NO175392B - Framgangsmåte ved kondensering av hydrokarbongasser og et apparat for utförelse av samme - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen angår en framgangsmåte og et apparat for kondensering av hydrokarbongasser som omfatter to eller flere komponenter, som angitt i den innledende del av henholdsvis krav 1 og 2.

Tanker i LPG-skip kan være fullkjølte eller semikjølte. Da temperaturen i lasten er lavere enn omgivelsestemperaturen vil varme strømme til og lasten vil koke. For å holde trykket lavt må avkoket kondenseres gjennom et rekondenseirngsanlegg.

Mange LPG-laster inneholder mindre mengder av andre komponenter. For eksempel kan en propanlast inneholde 5 % etan i væskefasen. Avkoket vil da inneholde omlag 27% etan. Kondensering av en binær eller flerkomponent blanding skjer i motsetning til for en ren forbindelse over et temperaturintervall.

I vanlige rekondenseringsanlegg benyttes rørkjelkondensatorer der avkoket kondenseres på utsiden av rørene mot et fordampende kuldemedium eller sjøvann på innsiden av rørene.

Ved kondensasjon av en binær eller multikomponent blanding på utsiden av rørene vil bobletemperaturen inne i vekseleren være lavere enn ved innløpet. Dette forklares ved forskjellen på differensial- og integralkondensering. Ved differensialkondensering fjernes væsken fortløpende under kondenseringen. Andelen av den lette komponenten i gassfasen vil da øke. Ved integralkondensering blir væsken værende ved gassen,

slik at gassammensetningen er gitt og bobletemperaturen er konstant.

Rørkjelkondensatoren med kondensasjon på utsiden av rørene vil ha en kondensasjonskurve som ligger mellom integral- og differensialkurven. I de områdene av veksleren hvor gassutskiftningen er lav vil kondensasjonskurven være nærmere differensialkurven. Når duggpunktet til den gjenværende gassen er lavere enn rørveggtemperaturen vil gassen hope seg opp, og kondenseringen vil være ineffektiv i disse områdene. De ineffektive områdene er unyttig vekslerareal, og dette øker kompressorarbeidet.

For å hindre at gasslommene oppstår kan det benyttes en purgekondensator. Den ukondenserte gassen tappes av og kondenseres med en fordamperkveil som er tilført nedstrupt kondensat fra purgekondensator og/eller hovedkondensator. Det fordampede kondensatet returneres til suge- eller mellomtrykk på kompressoren.

Denne konstruksjonen hindrer riktignok gasslommer og dermed ineffektivt kondensatorareal, men returstrømmen gjennom fordamperkveilen øker massestrømmen gjennom kompressoren og resulterer dermed en økning i arbeidet.

Hovedformålet med den foreliggende oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte og et apparat for å redusere energiforbruket og påkrevet kompressortrykk ved en slik rekondenseringsprosess.

Dette formål løses ved en framgangsmåte og et apparat som angitt i den karakteriserende del av henholdsvis patentkrav 1 og 2. Ytterligere fordelaktige trekk ved oppfinnelsen framgår av de uselvstendige kravene.

Ved framgangsmåten for kondensering av flerkomponentblandinger i henhold til den foreliggende oppfinnelsen blir gassfasen delvis kondensert, fortrinnsvis på rørsiden av en første del av en rørvarmeveksler, med kjølevann eller et annet kjølemedium ført på utsiden av rørene, fortrinnsvis på en slik måte at det kondenserende avkoket hele tiden er så nær gass/væske-likevekt som mulig; dvs. ved integralkondensering. Deretter kondenseres den delvis kondenserte gassen, som føres sammen med sitt kondensat, ytterligere, eventuelt fullstendig eller selv til underkjølt tilstand i en andre del av samme varmeveksler, eller evt. en separat varmeveksler som på den kondenserende side kommuniserer direkte med den første varmeveksleren, ved bruk av en andel av kondensatet fra kondensatorutløpet som kjølemedium som fordamper eventuelt ved strømning utenpå rørene, idet også kjølemediet fortrinnsvis fordamper så nær gass/væske-likevekt som mulig. Første og andre del av varmeveksleren er imidlertid atskilt på en slik måte at de respektive kjøle-/kuldemedier ikke kommuniserer innbyrdes.

