DE1551611C3

DE1551611C3 - Process for liquefying natural gas

Info

Publication number: DE1551611C3
Application number: DE19671551611
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Phys. 6000 Nieder-Eschbach Streich
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1967-12-20
Filing date: 1967-12-20
Publication date: 1976-04-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen von stickstoffhaltigem Erdgas durch Wärmetausch mit den Kreislaufmedien zweier zur Kaskade geschalteter geschlossener Gemischkreisläufe, von denen jeder eine Druckstufe aufweist.The invention relates to a method for liquefying and supercooling nitrogen-containing natural gas through heat exchange with the circuit media of two closed mixed circuits connected in a cascade, each of which has a pressure rating.

Es ist bereits ein Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen von Erdgas bekanntgeworden, bei dem die erforderliche Kälte in zwei zur Kaskade geschalteten Gemischkreisläufen erzeugt wird, von denen jeder nur eine Druckstufe aufweist.A method for liquefying and supercooling natural gas has already become known in which the required cold is generated in two cascaded mixed circuits, each of which has only one pressure level.

Hierbei wird das unter einem Druck von etwa 25 ata stehende Erdgas in Wärmetausch mit dem Kreislaufmedium des ersten Gemischkreislaufes, einem Gemisch aus Äthan, Propan und Butan, zumindest teilweise verflüssigt und daraufhin im Wärmetausch mit dem Kreislaufmedium des zweiten Gemischkreislaufes, einem Gemisch aus Methan und Äthan, vollständig verflüssigt und auf eine Temperatur von etwa -145° C unterkühlt. Anschließend wird das Erdgas in einen Speicherbehälter auf etwa atmosphärischen Druck entspannt. Die ■ hierbei wieder verdampfende Gasteilmenge wird gegen zu verflüssigendes Erdgas angewärmt und aus der Anlage abgezogen (GB-PS 8 95 094).Here, the natural gas, which is under a pressure of about 25 ata, is in heat exchange with the circulating medium of the first mixture cycle, a mixture of ethane, propane and butane, at least partially liquefied and then in heat exchange with the circulating medium of the second mixture circuit, one Mixture of methane and ethane, completely liquefied and subcooled to a temperature of around -145 ° C. The natural gas is then expanded to approximately atmospheric pressure in a storage tank. the ■ The partial amount of gas that evaporates again is warmed up against the natural gas to be liquefied and removed from the Attachment withdrawn (GB-PS 8 95 094).

Das bekannte Verfahren ist relativ unwirtschaftlich, da bei der Entspannung des unterkühlten Erdgases auf Speicherdruck eine erhebliche Menge an Gas wieder verdampft, die unverflüssigt aus der Anlage abgezogen werden muß.The known method is relatively uneconomical, since the expansion of the supercooled natural gas on Storage pressure a considerable amount of gas evaporates again, which is withdrawn from the system without being liquefied must become.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wirtschaftliches Verfahren zum Verflüssigen und Unterkühlen von stickstoffhaltigem Erdgas zu entwickeln.The invention is based on the object of an economical process for liquefying and supercooling of nitrogenous natural gas.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das verflüssigte Erdgas in an sich bekannter Weise in einer Rektifiziersäule einer Abtrennung von Stickstoff und tiefsiedenden Bestandteilen unterzogen wird und daß die Unterkühlung des Erdgases zusätzlich im Wärmetausch mit dem Kreislaufmedium eines dritten offenen Gemischkreislaufes erfolgt, welches Kreislaufmedium aus dem mittleren Bereich der Rektifiziersäule entnommen, gegen das Kreislaufmedium des kältesten geschlossenen Gemischkreislaufes verflüssigt, gegen sich selbst unterkühlt, entspannt und im Wärmetausch mit sich selbst und dem Erdgas verdampft wird.This object is achieved according to the invention in that the liquefied natural gas is known per se Way subjected to a separation of nitrogen and low-boiling components in a rectification column and that the subcooling of the natural gas is additionally in heat exchange with the circulating medium of a third open mixture circulation takes place, which circulation medium from the middle area of the rectification column removed, liquefied against the circulating medium of the coldest closed mixture circuit, is supercooled against itself, relaxed and evaporated in the heat exchange with itself and the natural gas.

