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DE1501730A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Verfluessigen von Erdgas - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Verfluessigen von Erdgas

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Publication number
DE1501730A1
DE1501730A1 DE19661501730 DE1501730A DE1501730A1 DE 1501730 A1 DE1501730 A1 DE 1501730A1 DE 19661501730 DE19661501730 DE 19661501730 DE 1501730 A DE1501730 A DE 1501730A DE 1501730 A1 DE1501730 A1 DE 1501730A1
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DE
Germany
Prior art keywords
pressure
gas
compressor
natural gas
cycle
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE19661501730
Other languages
English (en)
Inventor
Becker Dipl-Ing Rudolf
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of DE1501730A1 publication Critical patent/DE1501730A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
345) η GG/032
26. Mai 1966
Verfahren und Vorrichtung zum Verflüssigen von Erdgas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Verflüssigen von Erdgas durch Abkühlen mittels eines geschlossenen Kältekreislaufs mit einem tiefer als Methan siedenden
Fremdgas.
Der Spitzenbedarf an Heizgasen in den Wintermonaten kann durch die vorhandenen, zunehmend stärker belasteten Fernleitungen häufig nicht mehr gedeckt werden. Die Speicherfähigkeit der Fernleitung genügt nur für kurzzeitige Tagesspitzen, für einen länger anhaltenden Mehrbedarf muß man zusätzlich
unter Aufwendung erheblicher Mittel Ersatz schaffen. Man kann
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feste oder flüssige Brennstoffe vergasen oder auch verflüssigte Gase antransportieren, verdampfen und in die Verbrauchsleitung schicken· Alle diese Maßnahmen bedingen erhebliche Investitionen und dazu hohe Transportkosten. Daher ist man häufig dazu übergegangen, große Speicher für verflüssigte oder unter Druck stehende ,Gase anzulegen.
Will man die Gase in flüssiger Form speichern, um mit einem kleinen Speicher auszukommen, so ist eine Anlage nötig, die während der Zeiten geringen Verbrauchs Gas verflüssigt und außerdem in der Lage sein muß, das aus dem Speicherbehälter durch die unvermeidliche Wärmezufuhr aus der Umgebung verdampfende Gas wieder zu verflüssigen oder in das Leitungsnetz zurückzudrücken. Dabei herrschen je nach Gasanlieferung und Gasverbrauch verschieden hohe Drücke in den Leitungen, so daß sich die Verflüssigungsanlage dauernd den veränderten Verhältnissen anpassen muß.
Schließlich enthält das Ferngas meist noch Spuren von Feuchtigkeit, Kohlensäure und Schwefelverbindungen, die praktisch vollständig entfernt werden müssen, um Verstopfungen in den kalten Wärmeaustauschern und Entspannungseinrichtungen zu verhüten. Diese Reinigungsanlagen sind sehr teuer, da die gesamte zu entspannende Gasmenge gereinigt werden muß, während in vielen Fällen je nach dem zur Verfügung stehenden Druckunterschied nur der fünfte oder gar nur der fünfzehnte Teil als Flüssigkeit in den Speicher gelangt.
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Da eine Verflüssigungsanlage für den geschilderten Zweck nur während der warmen Jahreszeit in Betrieb ist, fallen die Investitionskosten gegenüber den Betriebskosten besonders stark ins Gewicht. Hinzu kommt, daß die Verflüssigungsanlage nur dann gebraucht wird, wenn das Gas im Überschuß vorhanden ist. In dieser Zeit ist der Gasverbrauch zum Antrieb der der Verflüssigung dienenden Verdichter kostenmäßig niedrig zu bewerten. Auch die Bedienung der Anlage muß einfach sein, da für die kurzen Betriebszeiten schwer geeignetes Personal zu finden ist. Daher muß die Anlage möglichst vollautomatisch arbeiten können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas durch Abkühlen mittels eines geschlossenen Kältekreislaufs mit einem tiefer als Methan siedenden Fremdgas, insbesondere Stickstoff, als Kreislaufgas zu schaffen, das sich bei niedrigen Investitionskosten ohne großen Regelaufwand leicht dem veränderlichen Gasangebot aus der Ferngasleitung anpassen läßt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das verdichtete Kreislaufgas in zwei oder mehr Teilströme verzweigt wird, von denen der erste durch Wärmeaustausch mit den parallel zueinander arbeitsleistend auf den Saugdruck des Kreislaufkompressors entspannten restlichen Teilströmen so weit gekühlt wird, daß er nach der Entspannung auf den Saug-
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druck des Kreislaufkompressors in einem Zustand auf oder nahe der Flüssigkeitsgrenzkurve, d.h. dem linken Abschnitt der Sättigungslinie im Τ,ε-Diagramm für das Kreislaufgas, vorliegt, wobei der Saugdruck des Kreislaufkompressors so festgelegt ist, daß durch anschließenden Wärmeaustausch des bei diesem Druck "siedenden ersten Teilstromes mit dem unter Lagerungsdruck stehenden Erdgas das letztere verflüssigt wird.
