, die zwei oder mehrere dieser Stoffe enthalten.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "kryogene Temperatur" auf eine Temperatur von 150°K oder weniger.
  • Wie hier verwendet bezieht sich der Begriff "Kühlung" auf die Fähigkeit, Wärme von einem bei unter Umgebungstemperatur liegenden System an die umgebende Atmosphäre abzuführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform, die nicht von der Erfindung abgedeckt ist und wobei das mehrkomponentige Kühlmittel für eine Kühlung bei höherem Temperaturpegel und eine Turboexpansion des industriellen Gases eine Kühlung bei mit niedrigerem Temperaturpegel für die Verflüssigung bereitstellt.
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in der das mehrkomponentige Kühlmittel eine Kühlung bei niedrigerem Temperaturpegel und eine Turboexpansion des industriellen Gases eine Kühlung bei höherem Temperaturpegel für die Verflüssigung bereitstellt.
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform, die nicht von der Erfindung abgedeckt ist und wobei das mehrkomponentige Kühlmittel sowohl die Kühlung bei niedrigerem Temperaturpegel wie die Kühlung bei höherem Temperaturpegel für die Verflüssigung bereitstellt und wobei ein Teil der Kälte mittels Turboexpansion des mehrkomponentigen Kühlmittels zugeführt wird.
  • Ausführliche Beschreibung
  • In der Praxis dieser Erfindung wird eine Turboexpansion benutzt, um nur einen Teil der Kälte bereitzustellen, die über dem großen Temperaturbereich zum Verflüssigen eines industrielles Gases notwendig ist, wobei die restliche erforderliche Kälte durch ein mehrkomponentiges Kühlmittel zugeführt wird, das variable Mengen an Kälte über den erforderlichen Temperaturbereich hinweg bereitstellt, wodurch die gesamte Effizienz der Verflüssigung verbessert wird. Zusätzlich zu der hohen Effizienz besteht ein weiterer Vorteil darin, dass das mehrkomponentige Kühlmittel vorzugsweise nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd ist. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede der zwei oder mehreren Komponenten des Mehrkomponentenkühlmittel-Gemisches einen normalen Siedepunkt auf, der sich um mindestens 5° Kelvin von dem normalen Siedepunkt jeder anderen Komponente in dem Kühlmittelgemisch unterscheidet. Dies verbessert die Effizienz der Bereitstellung von Kälte über einen großen Temperaturbereich hinweg, der kryogene Temperaturen umfasst. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des Mehrkomponentenkühlmittel-Gemisches um mindestens 50° Kelvin höher als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des Mehrkomponentenkühlmittel-Gemisches.
  • Die Erfindung wird nun ausführlicher mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden. Nun auf 1, die von der Erfindung nicht abgedeckt ist, Bezug nehmend wird ein mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 80 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 33 auf einen Druck, der im allgemeinen in dem Bereich von 6,89 bis 68,9 bar (100 bis 1000 pound pro inch2 absolut (psia)) liegt, verdichtet. Ein verdichtetes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 81 wird von der Kompressionswärme in einem Nachkühler 5 gekühlt und ein sich ergebendes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 82 wird durch einen Wärmetauscher 1 geleitet, in dem es weiter abgekühlt und vorzugsweise kondensiert wird. Eine resultierende mehrkomponentige Kühlmittelflüssigkeit 85 wird durch ein Ventil 86 gedrosselt, in dem sie auf einen Druck expandiert wird, der im allgemeinen in dem Bereich von 1,03 bis 6,89 bar (15 bis 100 psia) liegt, wodurch Kälte erzeugt wird. Die Druckexpansion des Fluids durch das Ventil 86 stellt Kälte durch den Joule-Thomson-Effekt bereit, d. h. durch ein Absenken der Fluidtemperatur auf Grund der Druckreduktion bei konstanter Enthalpie. Typischerweise liegt die Temperatur des expandierten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids 87 in dem Bereich von 150 bis 250°K. Die Expansion des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids durch das Ventil 86 verursacht ebenfalls die Verdampfung eines Teils des Fluids.
