NO122929B

NO122929B -

Info

Publication number: NO122929B
Application number: NO0883/68A
Authority: NO
Inventors: J Karbosky; E Harper
Original assignee: Phillips Petroleum Co
Priority date: 1967-03-31
Filing date: 1968-03-07
Publication date: 1971-09-06
Also published as: US3408824A; GB1208202A

Description

Fremgangsmåte til fortetning av gasser.

Den foreliggende oppfinnelse angår fortetning av gasser, f.eks. naturgass. Nærmere bestemt angår' oppfinnelsen en fremgangsmåte til fortetning av en gasstrøm ved at fortettet kjølemiddel føres til en ekspansjonssone (flash zone), hvor en del av kjølemiddelet bråfordampes, og at en del av det flytende kjølemiddel føres fra ekspansjonssonen gjennom en varmevekslersone i varmeutveksling med gasstrømmen.

Når det gjelder fortetning av gass som f.eks. naturgass, metan, nitrogen, oksygen og lignende, ved..lavtemperaturkjøling for å gi fortettet gass for lagring, transport eller anvendelse i separa-sjonsprosessen, er dét viktig å oppnå størst mulig virkningsgrad. Hvis der under kjølesyklusen arbeides med størst mulig virkningsgrad, holdes energi- og anleggskostnadene på et minimum.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er karakterisert ved at flytende kjølemiddel sammen med eventuell medfølgende damp føres fra varmevekslersonen tilbake til ekspansjonssonen ved at forskjellen i tetthet mellom det flytende kjølemiddel i ekspansjonssonen og det flytende kjølemiddel i varmevekslersonen benyttes som drivkraft til å bevirke strømning av kjølemiddel tilbake til ekspansjonssonen, og at der finner sted en varmeutveksling mellom kjølemiddeldamp fra ekspansjonssonen og den nevnte gasstrøm før der finner sted varmeutveksling mellom flytende kjølemiddel fra ekspansjonssonen og den nevnte gasstrøm.

Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan videre en del av det flytende- kjølemidddel føres fra den første ekspansjonssone til en annen ekspansjonssone, hvor en del av kjølemiddelet fordampes og den dannede damp føres i varmeutvekslende forhold med gasstrømmen i en tredje varmevekslersone og deretter føres til den første varmevekslersone,.hvor den utveksler varme med gasstrømmenj mens det flytende kjølemiddel fra den annen ekspansjonssone føres i varmeutvekslende forhold med gasstrømmen i en fjerde varmevekslersone og tilbake til den annen ekspansjonssone. Ekspansjonssonene arbeider ved trinnvis lavere trykk, og gassen strømmer gjennom varmevekslersonene etter tur. Mer enn to ekspansjonssoner med tilhørende varmevekslersoner kan anvendes. F.eks. kan flytende kjølemiddel fra den annen ekspansjonssone føres til en tredje ekspansjonssone med enda lavere trykk, hvor et parti fordampes og dampen føres i varmeutvekslende forhold med gasstrømmen først i en femte varmevekslersone og deretter i den tredje og den første varmevekslersone, mens en del av det flytende kjølemiddel fra den tredje ekspansjonssone føres i varmeutvekslende forhold med gasstrømmen i en sjette varmevekslersone og tilbake til den tredje ekspansjonssone.

Som nevnt blir flytende kjølemiddel fra en ekspansjonssone ført gjennom en varmevekslersone og tilbake til ekspansjonssonen ved at forskjellene i tettheten av kjølemiddelet anvendes som drivkraft. Det kondenserte kjølemiddel i ekspansjonssonen har en større tetthet og utøver et større væsketrykk enn et tilsvarende volum av kjølemiddel som oppvarmes og delvis fordampes når det føres i varmeutvekslende forhold med gasstrømmen. Denne forskjell i tetthet anvendes til å bevirke en strøm av tofase-kjølemiddelet (damp og væske) tilbake til ekspansjonssonen. I en utførelsesform blir den fordampede andel av det tilbakeførte kjølemiddel forenet med den dampandel som skyldes reduksjonen av trykket i reduksjonssonen, og den samlede dampmengde føres i varmeutvekslende forhold med gasstrømmen i en annen varmevekslersone.