Dimensjonene på den første del av varmeveksleren, eller den første varmeveksleren, som skjer ved varmeveksling med et kjølemedium som vann, eksempelvis sjøvann, eller med et fordampende kuldemedium, sammenliknet med størrelsen av den andre del av varmeveksleren, evt. den andre varmeveksleren, der kondensasjonen skjer ved varmeveksling mot fordampende kondensat fra kondensatorutløpet av den siste varmeveksleren, er avhengig av hvor stor partiell kondensasjon som ønskes i den første del av veksleren. Dess lavere grad av partiell kondensasjon i den første seksjonen, dess større krav stilles til utformingen av den etterfølgende kondensatorseksjonen. Dimensjoneringen av de ulike varmevekslerseksj onene vil måtte varieres i hvert enkelt tilfelle etter en vanlig teknisk-økonomisk vurdering.

Dersom kjølemediet i første del av veksleren er vann, kan varmeveksling mellom denne første del og annen del, der videre kondensering skjer ved varmeveksling mot fordampende kondensat, hindres ved at det mellom første og annen del av veksleren monteres et isolerende overgangsstykke, for eksempel utført som en separat rørsats, for å hindre at vannet fryser ved eventuelle driftsforstyrrelser.

Første og andre del av varmeveksleren kan imidlertid også utformes med en krum rørsats i f.eks. to pass, men på en slik måte at avkoket på rørsiden føres uavbrutt gjennom henholdsvis første og andre del av varmeveksleren/kondensatoren for henholdsvis partiell og fullstendig kondensering.

I det etterfølgende er det gitt en nærmere beskrivelse av den foreliggende oppfinnelsen med henvisning til vedlagte figurer, der

figur 1 viser et forenklet flytskjema for en rekondenseirngsprosess i henhold til den foreliggende oppfinnelsen, og

figur 2 illustrerer en utførelsesform av en kondensator i henhold til den foreliggende oppfinnelsen.

En lagertank for LPG-gass omfattende to eller flere komponenter 150 tilføres varme slik at det dannes et avkok. Avkoket forlater lagertanken 150 via strøm 101 og komprimeres i et første trinn 151. Det komprimerte avkoket føres deretter eventuelt inn i en mellomkjøler, her vist som en vanlig mellomtrykksbeholder 152 der det gassformige avkoket føres inn under væskespeilet av kondensat opptatt i mellomtrykksbeholderen 152, slik at avkoket kjøles i denne. Nivået i mellomtrykksbeholderen 152 holdes konstant ved at kondensat fra strøm408 slippes inn gjennom ventil 157. Strøm 108 ledes via en varmevekslerkveil i mellomtrykkstanken 152 til strøm 109, og strupes deretter i en ventil 158 og ledes tilbake til lagertanken 150 via strøm 110.

Det gassformige ukondenserte avkoket forlater mellomtrykkstanken 152 og komprimeres i et andre trinn 153 og deretter eventuelt i et tredje trinn 154 til et trykk som tilsvarer et partielt kondensasjonspunkt noen grader K over sjøvanns - eller kuldemediatemperaturen. Det komprimerte avkoket føres deretter via strøm 106 til første del av varmeveksleren 155a og fordeler seg inne i rørene. Gassen er overhetet og blir nedkjølt og partielt kondensert i gass/væske-likevekt i motstrøm med kuldemediet/sjøvannet som føres inn i veksleren via strøm 131 og ut gjennom strøm 132. Ved utløpet av den første del av varmeveksleren 155a har avkoket nådd et forhåndsbestemt punkt på kondensasjonskurven, eksempelvis 36 mol% væske. Det partielt kondenserte avkoket føres deretter sammen med sitt kondensat videre til den andre del 155b av varmeveksleren, alternativt den andre varmeveksleren, og varmeveksles fortrinnsvis motstrøms mot en del av sitt eget kondensat fra strøm 107 som er splittet i en produktstrøm 108 og en returstrøm 120, der returstrømmen 120 er strupet over en strupeventil 156 eller tilsvarende, og ført tilbake til den andre del 155b av veksleren via strøm 121. Returstrømmen 120 som brukes som kjølemedium for det partielt kondenserte avkoket i andre del 155b av veksleren, strupes til et trykk og en temperatur som resulterer i en tilstrekkelig temperaturdifferanse i den andre del av veksleren, og kondensatet fordamper og overhetes eventuelt til noen grader over duggpunktet, mens den kondenserer restgassen i den andre del av varmeveksleren 155b, og fortsetter ut gjennom strøm 122 og tilbake til innløpet 105 for f.eks. tredje komprimeirngstrinn 154. Hvor returstrømmen 120 skal føres tilbake, må avgjøres ved en vanlig teknisk-økonomisk optimalisering i hvert enkelt tilfelle. Optimalt utbytte med hensyn til energiforbruk oppnås dersom både avkoket tilført i strøm 106 og kondensatet tilført i strøm 121 henholdsvis kondenserer og fordamper så nær gass/væske-likevekt som mulig.