  • Kälte beinhaltendes mehrkomponentiges Zweiphasen-Kühlmittelfluid wird in einem Strom 87 anschließend durch den Wärmetauscher 1 geführt, worin es erwärmt und vollständig verdampft wird. Dadurch dient es zum Abkühlen des verdichteten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids mittels indirektem Wärmeaustausch. Ebenfalls dient die Erwärmung des Fluids 87 dazu, das industrielle Gas abzukühlen, was nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird. Das sich ergebende erwärmte mehrkomponentige Kühlmittelfluid in einem Dampfstrom 80, dessen Temperatur im allgemeinen in dem Bereich von 280 bis 320°K liegt, wird zu einem Kompressor 33 umgewälzt und der Kühlzyklus beginnt von neuem.
  • Industrielles Gas, z. B. Stickstoff, in einem Strom 60 wird mittels Durchleiten durch den Kompressor 30 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 3,48 bis 62,1 bar (50 bis 900 psia) liegt, und ein resultierender industrieller Gasstrom 61 wird von der Kompressionswärme mittels Durchleiten durch den Nachkühler 4 gekühlt. Anschließend wird ein verdichteter industrieller Gasstrom 62 durch den Wärmetauscher 1 geleitet, worin er mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem mehrkomponentigen Kühlmittelfluid 87 gekühlt wird.
  • Sich ergebendes gekühltes industrielles Gas 66 wird in einen ersten Teil 67 und einen zweiten Teil 68 aufgeteilt. Der erste Teil 67 wird mittels Durchleiten durch den Turboexpander 32 auf einen Druck turboexpandiert, der im allgemeinen in dem Bereich von 1,03 bis 10,3 bar (15 bis 150 psia) liegt, um Kälte zu erzeugen. Ein resultierender turboexpandierter Kälte beinhaltender Strom 73 wird von dem Turboexpander 32 abgezogen und in einem Strom 77 durch den Wärmetauscher 2 geführt, worin er mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem zweiten Teil erwärmt wird, was nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird. Ein sich ergebender erwärmter Strom 74 wird für eine weitere Erwärmung von dem Wärmetauscher 2 durch den Wärmetauscher 1 geleitet und anschließend als Umwälzung für den Kompressor 30 als ein Strom 75 in den Strom 60 geführt.
  • Der zweite Teil 68 wird durch den Wärmetauscher 2 geleitet, worin er mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem turboexpandierten ersten Teil weiter abgekühlt und mindestens teilweise kondensiert wird, und das resultierende Fluid wird in einem Strom 69 durch ein Ventil 71 und als ein Strom 70 in den Phasenseparator 10 geführt. Wenn der Strom 69 vollständig flüssig ist, dient die Durchleitung durch das Ventil 71 zur Verdampfung eines Teils der Flüssigkeit, sodass der Strom 70 ein Zweiphasenstrom ist. Dampf wird aus dem Phasenseparator 10 in einem Strom 76 herausgeleitet und mit einem Strom 73 kombiniert, um den Strom 77 auszubilden, der wie weiter oben beschrieben gehandhabt wird. Flüssigkeit wird aus dem Separator 10 in einem Strom 72 zu einer Verwendungsstelle und/oder einem Speicher als verflüssigtes industrielles Produktgas herausgeleitet.
  • In der in 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung dient der Mehrkomponentenkühlmittelfluid-Kreislauf hauptsächlich zur Bereitstellung von Kälte mit niedrigerem Temperaturpegel für die industrielle Gasverflüssigung.
  • Nun auf 2 Bezug nehmend wird mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 180 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 133 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 6,89 bis 41,4 bar (100 bis 600 psia) liegt. Verdichtetes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 181 wird von der Kompressionswärme in einem Nachkühler 105 gekühlt und sich ergebendes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid wird wie durch die Ströme 182, 183, 184 und 185 dargestellt durch Wärmetauscher 101, 102 und 103 geleitet, worin es weiter abgekühlt und vorzugsweise kondensiert wird. Eine resultierende mehrkomponentige Kühlmittelflüssigkeit 185 wird durch ein Ventil 186 gedrosselt, wobei sie auf einen Druck expandiert wird, der im allgemeinen in dem Bereich von 1,03 bis 6,89 bar (15 bis 100 psia) liegt, wodurch Kälte erzeugt wird. Die Druckexpansion des Fluids durch das Ventil 186 stellt Kälte durch den Joule-Thomson-Effekt bereit. Typischerweise liegt die Temperatur des expandierten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids 187 in dem Bereich von 80 bis 120°K. Die Expansion des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids durch das Ventil 186 bewirkt ebenfalls die Verdampfung eines Teils des Fluids.