Ifølge en utførelsesform av oppfinnelsen blir en naturgass fortettet og avkjølt i en kaskadeanordning, hvor tre damp-kompresjonssykler anvendes i serie. Den første syklus anvender propan som kjølemiddel, den annen syklus anvender eten som kjølemiddel, og den tredje syklus anvender metan som kjølemiddel. I hver av disse sykler blir det komprimerte kjølemiddel ekspandert ved gradvis lavere trykk for å avkjøle kjølemiddelet. I den første syklus blir flytende propan ført i varmeutvekslende forhold med naturgassen. I den annen syklus blir etendamp og -væske ført i varmeutvekslende forhold med naturgassen, og i den tredje syklus blir metandamp og -væske ført i varmeutvekslende forhold med naturgassen. I hver syklus blir det fordampede kjølemiddel trinnvis komprimert, idet de kjølemiddeldamper som har høyest trykk, føres tilbake til det høyeste kompresjonstrinn, mens de damper som har et mellomliggende trykk, føres tilbake til et mellomliggende kompresjonstrinn og de damper som har lavest trykk, føres tilbake til det laveste kompresjonstrinn. Fig. 1 er et delvis strømningsdiagrara for en utførelses-form av oppfinnelsen.

Fig. 2 er en fortsettelse av strømningsdiagrammet på

fig. 1.

Fig. 3 er en fortsettelse av strømningsdiagrammet på

fig. 2.

Skjønt oppfinnelsen kan anvendes ved fortetning av en rekke forskjellige gasser som f.eks. nitrogen, oksygen og luft, vil oppfinnelsen for enkelhets skyld bli beskrevet under henvisning til fortetning av naturgass som omfatter hovedsakelig rent (99$'s) metan.

I den på tegningen viste utførelsesform er kjølesyklusen til fortetning og avkjøling av naturgass et modifisert ekspansjons-system i kaskadeanordning. En kaskadeanordning er en anordning hvor en flerhet av kjølesykler er forbundet i serie, idet hver av syklene, bortsett fra den første, anvender et kjølemiddel med et lavere kokepunkt enn kjølemiddelet i den foregående syklus. I et ekspansjonskjølesystem blir en komprimert gass ekspandert eller et kondensert kjølemiddel fordampet for å avkjøles.

Fortetningssystemet vil være oppdelt i en sekvens av kjølesykler som omfatter en propankjølesyklus, en etenkjølesyklus og en metankjølesyklus som alle er innrettet til å oppnå en temperatur-nedsettelse av det komprimerte kjølemiddel, samtidig som hver del av syklusen arbeider med lavest mulig inngangseffekt for kjølingen (refrigeration horsepower). En rekke temperaturer, trykk og andre betingelser som kan anvendes, er angitt.for å belyse hver syklus,

men det vil forstås at disse betingelser kan variere med arten av gassen, utførelsen og kapasiteten av apparatet, arten av kjølemiddel og lignende.

Propansyklus.

I den på fig. 1 viste propansyklus blir naturgass, hvorfra vann, bensinkomponenter og karbondioksyd er blitt fjernet, ført gjennom en ledning 10 ved 41,7 atm til en varmevekslersone 11. Propan blir komprimert til ca. 9,86 atm i en kompressor 12 og ført gjennom en ledning 13 og en kondensator 14, hvor propanet kondenseres ved varmeutveksling med vann, til et svingekammer 16. Flytende propan ved 24°C føres fra svingekammeret 16 gjennom en ledning 17 og ekspanderes (is flashed) gjennom en ventil 18 inn i ekspansjonssonen 19, hvor det holdes på ca. 359 atm. Ekspansjonssoner er soner med redusert trykk, d.v.s. et trykk som er lavere enn trykket i det innstrømmende fluidum, slik at en del av kjølemiddelet blir fordampet og der fås en temperatursenkning. Flytende propan ved ca -6°C føres gjennom en ledning 21 til varmevekslersonen 11 og tilbake til ekspansjonssonen 19 ved anvendelse av den hevertvirkning som skyldes den forskjellige tetthet av på den ene side det kalde flytende propan i ekspansjonssonen og på den annen side propanet i varmeveksleren. Denne fremgangsmåte til å føre kjølemiddel tilbake til en ekspansjonssone vil i det etterfølgende bli betegnet som "termohevertstrømning"