Durch die erfindungsgemäße Konzeption eines dritten Gemischkreislaufes gelingt es, das Erdgas vor seiner abschließenden Entspannung auf Speicherdruck bereits so stark zu unterkühlen, daß bei der Entspannung ίο nur noch eine sehr geringe Menge oder überhaupt kein Gas mehr verdampft. Unter Anwendung der Erfindung ist es ohne weiteres möglich, das Erdgas vor seiner Entspannung bereits auf Speichertemperatur bei atmosphärischem Druck, also auf etwa —160°C, zu unterkühlen. Da der dritte Gemischkreislauf im Gegensatz zu den beiden ersten nicht geschlossen, sondern offen ist, und das Kreislaufgemisch unmittelbar aus dem mittleren Bereich der Rektifiziersäule entnommen wird, kommt als weiterer erheblicher Vorteil hinzu, daß für den dritten Kreislauf der Kompressor entfällt. Es ergeben sich somit erhebliche Einsparungen an Investitionsund Betriebskosten. Ein weiterer Vorteil liegt in der Verwendung eines Gasgemisches als Kreislaufmedium des dritten Kreislaufes. Hierdurch kann die Kälte des dritten Kreislaufes über einen relativ weiten Temperaturbereich auf das Erdgas übertragen werden. Die Folge davon ist, daß der Temperaturbereich der beiden ersten Kreisläufe nicht allzuweit ausgedehnt zu werden braucht, was sich thermodynamisch als sehr günstig erweist. The inventive conception of a third mixture cycle makes it possible to get the natural gas before his final relaxation on accumulator pressure to subcool so much that during relaxation ίο only a very small amount or no gas at all evaporates. Using the invention it is easily possible to bring the natural gas to atmospheric storage temperature before it is expanded Pressure to subcool to about -160 ° C. Since the third mixture circuit, unlike the first two, is not closed, but open and the cycle mixture is taken directly from the middle area of the rectification column, Another significant advantage is that there is no compressor for the third circuit. It surrendered This results in considerable savings in investment and operating costs. Another benefit lies in the Use of a gas mixture as the cycle medium of the third cycle. This can reduce the coldness of the third cycle can be transferred to the natural gas over a relatively wide temperature range. The consequence of which is that the temperature range of the first two circuits should not be extended too far needs what proves to be very favorable thermodynamically.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird das Kreislaufmedium des dritten Gemischkreislaufs nach seiner Entspannung zur Kopfkühlung der Rektifiziersäule herangezogen.According to a further feature of the invention, the cycle medium of the third mixture cycle used after its relaxation to cool the head of the rectification column.

Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind dem in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel zu entnehmen.Further explanations of the invention are to be found in the exemplary embodiment shown schematically in the figure refer to.

Gemäß der Figur wird bereits vorgereinigtes Erdgas unter erhöhtem Druck über eine Leitung 1 der Anlage zugeführt und in einem Wärmetauscher 2 auf etwa -75°C abgekühlt. Nach weiterer Abkühlung in einem Wärmetauscher 3 und einem im Sumpf einer Rektifiziersäule 19 angeordneten Wärmetauscher 20 wird es über ein Ventil 21 in der unter einem Druck von etwa 14 ata stehenden Rektifiziersäule 19 entspannt. Das Kopfprodukt der Rektifiziersäule, eine im wesentlichen aus Stickstoff und tiefer siedenden Komponenten bestehende Fraktion, wird über eine Leitung 25 abgezo-According to the figure, pre-cleaned natural gas is already under increased pressure via a line 1 of the system fed and cooled in a heat exchanger 2 to about -75 ° C. After further cooling in one It is a heat exchanger 3 and a heat exchanger 20 arranged in the bottom of a rectification column 19 Relaxed via a valve 21 in the rectifying column 19, which is under a pressure of about 14 ata. The Head product of the rectification column, a product consisting essentially of nitrogen and lower-boiling components Fraction, is withdrawn via a line 25

• gen, in Wärmetauschern 24 und 23 sowie den Wärmetauschern 3 und 2 gegen Erdgas und die Kreislaufmedien von noch zu beschreibenden Kältekreisläufen angewärmt und als Restgas aus der Anlage abgezogen.• gene, in heat exchangers 24 and 23 and the heat exchangers 3 and 2 against natural gas and the circulating media warmed up by still to be described cooling circuits and withdrawn from the system as residual gas.