Außer Stickstoff können auch Argon oder Helium als Kreislaufgas verwendet werden.
Vorzugsweise wird der erste Teilstrom so weit gekühlt, daß nach seiner Entspannung noch mindestens 95 # in flüssiger Form vorliegen.
Die geschilderte Arbeitsweise ermöglicht es, das Methan unter Lagerungsdruck, das ist in den meisten Fällen etwa Atmosphärendruck, zu verflüssigen. Das bedeutet, daß auch bei niedrigen Ferngasdrücken ein Ferngaskompressor entbehrlich ist und daß das durch Wärmeeinwirkung verdampfte Methan rückverflüssigt werden kann, ohne daß es auf Umgebungstemperatur angewärmt und rekomprimiert zu werden braucht. Dadurch, daß der Saugdruck des Kreislaufkompressors verhältnismäßig hoch gewählt werden kann - er liegt für reines Methan als zu verflüssigendes Gas und Stickstoff als Kreislaufgas bei etwa 12 ata - ergibt sich ein relativ niedriges Druckverhältnis, so daß weniger Kompressorstufen nötig sind·
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Der Kompressionsenddruck des Kreislaufs hängt von der verlangten Leistung ab. Pur kleinere Leistungen (bis ca. 5000 Nm /h Flüssigmethan) beträgt er vorzugsweise bis zu 200 atü, wobei ein Kolbenkompressor verwendet wird. Für größere Leistungen wählt man zweckmäßig einen zwischen etwa 50 und etwa 200 atü liegenden Kompressionsenddruck und arbeitet dabei mit einem Turbokompressor.
Wegen dieser hohen Arbeitsdrücke läßt sich bei kleinem Druckabfall ein besserer Wärmeübergang erzielen, so daß erheblich weniger Heizfläche eingebaut werden muß. Ferner sind die Volumina der umzuwälzenden Gase und damit auch die Dimensionen der Anlage wesentlich kleiner. Wichtig ist außerdem, daß das vorliegende Verfahren als Hochdruckprozeß einen verhältnismäßig niedrigen Energieverbrauch aufweist.
Steht das Erdgas unter erhöhtem Druck zur Verfügung, so wird es in Weiterbildung des Erfindungsgedankens bei gleichzeitiger Verringerung der Kreislaufgasmenge arbeitsleistend und kälteerzeugend entspannt. Die dabei erzielte Energieersparnis fällt besonders dann ins Gewicht, wenn entspanntes nicht verflüssigtes Erdgas unter geringem Druck in die Verbraucherleitung abgegeben werden kann.
Gemäß einer anderen Ausführ.ungsform der Erfindung wird das Erdgas, wenn es unter erhöhtem Druck vorliegt, unter diesem Druck verflüssigt und dabei das Druckniveau des Stick-
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Stoffkreislaufs erhöht. Da die Kälte bei höherer Temperatur erzeugt wird, tritt dabei eine Energieersparnis ein·
Da das gesamte Kältekreislaufsystem erfindungsgemäß zwischen nur zwei Drücken arbeitet, läßt sich dessen Kälteleistung leicht regulieren. Zweckmäßig geschieht dies dadurch, daß die Kreislaufmenge in Abhängigkeit vom Druck im Lagertank verändert wird, derart, daß komprimiertes warmes Kreislaufgas,sobald der Druck im Lagertank einen bestimmten Wert unterschreitet, in einen Druckbehälter abgeben wird und daß, sobald der Druck im Lagertank einen bestimmten Wert überschreitet, Kreislaufgas aus dem Druckbehälter der Saugseite des Kreislaufkompressors zugeführt wird.
Der zu verflüssigende erste Teilstrom kann nach seiner Abkühlung arbeitsleistend entspannt oder •drosselentspannt werden. Zieht man aus Vereinfachungsgründen die Drosselentspannung vor, so ist es bei Drücken über ca. 100 ata vorteilhaft, zweistufig mit ZwlschenabkUhlung zu entspannen. Dadurch umgeht man den Druck-Temperatur-Bereich, in dem der Thomson-Joule-Effekt negativ ist, d.h. bei der Drosselentspannung Erwärmung auftritt.