Den rekondenserte gassen i strøm 107 splittes som nevnt ovenfor i strøm 120 og 108, der kondensatet i strøm 108 strupes over en strupeventil 158 og føres tilbake til lagertanken 150 eller tilsvarende i strøm 110, evt. via mellomtrykkstanken 152 for underkjøling av det delvis komprimerte avkoket i strøm 103 ved varmeveksling mot kondensatfasen i mellomtrykkstanken.

Figur 2 illustrerer en utførelsesform av varmeveksleren/kondensatoren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Varmeveksleren er her utført i en enkelt modul 255 som omfatter en første del 255a og en andre del 255b utformet med en rørsats 256 som er ført uavbrutt gjennom begge vekslerdelene 255a og 255b. De ulike varmevekslerdelene 255a og 255b er her adskilt med en lukket seksjon 258 som eventuelt er konstruert av et materiale med lav varmegjennomgang for å hindre isdannelse på utsiden av rørene i den første varmevekslerdelen. Den primære hensikten med den lukkete seksjonen 258 er imidlertid at verken gass- eller væskeformig medium på utsiden av rørene 256 kan utveksles mellom henholdsvis

første og andre del 255a og 255b av varmeveksleren 255.

Den første vekslerdelen 255a er i enden forsynt med et innløp 206 for gassformig avkok fra kompresjonstrinnet beskrevet ovenfor som fordeler seg inne i de enkelte rør i rørsatsen 256. Rørsatsen 256 er ført kontinuerlig gjennom begge vekslerdelene 255a og 255b og munner ut i et utløp 207 for kondensat. Den første del av veksleren 255a er videre forsynt med et innløp 231 for kulde-/kjølemedium, slik som sjøvann, slik at dette kontakter utsiden av rørsatsen 256 på forsåvidt kjent måte, for deretter å føres ut av veksleren gjennom strøm 232 i retning motstrøms gasstrømmen på innsiden av rørsatsen 256.

Utløpet for kondensat 207 i enden av den andre vekslerdelen 255b er splittet i en produktstrøm 208 og en returstrøm 220, hvorved sistnevnte via en strupeventil 221 kommuniserer med skallsiden av den andre del 255b av veksleren, slik at væskeformig kondensat nær kokepunktet kan strømme motstrøms mot kondensat/gass-blanding inne i rørsatsen 256 og fordampe, fortrinnsvis så nær gass/væske-likevekt som mulig. Den andre delen 255b av veksleren er videre forsynt med et utløp 222 for gassformig kjølemedium som returneres tilbake til kompresjonstrinnet, som beskrevet ovenfor.

Varmeveksleren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen kan på utsiden av rørsatsen 256 være forsynt med ledeplater 257 av forsåvidt kjent utforming, for på denne måten å bidra til lavere effektforbruk i kompresjonstrinnet beskrevet ovenfor.