("thermosiphoning"). Damp ved 3,9 atm fjernes fra ekspansjonssonen 19 og føres gjennom en ledning 22 til høykompresjonstrinnet 23 i kompressoren 12.

Flytende propan ved 339 atm føres fra ekspansjonssonen

19 gjennom ledninger 60 og 24 og ekspanderes gjennom en ventil 26

inn i en ekspansjonssone 27 som holdes på ca. -32°C og 1,5 atm. Naturgass ved -1°C strømmer fra varmevekslersonen 11 gjennom ledningen 10 til en varmevekslersone 29. Flytende propan føres i en ledning 31 gjennom varmevekslersonen 29 og tilbake til ekspansjonssonen 27 ved termohevertstrømning. Propandamp ved ca. 1,5 atm strømmer gjennom en ledning 32 til lavkompresjonstrinnet 33 i kompressoren 12. Naturgass strømmer fra varmevekslersonen 29 ved -27°C for å avkjøles ytterligere i en etenkjølesyklus som vil bli beskrevet senere.

For å avkjøle og kondensere det eten- og metallkjøle-middel som anvendes i etterfølgende sykler av det viste kjølesystem, blir flytende propan ført fra svingekammeret 16 gjennom en ledning 38 og en ventil 39 til en ekspansjonssone '41 som holdes på 359 atm. Komprimert metankjølemiddel ved 34°C fra en kompressor på et senere trinn i prosessen føres til en varmevekslersone 42 gjennom en ledning 201. Propan ved 3u9 atm føres gjennom en ledning 43 til varmevekslersonen 42 og tilbake til ekspansjonssonen ved termohevertstrømning. Metan som er avkjølt til -1°C i varmevekslersonen 42, fjernes gjennom en ledning 203 for anvendelse i etterfølgende varmevekslertrinn. Propandamp ved 3,9 atm føres fra ekspansjonssonen 41 gjennom en ledning 44 til høykompresjonstrinnet 23 i kompressoren 12.

Væskeformet propan ved ca. 24°C og 9,86 atm føres fra

svingekammeret 16 gjennom ledningen 38 og en ledning 46 samt en ventil 47 inn i en ekspansjonssone 48 som holdes på -6°C og 3>9 atm. Komprimert etenkjølemiddel ved 34°C fra en etenkompressor senere i prosessen føres gjennom en ledning 101 til en varmevekslersone 49- Flytende propan sirkuleres ved termohevertstrømning gjennom en ledning 51 og varmevekslersonen 49. Etenkjølemiddel fjernes fra varmevekslersonen 49 gjennom en ledning 103. Propandamper fra ekspansjonssonen 48

føres via en ledning 52 og ledningen 44 til høykoompresjonstrinnet 23 i kompressoren 12.

En del av det flytende propan fra ekspansjonssonen 19 føres gjennom en ledning 60 og en ventil 6l inn i en ekspansjonssone 62 som holdes på 1,5 atm. Komprimert etenkjølemiddel føres gjennom en ledning 105 til en varmevekslersone 63- Flytende propan ved -32°C sirkuleres ved termohevertstrømning gjennom varmeveksleren 63 via en ledning 64, og propandamp ved 1,5 atm føres via en ledning 69 til det nedre kompresjonstrinn 33 i kompressoren 12. Etenkjølemiddel ved

-27°C føres gjennom en ledning 106 til et etensvingekammer 107-

De propandamper som føres tilbake til kompressoren 12, komprimeres trinnvis, kondenseres og føres tilbake til svingekammeret 16, hvorved propankjølesyklusen er sluttet.