Das flüssige Sumpfprodukt der Rektiviziersäule 19, das sich im wesentlichen aus Methan und höher siedenden Kohlenwasserstoffen zusammensetzt, wird zunächst im Wärmetauscher 23 auf etwa —145° C und dann im Wärmetauscher 24 auf etwa —160° C weiter abgekühlt und anschließend als Endprodukt aus der Anlage abgezogen. Hierbei ist es so stark unterkühlt, daß bei der anschließenden Entspannung auf etwa atmosphärischen Speicherdruck kein Gas mehr wieder verdampft.The liquid bottom product of the rectifying column 19, which consists essentially of methane and higher boiling points Composed of hydrocarbons, is first in the heat exchanger 23 to about -145 ° C and then in the heat exchanger 24 to about -160 ° C further cooled and then withdrawn from the system as the end product. It is so hypothermic here that with the subsequent expansion to approximately atmospheric storage pressure no more gas again evaporates.

Die zur Verflüssigung und Unterkühlung des Erdgases benötigte Kälte wird in drei zur Kaskade geschalteten Gemischkreisläufen erzeugt, von denen die beiden ersten als geschlossene Kreisläufe ausgebildet sind. Von den Gemischkreisläufen liefert der erste die zwischen Umgebungstemperatur und etwa —75°C, derThe cold required to liquefy and subcool the natural gas is cascaded in three Mixture circuits generated, of which the first two are designed as closed circuits. Of the mixture circuits, the first supplies those between ambient temperature and about -75 ° C, the

zweite die zwischen etwa — 75 und etwa — 145°C und der dritte die zwischen etwa -145 und - 160°C benötigte Kälte.the second between about - 75 and about - 145 ° C and the third between about -145 and - 160 ° C Cold.

Das Kreislaufmedium des ersten Gemischkreislaufs, ein Gemisch aus Methan, Äthan, Propan und Butan, wird in einem Kompressor 9 auf etwa 42 ata verdichtet, in einem Wasserkühler 10 verflüssigt, im Wärmetauscher 2 gegen sich selbst unterkühlt und dann in einem Ventil 12 auf einen Druck von etwa 3 ata entspannt. Unter diesem Druck wird es im Wärmetauscher 2 gegen Erdgas, das Kreislaufmedium des zweiten Gemischkreislaufes und sich selbst verdampft und angewärmt und daraufhin über eine Leitung 13 erneut dem Kreislaufkompressor 9 zugeführt.The cycle medium of the first mixture cycle, a mixture of methane, ethane, propane and butane, is compressed in a compressor 9 to about 42 ata, liquefied in a water cooler 10, in the heat exchanger 2 is hypothermic against itself and then relaxed in a valve 12 to a pressure of about 3 ata. Under this pressure it is in the heat exchanger 2 against natural gas, the cycle medium of the second mixture cycle and vaporizes and warms itself and then again via a line 13 Circuit compressor 9 supplied.

Das Kreislaufmedium des zweiten Gemischkreislaufes, ein Gemisch aus Stickstoff, Methan und Äthan, wird in einem Kompressor 14 auf etwa 42 ata verdichtet, in einem Wasserkühler 15 auf etwa 30⁰C gekühlt und im Wärmetauscher 2, dem es über eine Leitung 16 zugeführt wird, gegen Kreislaufmedium des ersten Gemischkreislaufes verflüssigt. Die weitere Abkühlung des Kreislaufmediums des zweiten Gemischkreislaufes erfolgt zunächst im Wärmetauscher 3 gegen sich selbst, dann in einem Wärmetauscher 26 gegen Sumpfflüssigkeit der Rektifiziersäule 19 und schließlich im Wärmetauscher 23 gegen sich selbst. Das jetzt stark unterkühlte Kreislaufmedium wird nunmehr in einem Ventil 17 auf einen Druck zwischen etwa 3 und 4 ata entspannt und im Wärmetauscher 23 gegen Erdgas, das Kreislaufmedium des dritten Gemischkreislaufs und sich selbst verdampft. Nach weiterer Anwärmung in den Wärmetauschern 3 und 2 wird es über eine Leitung 18 erneut dem Kreislaufkompressor 14 zugeführt.The cycle medium of the second mixture cycle, a mixture of nitrogen, methane and ethane, is compressed to about 42 ata in a compressor 14, ^{cooled to about 30 °} C. in a water cooler 15 and in the heat exchanger 2, to which it is fed via a line 16, Liquefied against the circulation medium of the first mixture circuit. The further cooling of the circulation medium of the second mixture circuit takes place first in the heat exchanger 3 against itself, then in a heat exchanger 26 against the bottom liquid of the rectification column 19 and finally in the heat exchanger 23 against itself between about 3 and 4 ata relaxed and evaporated in the heat exchanger 23 against natural gas, the cycle medium of the third mixture cycle and itself. After further heating in the heat exchangers 3 and 2, it is fed back to the circulation compressor 14 via a line 18.