Da gassen i første seksjon av varmeveksleren bare blir delvis kondensert, er nødvendig kompressortrykk lavere enn ved fullstendig kondensasjon ved hjelp av kuldemediet/sjøvannet. Massestrømmen gjennom kompresjonstrinnet vil øke, men det totale kompresjonsarbeidet vil derimot reduseres på grunn av at påkrevet utløpstrykk fra kompresjonstrinnet vil bli lavere. Da kondenseringen hele tiden foregår inne i rørene i en enkelt veksler slipper en problemene med fordeling av en multikomponent blanding og partiell kondensasjon ved overgang mellom to vekslere.

Eksempel 1

Dette simuleringseksemplet har til hensikt å illustrere effektbesparelse ved bruk av framgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen ved rékondensering av propan med mindre mengder etan som damper av fra LPG- tank. I simuleringen er det ikke tatt hensyn til forskjellen mellom differensial- og integralkurven.

Propan med 5% etan i væskefasen koker i en lastetank. Lastetanken antas å få tilført 226. 7 kWfra omgivelsene. Kompresjonstrinnene simuleres med en virkningsgrad på henholdsvis 60%, 70% og 80% ( fig. 1). Med en sjøvannstemperatur på 32 °C vil et rekondenseringsanlegg av kjent type som illustrert i figur 1, men med en enkel varmeveksler for en fullstendig kondensasjon mot sjøvannet, kreve 245 kW tilført kompresjonstrinnet.

Ved bruk av en kondensator i henhold til den foreliggende oppfinnelsen med to seksjoner, der avkoket kondenseres partielt til 36 mol% ved sjøvannets innløp og der 64 mol% av kondensatet returneres tilbake gjennom kondensatorens andre seksjon for å tjene som fordampende kuldemedium, vil kompresjonstrinnet kreve kun 197 kW tilført effekt.

Det er i begge alternativene antatt fullstendig kondensasjon ut av vekslerene, og temperaturdifferansen er minimum 8°K mellom sjøvann og kondensat og minimum 4°K i siste seksjon av kondensatoren.

Som det framgår av eksempel 1, er det ved simulering av framgangsmåten mulig å oppnå omlag 20% effektbesparelse ved bruk av en varmeveksler i henhold til den foreliggende oppfinnelsen omfattende to seksjoner og med etterkondensering sammenliknet med en fullstendig kondensajon ved hjelp av bare sjøvann eller et kuldemedium. Effektbesparelse med hensyn til differensial- og integralkondensering er avhengig av konstruksjonen av veksleren med kondensasjon utenpå rørene. En kondensator uten ledeplater og lav gassutskiftningsgrad har kondensasjonskurve nærmest differensialkurven og krever størst effekt fra kompressoren.

Varmegjennomgangstallet kan økes ved kondensasjon inne i rørene. Dersom en reduserer antall rør vil gasshastigheten øke og dermed også

varmegjennomgangstallet. En veksler med stort rørlengde/manteldiameter-forhold samt med få og lange rør vil gi et lite areal og lavest kostnad. En må ha tilstrekkelig hastighet i rørene til at skjærspenningen fra gassen på væsken sikrer en god

drenering av kondensatet.

Den andre varmevekslerseksjonen er i figur 2 illustrert i form av en

rørsatskondensator, men rørdiameteren kan med fordel være mindre enn i den første varmevekslerseksjonen. Andre utførelsesformer av den andre varmevekslerdelen kan imidlertid også anvendes. For eksempel kan hvert enkelt kondensat/gass-førende rør på utsiden forsynes med ei kappe eller en mantel i form av et omsluttende rør for transport av fordampende kondensat (ikke illustrert). En slik utførelsesform vil gi et fordampningsforløp i den andre varmevekslerseksjonen alternativt den andre varmeveksleren som ligger nær gass/væske-likevekt. Videre kan den andre varmevekslerseksjonen utformes som en platevarmeveksler, eller en plate-finne-varmeveksler.

Selv om beskrivelsen foran primært er rettet mot rekondensering av LPG-gass fra skipslaster, skal framgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelsen ikke anses for å være begrenset til slike anvendelsesområder. Prinsippet kan for en fagmann lett overføres til andre flerkomponent-systemer som oppviser ulike kondensasjonstemperaturer for kondensering av avkok, gass-strømmer o.l., f.eks. i prosess-sammenheng.