  • Anschließend wird Kälte beinhaltendes mehrkomponentiges Zweiphasen-Kühlmittelfluid in einem Strom 187 wie durch Ströme 188 und 189 dargestellt durch die Wärmetauscher 103, 102 und 101 geleitet, worin es erwärmt wird und vollständig verdampft und somit mittels indirektem Wärmeaustausch dazu dient, das verdichtete mehrkomponentige Kühlmittelfluid zu kühlen.
  • Die Erwärmung des Fluids 187 dient ebenfalls zur Kühlung und Verflüssigung von industriellem Gas, was nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird. Sich ergebendes erwärmtes mehrkomponentiges Kühlmittelfluid wird in einem Dampfstrom 180, der im allgemeinen bei einer Temperatur in dem Bereich von 280 bis 320°K liegt, zu dem Kompressor 133 umgewälzt und der Kühlzyklus beginnt von neuem.
  • Industrielles Gas wie z. B. Stickstoff wird in einem Strom 160 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 130 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 2,07 bis 10,3 bar (30 bis 150 psia) liegt, und ein resultierender industrieller Gasstrom 161 wird von der Kompressionswärme mittels Durchleiten durch einen Nachkühler 104 gekühlt. Anschließend wird ein verdichteter industrieller Gasstrom 162 als Strom 163 zu einem Kompressor 131 geführt, worin er weiter auf einen Druck verdichtet wird, der im allgemeinen in dem Bereich von 5,52 bis 62,1 bar (80 bis 900 psia) liegt. Ein sich ergebender weiter verdichteter Strom 164 wird von der Kompressionswärme in dem Nachkühler 105 gekühlt und ein resultierender Strom 165 wird anschließend durch den Wärmetauscher 101 geleitet, worin er mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem turboexpandierten zweiten Teil 174 und einem mehrkomponentigen Kühlmittelfluid 189 gekühlt wird.
  • Sich ergebendes gekühltes industrielles Gas 166 wird in einen ersten Teil 167 und einen zweiten Teil 168 aufgeteilt. Der erste Teil 167 wird mittels Durchleiten durch einen Turboexpander 132 auf einen Druck turboexpandiert, der im allgemeinen in dem Bereich von 2,07 bis 20,7 bar (30 bis 300 psia) liegt, um Kälte zu erzeugen. Ein resultierender turboexpandierter und Kälte beinhaltender Strom 173 wird von dem Turboexpander 132 abgezogen und durch den Wärmetauscher 102 geleitet, worin er mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem zweiten Teil erwärmt wird, was nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird. Ein sich ergebender erwärmter Strom 174 wird von dem Wärmetauscher 102 durch den Wärmetauscher 101 zwecks weiterer Erwärmung geführt und anschließend als ein Strom 175 in den Strom 162 geleitet, um den Strom 163 als Umwälzung für den Kompressor 130 zu benutzen.
  • Der zweite Teil 168 wird durch den Wärmetauscher 102 geleitet, worin er weiter abgekühlt wird und mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem turboexpandierten ersten Teil teilweise kondensiert werden kann, und das sich ergebende Fluid wird in einem Strom 169 durch den Wärmetauscher 103 geleitet, worin es mittels indirektem Wärmeaustausch mit Kälte beinhaltendem mehrkomponentigem Kühlmittelfluid 187 vollständig kondensiert wird, um ein verflüssigtes industrielles Gas 170 auszubilden. Anschließend wird das resultierende verflüssigte industrielle Gas durch ein Ventil 171 und als Strom 172 zu einer Verwendungsstelle und/oder zu einem Speicher geführt.
  • Obgleich das in 2 illustrierte System eine Turboexpansion benutzt, um hauptsächlich die Kälte mit hohem Temperaturpegel bereitzustellen, d. h. die für die Wärmetauscher 101 und 102 erforderliche Kälte, versteht sich, dass ein Teil der erforderlichen Kälte von dem Mehrkomponentenkühlmittelfluid-Kreislauf bereitgestellt werden kann. Somit kann, obwohl das mehrkomponentige Kühlmittel hauptsächlich die Kälte mit niedrigem Temperaturpegel bereitstellt, d. h. die für den Wärmetauscher 103 benötigte Kälte, das mehrkomponentige Kühlmittel den anderen Wärmetauschern eine gewisse Kälte zuführen. Ebenso könnte der Mehrkomponentenkühlmittelfluid-Kreislauf, obgleich er als ein Stromkreislauf mit einem einzelnen geschlossenen Kreislauf illustriert ist, eine interne Umwälzung von Kühlmittelflüssigkeit verwenden. Eine Phasenseparation bei einem Zwischentemperaturpegel könnte zur Gewinnung und Umwälzung, d. h. zur Wiedererwärmung von Kühlmittelflüssigkeit verwendet werden, während der Dampfteil vor der Wiedererwärmung weiter abgekühlt werden könnte. Das Flüssigkeitsumwälzungsmerkmal stellt hinsichtlich der Kühlmittelkomponenten und -zusammensetzungen eine Verfahrensflexibilität bereit und kann jegliche Probleme hinsichtlich des Gefrierens von Flüssigkeit vermeiden.