I propankjølesyklusen av kaskadekjølesystemet blir følbar varme fjernet fra den gassformede naturgass, samtidig som de kjøle-midler som anvendes i de etterfølgende sykler, avkjøles.

Etensyklus.

I denne syklus, som er vist på fig. 2, blir eten komprimert til ca. 22,8 atm i en flertrinnskompressor 100 og ført gjennom ledningen 101 og en luftribbekjøler 102, hvor det avkjøles til ca. 84°C, til varmevekslersonen 49 i propansyklusen. Etenkjølemiddel fjernes fra varmevekslersonen 49 og føres gjennom ledningen 103 til en varmevekslersone 104, hvor det avkjøles ytterligere ved varmeutveksling med etendamper som føres tilbake til kompressoren 100. Etenkjølemiddelet strømmer fra sonen 104 gjennom ledningen 105 til varmevekslersonen 63 (fig. 1), hvor det avkjøles ved varmeutveksling med flytende propan som beskrevet tidligere. Fra varmevekslersonen 63 føres etenet gjennom ledningen 106 til svingekammeret 107. Flytende eten ved ca. -27°C og 22,8 atm føres ut fra svingekammeret 107 i en ledning 108 gjennom en varmevekslersone 109 og ekspanderes gjennom en ventil 111 inn i et ekspansjonskammer 112 som holdes på ca. -57°C og 8,35 atm.

Naturgasstrømmen føres fra propankjølesyklusen gjennom ledningen 10 til en varmevekslersone 113- Etendamper ved 8,35 atm fra ekspansjonssonen 112 føres i en ledning 114 gjennom varmevekslersonen 13 og deretter gjennom varmevekslersonen 104 til høykompresjons-trinnet 116 i kompressoren 100. Naturgass føres fra varmevekslersonen 113 til en varmevekslersone 117• Flytende eten føres i en ledning 118 gjennom varmevekslersonen 117 og tilbake til ekspansjonssonen 112 ved termohevertstrømning.

Flytende eten fjernes fra ekspansjonssonen 112 og føres

i en ledning 119 gjennom en ventil 121 inn i en ekspansjonssone 122 som holdes på ca. 178°C og 3,7 atm. Naturgass ved ~52°C føres fra varmevekslersonen 117 gjennom ledningen 10 til en varmevekslersone 123. Etendamper ved 3,7 atm føres i en ledning 124 til varmevekslersonen 123, deretter til varmevekslersonen 113, videre til varmevekslersonen 107 og endelig til mellomkompresjonstrinnet 126 i kompressoren 100. Naturgasstrømmen føres fra varmevekslersonen 123 til en varmevekslersone 127. Flytende eten føres i en ledning 128 gjennom varmevekslersonen 127 og tilbake til ekspansjonssonen 122

ved termohevertstrømning.

En del av det flytende eten i ekspansjonssonen 122 føres

i en ledning 129 gjennom en ventil 131 inn i en ekspansjonssone 132 som holdes på ca. -92°C og 1,9 atm. Naturgass fjernes fra varmevekslersonen 127 ved -74°C og føres gjennom ledningen 10 til en varmevekslersone 133- Etendamper ved 1,9 atm fjernes fra ekspansjonssonen 132 og føres i en ledning 134 gjennom varmevekslersonene 133, 123, 113 og 104 etter tur til lavkompresjonstrinnet 136 i kompressoren 100. Naturgass strømmer fra varmevekslersonen 133 til en varmevekslersone 137- Flytende eten føres i en ledning 138- gjennom varmevekslersonen 137 og tilbake til ekspansjonssonen 132 ved termohevert-strømning.