Der zweite Gemischkreislauf ist so ausgelegt, daß er keine Kälte unterhalb einer Temperatur von etwaThe second mixture circuit is designed so that it does not get cold below a temperature of about

— 145°C an das Erdgas abgeben kann, da es thermodynamisch ungünstig wäre, seinen Arbeitsbereich über ein größeres Temperaturintervall auszudehnen.- Can give off 145 ° C to the natural gas because it is thermodynamic it would be unfavorable to extend its working range over a larger temperature range.

Die Tiefkühlung des Erdgases von einer Temperatur von etwa —145° C auf eine Temperatur von etwaThe freezing of natural gas from a temperature of about -145 ° C to a temperature of about

— 160⁰C erfolgt erfindungsgemäß mittels eines dritten offenen Gemischkreislaufes mit einem Gemisch aus Stickstoff und Methan als Kreislaufmedium. Dieses Stickstoff-Methan-Gemisch wird in der gewünschten Zusammensetzung über eine Leitung 27 aus dem mittleren Bereich der Rektifiziersäule 19 gezogen, im Wärmetauscher 23 gegen Kreislaufmedium des zweiten Gemischkreislaufes verflüssigt, im Wärmetauscher 24 gegen sich selbst unterkühlt und in einem Ventil 28 auf einen Druck von etwa 8 ata entspannt. Einen Teil seiner Kälte gibt es zunächst in eine Kühlschlange 29 zur Erzeugung von Rücklauf für die Rektifiziersäule 19 ab. Daraufhin wird das Stickstoff-Methan-Gemisch über eine Leitung 30 dem Wärmetauscher 24 zugeführt und in diesem unter Abgabe der für die Unterkühlung des Erdgases erforderlichen Spitzenkälte verdampft. Nach weiterer Anwärmung in den Wärmetauschern 23,3 und 2 wird es dann unter etwa Umgebungstemperatur als Brenngas aus der Anlage abgezogen.- 160 ⁰ C according to the invention is carried out by means of a third open mixture cycle with a mixture of nitrogen and methane as the circulating medium. This nitrogen-methane mixture is drawn in the desired composition via a line 27 from the middle area of the rectification column 19, liquefied in the heat exchanger 23 against the circulating medium of the second mixture circuit, supercooled in the heat exchanger 24 against itself and in a valve 28 to a pressure of about 8 ata relaxed. Part of its coldness is first passed into a cooling coil 29 to generate return for the rectification column 19. The nitrogen-methane mixture is then fed to the heat exchanger 24 via a line 30 and evaporated in this, releasing the peak cold required for subcooling the natural gas. After further heating in the heat exchangers 23, 3 and 2, it is then withdrawn from the system as fuel gas at around ambient temperature.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patent claims:

1. Process for liquefying and supercooling nitrogenous natural gas by heat exchange with the circulating media of two cascaded closed mixture loops, of which each has a pressure level, thereby characterized in that the liquefied natural gas in a known manner in a rectifying column a separation of nitrogen and low-boiling components is subjected and that the subcooling of the natural gas also in heat exchange with the circulating medium of a third open mixture circuit takes place, which circulating medium is taken from the middle area of the rectification column, liquefied against the circulating medium of the coldest closed mixture cycle, against itself undercooled, relaxed and evaporated in the heat exchange with itself and the natural gas will.

2. The method according to claim 1, characterized in that the circuit medium of the third mixture circuit after its relaxation is used to cool the head of the rectification column.