  • In der in 3 illustrierten Ausführungsform, die nicht von der Erfindung abgedeckt ist, dient der Mehrkomponentenkühlmittelfluid-Kreislauf dazu, sowohl Kälte mit höherem Temperaturpegel wie Kälte mit niedrigerem Temperaturpegel für die industrielle Gasverflüssigung bereitzustellen. Nun auf 3 Bezug nehmend wird ein mehrkomponentiges Kühlmittelfluid 201 mittels Durchleiten durch einen Kompressor 202 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 6,89 bis 20,7 bar (100 bis 300 psia) liegt. Ein erster Teil 204 eines sich ergebenden verdichteten Stroms 203 wird mittels Durchleiten durch einen Turboexpander 205 auf einen Druck turboexpandiert, der im allgemeinen in dem Bereich von 1,38 bis 3,48 bar (20 bis 50 psia) liegt, wodurch Kälte erzeugt wird. Ein resultierender turboexpandierter und Kälte beinhaltender Strom 206 wird in den sich erwärmenden Bereich des Mehrkomponentenkühlmittel-Kühlkreislaufs eingespeist und durch einen Wärmetauscher 207 geführt, worin er mittels indirektem Wärmeaustausch mit industriellem Gas erwärmt wird, wodurch das industrielle Gas gekühlt wird. Der sich ergebende erwärmte erste Teil wird von dem Wärmetauscher 207 abgezogen und in dem Strom 201 als Umwälzung zu dem Kompressor 202 geleitet.
  • Ein zweiter Teil 208 des verdichteten mehrkomponentigen Kühlmittelfluids 203 wird mittels Durchleiten durch einen Kompressor 209 weiter auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 6,89 bis 41,4 bar (100 bis 600 psia) liegt. Ein resultierender weiter verdichteter Strom 210 wird von der Kompressionswärme mittels Durchleiten durch einen Nachkühler 211 gekühlt und ein sich ergebender Strom 212 wird durch den Wärmetauscher 207 geleitet, worin er mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem Kälte beinhaltenden turboexpandierten ersten Teil des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids gekühlt wird. Ein resultierender gekühlter zweiter Teil 213 wird weiter abgekühlt und vorzugsweise mittels Durchleiten durch einen Wärmetauscher 214 kondensiert. Das weiter abgekühlte mehrkomponentige Kühlmittelfluid 215 wird anschließend durch ein Ventil 216 expandiert, um durch den Joule-Thomson-Effekt Kälte zu erzeugen. Vorzugsweise bewirkt, wie in 3 illustriert, die Expansion des Stroms 215 durch das Ventil 216 die Verdampfung eines Teils des Fluids, sodass der sich ergebende Strom 217 ein Zweiphasenstrom ist. Der Strom 217 wird in einen Phasenseparator 218 eingespeist und sowohl der Dampf in einem Strom 219 wie Flüssigkeit in einem Strom 220 werden von dem Phasenseparator 218 in das kalte Ende des Wärmetauschers 214 geleitet. Innerhalb des Wärmetauschers 214 wird der Kälte beinhaltende zweite Teil des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids erwärmt und mittels indirektem Wärmeaustausch mit gekühltem industriellem Gas vorzugsweise vollständig verdampft. Der sich erwärmende zweite Teil des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids dient ebenfalls dazu, den zweiten Teil 213 abzukühlen, wie dies zuvor beschrieben wurde. Ein resultierender erwärmter zweiter Teil 221 wird aus dem Wärmetauscher 214 herausgeleitet und mit dem ersten Teil 206 kombiniert, um mittels Durchleiten durch den Wärmetauscher 207 erwärmt zu werden und anschließend in dem Strom 201 als Umwälzung zu dem Kompressor 202 geführt zu werden.