En del av det flytende eten fra ekspansjonssonen 122 anvendes til avkjøling av det metankjølemiddel som anvendes i den etter-følgende syklus. Flytende eten føres i en ledning 139 og ekspanderes gjennom en ventil l4l inn i en ekspansjonssone 142 som holdes på

1,9 atm. Komprimert metan fra en metankompres^or 200 senere i prosessen strømmer gjennom en ledning 205 til en varmevekslersone 143-Flytende eten ved 1,9 atm føres i en ledning 144 gjennom varmevekslersonen 143 og tilbake til ekspansjonssonen 142 ved termohevertstrømning. Etendamper ved 1,9 atm føres gjennom en ledning 146 til varmevekslersonen 109 for å avkjøle det flytende eten som tappes ut fra svingekammeret 107. Fra varmevekslersonen 109 blir dampene i ledningen 146 ført til ledningen 134 og forenet med de damper som strømmer til lav-kompresj onstrinnet 136 i kompressoren 100.

Etendampene blir komprimert, avkjølt, kondensert og ført til svingekammeret for å slutte etenkjølesyklusen. I etensyklusen blir hovedsakelig all den latente kondensasjonsvarme fjernet fra naturgassen.

Metansyklus.

I den på fig. 3 viste metankjølesyklus blir metankjøle-middel komprimert til ca. 40,8 atm i metankompressoren 200 og ført i ledningen 201 gjennom en luftribbekjøler 202 til varmevekslersonen 42 i propansyklusen (fig. 1). Metankjølemiddel ved -1°C fjernes fra varmevekslersonen 42 og føres gjennom ledningen 203 til en varmevekslersone 204, hvor det avkjøles ytterligere ved varmeutveksling med metandamper som føres tilbake til kompressoren 200. Fra varmevekslersonen 204 blir det komprimerte metan ført gjennom ledningen 205 til varmevekslersonen 143 (fig. 2), hvor det avkjøles til ca. -88°C ved varmeutveksling med flytende eten. Det kondenserte metan-kjølemiddel føres bort fra varmevekslersonen 143 til et svingekammer 207 gjennom en ledning 206. Flytende metan ved 40,8 atm føres fra svingekammeret 207 i en ledning 208 gjennom en varmevekslersone 209 og ekspanderes gjennom en ventil 211 inn i et ekspansjonskammer 212 som holdes på ca. -139°C og 12,9 atm.

Naturgass føres fra etenkjølesyklusen ved -88°C gjennom ledningen 10 til en varmevekslersone 213- Metandamper ved 12,9 atm fra ekspansjonssonen 212 føres i en ledning 214 gjennom varmevekslersonene 213 og 204 til høykompresjonstrinnet 216 i kompressoren 200. Naturgass føres fra varmevekslersonen 213 til en varmevekslersone 217. Flytende metan ved 12,9 atm føres i en ledning 218 gjennom varmevekslersonen 217 og tilbake til ekspansjonssonen 212 ved termo-hevertstrømning.

o

Flytende metan fra ekspansjonssonen 212 føres gjennom en ledning 219 og ekspanderes gjennom en ventil 221 inn i en ekspansjonssone 222 som holdes på ca. -139°C og 4,6 atm. Naturgass ved -113°C føres fra varmevekslersonen 217 gjennom ledningen 10 til en varmevekslersone 223. Metandamper ved 4,6 atm føres fra ekspansjonssonen 222 i en ledning 224 gjennom varmevekslersonene 223s 213 og 204 etter tur til mellomkompresjonstrinnet 226 i metankompressoren 200. Natur-gasstrømmen føres fra varmevekslersonen 223 til en varmevekslersone 227. Flytende metan ved -139°C føres fra ekspansjonssonen 222 i en ledning 228 gjennom varmevekslersonen 227 og tilbake til ekspansjonssonen 222 ved termohevertstrømning.

Flytende metan fra ekspansjonssonen 222 føres i en ledning 229 gjennom en ventil 231 inn i en ekspansjonssone 232 som holdes på ca. -151°C og 2,2 atm. Naturgass tas ut fra varmevekslersonen 227 ved -134°C og føres gjennom ledningen 10 til en varmevekslersone 233. Metandamp ved 2,2 atm fra ekspansjonssonen 232 føres i en ledning 2J4 gjennom varmevekslersonene 233, 223, 213, 204 etter tur til lavkompresjonstrinnet 236 i kompressoren 200. Naturgassen strømmer fra varmevekslersonen 233 til en varmevekslersone 237• Flytende metan ved 2,2 atm føres i en ledning 238 gjennom varmevekslersonen 237 og tilbake til ekspansjonssonen 232 ved termohevertstrømning.