Claims (7)

1. Framgangsmåte for kondensering av hydrokarbongasser som omfatter to eller flere komponenter, slik som for rekondensering av avdampet LPG fra lagertanker, bestående av propan og mindre mengder etan, hvorved avkoket (101) komprimeres, eventuelt kjøles i en mellomtrykkstank (152) og komprimeres i ett eller flere etterfølgende trinn (153,154), og deretter kondenseres i en varmeveksler (155) ved bruk av et separat kjølemedium (131,132), slik som vann eller et fordampende kuldemedium, karakterisert ved at det komprimerte avkoket (106) kondenseres partielt ved varmeveksling mot det separate kjølemediet (131,132) i et første kondensasjonstrinn (155a) hvoretter det partielt kondenserte avkoket kondenseres ytterligere i et andre trinn (155b), fortrinnsvis til fullstendig kondensasjon ved varmeveksling mot en del av det kondenserte avkoket (120) fra det andre trinnet (155b), hvilket avkok (120) strupes ned (156) og fordamper ved varmeveksling mot det partielt kondenserte avkoket fra det første trinnet (155a).

2. Varmeveksler for utførelse av framgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved at den består av en første seksjon (255a) for partiell kondensering av avkoket mot et separat kjøle-medium, og en etterfølgende andre seksjon (255b) for ytterligere kondensering av avkoket, som er delvis kondensert i den første seksjonen (255a), uten utveksling av ukondensert avkok eller kondensat med omgivelsene under avkokets strømning gjennom den første seksjonen (255a) til den andre seksjonen (255b), en utløpsledning (207) for avtapping av kondensert avkok fra den andre varmevekslerseksjonen (255b), hvilken ledning (207) er forbundet med en produktledning (208) og en returledning (220) med tilhørende strupeventil (221) for å bringe deler av kondensatet fra den andre varmevekslerseksjonen (255b) nær kokepunket, idet returledningen (220) med strupeventil (221) står i forbindelse med den andre varmevekslerseksjonen (255b) for kondensering av partielt kondensert avkok fra den første varmevekslerseksjonen (255a).

3. Varmeveksler ifølge krav 2, karakterisert ved at den første varmevekslerseksjonen (255a) består av en rørvarmeveksler, for partiell kondensering av avkoket, tilført i ledning (206), på innsiden av en rørsats (256) ved varmeveksling mot et kjølemedium tilført inn på mantelsiden av den første seksjonen (255a) gjennom ledning (231) og ut gjennom ledning (232).

4. Varmeveksler ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at den andre varmevekslerseksjonen (255b) består av en rørvarmeveksler, for fullstendig kondensering av avkoket, som er partielt kondensert i den første varmevekslerseksjonen (255a), på innsiden av en rørsats (256) i den andre varmevekslerseksjonen (255b) ved varmeveksling mot deler av det kondenserte avkoket fra den andre varmevekslerseksjonen (255b) tilført via ledning (220) til mantelsiden av den andre seksjonen (255b) og ut av sistnevnte via ledning (222).

5. Varmeveksler ifølge krav 3 og 4, karakterisert ved at første og andre varmevekslerseksjon på en i og for seg kjent måte er utformet i ett stykke, og videre er formet med en lukket seksjon (258) anbrakt mellom første og andre seksjon (255a,255b), hvilken seksjon (258) fortrinnsvis er forsynt med et varmeisolerende materiale for å hindre eventuell isdannelse i den første varmevekslerseksjonen (255a) ved opptreden av driftsforstyrrelser og/eller høy temperaturforskjell mellom de respektive kjølemediene (231,222) i varmevekslerseksjonene (255a) og (255b),

6. Varmeveksler ifølge krav 2, karakterisert ved at den andre varmevekslerseksjonen (255b) består av en i og for seg kjent plate-finne-varmeveksler eller en platevarmeveksler.

7. Varmeveksler ifølge krav 2 eller 6, karakterisert ved at at den første varmevekslerseksjonen (255a) består av en i og for seg kjent plate-finne-varmeveksler eller en platevarmeveksler.