  • Industrielles Gas in einem Strom 222 wird mittels Durchleiten durch einen Kompressor 225 auf einen Druck verdichtet, der im allgemeinen in dem Bereich von 6,89 bis 62,1 bar (100 bis 900 psia) liegt. Ein sich ergebender verdichteter industrieller Gasstrom 226 wird von der Kompressionswärme mittels Durchleiten durch einen Nachkühler 227 gekühlt und ein resultierender unter Druck stehender industrieller Gasstrom 228 wird mittels indirektem Wärmeaustausch in dem Wärmetauscher 207 mit dem sich erwärmenden turboexpandierten ersten Teil des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids sowie mit dem sich erwärmenden zweiten Teil gekühlt. Ein sich ergebender gekühlter industrieller Gasstrom 229 wird weiter abgekühlt und mittels indirektem Wärmeaustausch in dem Wärmetauscher 214 mit dem sich erwärmenden expandierten zweiten Teil des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids mindestens teilweise verflüssigt. Ein resultierendes, mindestens teilweise verflüssigtes industrielles Gas 230 wird durch ein Ventil 231 und anschließend als ein Strom 232 in einen Phasenseparator 233 geführt. Industrieller Gasdampf von dem Phasenseparator 233 wird in Strömen 234, 235 und 236 durch die Wärmetauscher 214 und 207 geleitet, worin er erwärmt wird, um zur Kühlung und Verflüssigung des industriellen Gases beizutragen, und anschließend wird er in dem Strom 222 als Umwälzung in den Verflüssigungskreislauf geführt. Industrielle Gasflüssigkeit wird von dem Phasenseparator 233 in einem Strom 237 abgezogen, durch ein Ventil 238 geleitet und in einem Strom 239 zu einer Verwendungsstelle und/oder einem Speicher geführt.
  • Das in der Praxis dieser Erfindung nützliche mehrkomponentige Kühlmittelfluid enthält mindestens zwei Komponenten, um die erforderliche Kälte bei jeder Temperatur bereitzustellen. Die Auswahl der Kühlmittelkomponenten hängt von der Kältelast gegenüber der Temperatur für die jeweilige Verfahrensanwendung ab. Geeignete Komponenten werden in Abhängigkeit von ihren normalen Siedepunkten, ihrer latenten Wärme und Entflammbarkeit, ihrer Toxizität und ihrem Ozonabreicherungspotenzial ausgewählt werden.
  • Eine Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen mehrkomponentigen Kühlmittelfluids weist mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens eine unterschiedliche Komponente aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen mehrkomponentigen Kühlmittelfluids weist mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen mehrkomponentigen Kühlmittelfluids weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens ein atmosphärisches Gas auf.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen mehrkomponentigen Kühlmittelfluids weist mindestens zwei Komponenten aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe und mindestens zwei atmosphärische Gase auf.
  • Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des in der Praxis dieser Erfindung nützlichen mehrkomponentigen Kühlmittelfluids weist mindestens ein Fluorether und mindestens eine Komponente aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe auf.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkarbonen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkarbonen und Fluorkohlenwasserstoffen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkarbonen und atmosphärischen Gasen. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das mehrkomponentige Kühlmittelfluid nur aus Fluorkarbonen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen.
  • Das mehrkomponentige Kühlmittelfluid enthält weder Chlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe. Am bevorzugtesten ist das mehrkomponentige Kühlmittelfluid nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd und am bevorzugtesten ist jede Komponente des mehrkomponentigen Kühl mittelfluids entweder ein Fluorkarbon, ein Fluorkohlenwasserstoff, ein Fluorether oder ein atmosphärischen Gas.
  • Die Erfindung ist besonders vorteilhaft, um auf effiziente Weise kryogene Temperaturen aus Umgebungstemperaturen zu erreichen. Die Tabellen 1–5 führen bevorzugte Beispiele von in der Praxis dieser Erfindung nützlichen Mehrkomponentenkühlmittelfluid-Gemischen auf. Die in den Tabellen 1–5 angegebenen Konzentrationsbereiche sind in Molprozent.