Fortettet naturgass tappes ut fra varmeveksleren 237 ved

-147°C og 41,8 atm gjennom ledningen 10 for lagring, transport eller ytterligere behandling. I noen tilfelle er det ønskelig å

lagre eller transportere den fortettede naturgass i isolerte beholdere

ved et trykk som ligger såvidt over atmosfæretrykket, men ikke er så høyt at kostnaden for beholderen økes utilbørlig. Når dette skal gjøres, må den fortettede naturgass med høyt trykk ekspanderes til det ønskede lave trykk, noe som gir en ytterligere temperatursenkning. Damp fra denne ekspansjon (ikke vist) av den fortettede naturgass

kan føres i en ledning 300 gjennom varmevekslersonene 209 og 204 for å avkjøle det komprimerte metan og deretter anvendes som brensel for kjølekompressorer og annet utstyr.

Oppfinnelsen er beskrevet i detalj med temperaturer og trykk som kan anvendes i forbindelse med en naturgasstrøm som inne-holder ca. 99,5 molprosent metan. Hvis en fuktig gasstrøm skal kjøles, bør der treffes foranstaltninger for i form av væske å fjerne for-bindelser som f.eks. benzen og karbondioksyd som vil bli faste ved de lave temperaturer som anvendes. Slike væsker kan tappes av fra varme-vekslerne på steder med egnet temperatur og trykk. For oversiktens skyld er hjelpeutstyr som f.eks. smøreoljekondensatorer, tørkeapparater og lignende sløyfet på tegningen.

Propan, eten og metan er valgt som kjølemidler i kaskade-systemet i den spesielle utførelsesform av oppfinnelsen som er beskrevet. Imidlertid kan andre kjølemidler som f.eks. ammoniakk, freongasser og lignende anvendes hvis det skulle ønskes. Hydrokarboner foretrekkes som kjølemiddel fordi de er lett tilgjengelige i forbindelse med fortetning av naturgass, og som følge av utvalget av hydrokarboner som er tilgjengelige for bruk som kjølemidler.

Det kan ses at i eten- og metansyklene har hver ekspansjonssone to tilknyttede varmevekslersoner. Ved at naturgass-strømmen føres i varmeutvekslende forhold med både kjølemiddeldamper og flytende kjølemiddel i sammenhørende varmevekslersoner slik det er tilfelle i eten- og metansyklene, blir gassen fortettet med lavt effektforbruk og dermed lave kostnader. Ved anvendelse av termo-hevertstrømning som fremdriftsmiddel for flytende kjølemiddel, slik det er vist i alle tre sykler av det beskrevne kaskadesystem,

er det mulig å unnvære mange pumper og. ytterligere redusere anleggs-og driftskostnadene ved et slikt kjølesystem.

Claims

Fremgangsmåte til fortetning av en gasstrøm ved at fortettet kjølemiddel føres til en ekspansjonssone (flash zone), hvor en del av kjølemiddelet bråfordampes, og at en del av det flytende kjølemiddel føres fra ekspansjonssonen gjennom en varmevekslersone i varmeutveksling med gasstrømmen, karakterisert ved at flytende kjølemiddel sammen med eventuell medfølgende damp føres fra varmevekslersonen tilbake til ekspansjonssonen ved at forskjellen i tetthet mellom det flytende kjølemiddel i ekspansjonssonen og det flytende kjølemiddel i varmevekslersonen benyttes som drivkraft til å bevirke strømning av kjølemiddel tilbake til ekspansjonssonen, og at der finner sted en varmeutveksling mellom kjølemiddeldamp fra ekspansjonssonen og den nevnte gassstrøm før der finner sted varmeutveksling mellom flytende kjølemiddel fra ekspansjonssonen og den nevnte gass-strøm.