  • Tabelle 1
    Figure 00090001
  • Tabelle 2
    Figure 00090002
  • Tabelle 3
    Figure 00100001
  • Tabelle 4
    Figure 00100002
  • Tabelle 5
    Figure 00110001
  • Die Erfindung ist für die Bereitstellung von Kälte über einen weiten Temperaturbereich hinweg besonders nützlich, und insbesondere für einen Bereich, der kryogene Temperaturen umfasst. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist jede der zwei oder mehreren Komponenten des Kühlmittelgemisches einen normalen Siedepunkt auf, der sich um mindestens 5° Kelvin, bevorzugter um mindestens 10° Kelvin und am bevorzugtesten um mindestens 20° Kelvin von dem normalen Siedepunkt jeder anderen Komponente in diesem Kühlmittelgemisch unterscheidet. Dies verbessert die Effektivität der Bereitstellung von Kälte über einen weiten Temperaturbereich und insbesondere einen Bereich, der kryogene Temperaturen umfasst. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der normale Siedepunkt der am höchsten siedenden Komponente des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids um mindestens 50°K, vorzugsweise um mindestens 100°K und am bevorzugtesten um mindestens 200°K höher als der normale Siedepunkt der am niedrigsten siedenden Komponente des mehrkomponentigen Kühlmittelfluids.
  • Die Komponenten und ihre Konzentrationen, welche die in der Praxis dieser Erfindung nützlichen Mehrkomponentenkühlfluide ausmachen, sind vorzugsweise derart beschaffen, dass sie ein Mehrkomponentenkühlfluid für veränderliche Last ausbilden und ein derartiges veränderliches Lastmerkmal vorzugsweise über den gesamten Temperaturbereich des Verfahrens der Erfindung hinweg aufrechterhalten. Dies erhöht die Effizienz, mit der die Kälte erzeugt und über einen derart weiten Temperaturbereich aufrechterhalten werden kann, deutlich. Die definierte bevorzugte Gruppe von Komponenten weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass sie zur Ausbildung von Fluidgemischen verwendet werden kann, die nicht toxisch, nicht entflammbar und gering oder nicht ozonabreichernd sind. Dies stellt zusätzliche Vorteile gegenüber konventionellen Kühlmitteln bereit, die typischerweise toxisch, entflammbar und/oder ozonabreichernd sind.
  • Ein bevorzugtes und in der Praxis dieser Erfindung nützliches Mehrkomponentenkühlfluid für veränderliche Last, das nicht toxisch, nicht entflammbar und nicht ozonabreichernd ist, weist zwei oder mehrere Komponenten aus der aus C5F12, CHF2-O-C2HF4, C4HF9, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H3F5, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, C4F10, CF3-O-C2H2F3, C3HF7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C3F8, C2HF5, CF3-O-CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne und He bestehenden Gruppe auf.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines industriellen Gases, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein industrielles Gas komprimiert wird, ein erster Teil des komprimierten industriellen Gases expandiert wird, um Kälte zu erzeugen, ein zweiter Teil des komprimierten industriellen Gases mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem expandierten ersten Teil gekühlt wird, und der gekühlte zweite Teil des industriellen Gases weiter gekühlt wird, um verflüssigtes industrielles Gas zu erzeugen; (B) ein mehrkomponentiges Kühlmittelfluid, welches mindestens zwei Komponenten enthält, komprimiert wird, das komprimierte mehrkomponentige Kühlmittelfluid gekühlt wird, das komprimierte gekühlte mehrkomponentige Kühlmittelfluid expandiert wird, um Kälte zu erzeugen und das Kälte beinhaltende expandierte mehrkomponentige Kühlmittelfluid mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem weiter gekühlten zweiten Teil des industriellen Gases erwärmt wird; und (C) verflüssigtes industrielles Gas als Produkt gewonnen wird; dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Expansion des ersten Teils des komprimierten industriellen Gases in Schritt (A) um eine Turboexpansion handelt; und das mehrkomponentige Kühlmittelfluid mindestens eine aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente und mindestens eine davon unterschiedliche, aus der aus Fluorkarbonen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorethern und atmosphärischen Gasen bestehenden Gruppe ausgewählte Komponente aufweist, wobei das mehrkomponentige Kühlmittelfluid weder Chlorfluorkohlenwasserstoffe noch Kohlenwasserstoffe aufweist; wobei der weiter gekühlte zweite Teil des industriellen Gases mittels dem indirekten Wärmeaustausch mit dem Kälte beinhaltenden, expandierten mehrkomponentigen Kühlmittelfluid verflüssigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das komprimierte industrielle Gas vor der Turboexpansion mittels indirektem Wärmeaustausch mit mehrkomponentigem Kühlmittelfluid gekühlt wurde, nachdem das mehrkomponentige Kühlmittelfluid in indirekten Wärmeaustausch mit dem weiter gekühlten zweiten Teil des industriellen Gases gebracht wurde.
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