Die zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dienende Vorrichtung besteht aus einer von der Druckseite des Kreislaufkompressors zu einer Entspannungsvorrichtung führenden ersten Hochdruckleitung und einer von
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der Entspannungsvorrichtung zur Saugseite des Kreislauf !compress ..führenden ersten Niederdruckleitung, aus einer oder mehreren weiteren Expansionsmaschinen, deren Hochdruokseiten Jeweils mit einer von der ersten Hochdruckleitung abzweigenden weiteren Hochdruckleitung und deren Niederdruckseiten Jeweils über Wärmeaustauscher, deren zweite Querschnitte in die erste Hochdruckleitung eingeschaltet sind, mit der Niederdruckseite des KreislaufkorapresBors verbunden sind sowie aus mindestens einem in die erste Niederdruckleitung eingeschalteten Wärmeaustausche über dessen zweiten Querschnitt die Rohgasleitung mit dem Lagertank verbunden ist·
Das Verfahren gemäß der Erfindung wird nun anhand der schematischen Darstellungen Fig. 1-3 beispielsweise erläutert.
Bei dem Verfahren nach Figur 1 wird der Kreislaufstickstoff- In Kompressor 1 auf 100 ata verdichtet, der Hochdruckleitung 2 .zugeführt und anschließend in einen ersten und zweiten Teilstrom verzweigt. Letzterer gelangt über Leitung 3 zur Turbine 4, wird dort auf den Saugdruck des Kompressors 1, das sind 12 ata, entspannt und gibt die dabei gewonnene Kälte Im Wärmeaustauscher 5 an den ersten Teilstrom ab. Dieser wird an der Stelle 6 wiederum geteilt. Der dritte Teilstrom gelangt Über Leitung 7 zur Turbine 8, wird dort ebenfalls auf 12 ata entspannt und kühlt anschließend im Wärmeaustauscher 9 den
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ersten Teilstrom so weit vor, daß dieser nach der Entspannung in der Turbine 10 praktisch vollständig als Flüssigkeit vorliegt. Der flüssige, jetzt unter einem Druck von 12 ata stehende Stickstoff wird nun über die Niederdruckleitung 11 den Gegenströmern 12 und 13 zugeführt und dort in Wärmeaustausch mit dem durch Leitung 14 unter mindestens 1 ata angelieferten Erdgas gebracht, welches dabei zunächst vorgekühlt, im Gegenströmer 12 zusammen mit dem aus Leitung 15 kommenden, durch Wärmeeinwirkung im Lagertank 16 verdampften Erdgas verflüssigt und schließlich in den Lagertank eingespeist wird.
Die Kälteleistung wird wie folgt reguliert: Bei zu hoher Kälteleistung wird mehr Erdgas verflüssigt als angeliefert und im Lagertank 16 verdampft wird, so daß der Tankdruck sinkt. Hat dieser einen bestimmten Wert unterschritten, so öffnet sich das Regelventil 17 und entläßt eine gewisse Stickstoffmenge aus dem Kreislaufsystem in den Druckbehälter" 1β· Dadurch sinken sämtliche Drücke im Stickstoffkreislaufsystem· Bei niedrigem Druck fördern -der Kompressor 1 und die Turbinen 4, 8 und 10 geringere Gasmengen und erzielen damit kleinere Verflüssigungsleistungen, bis Gasanfall und Verflüssigungsleistung ausgeglichen sind.
Ist die Kälteleistung des Kreislaufs zu gering, so wird weniger Erdgas verflüssigt als angeliefert und verdampft wird· Infolgedessen steigt der Druck im Lagertank 16, über-
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schreitet dieser Druck einen bestimmten Wert, so wird Regeltventil 19 geöffnet und durch Überströmen von Druckstickstoff aus dem Behälter 18 in die Saugleitung 11 des Kompressors die Leistung erhöht.
Über die Querverbindungsleitung 20 lassen sich durch die Ventile 21 und 22 die Temperaturen an den kalten Enden der Wärmeaustauscher 5 und 13 einstellen.
Figur 2 zeigt ein Verfahrensschema, bei welchen der Kompressorenddruck ;50° ata, der Saugdruck ebenso wie im vorhergehenden Beispiel 12 ata beträgt. Gleiche Teile sind mit gleichen Ziffern bezeichnet.
Das verdichtete Kreislaufgas wird zunächst im Wärmeaustauscher 5 abgekühlt und dann bei 6 geteilt. Der eine Teilstrom wird in der Expansionsmaschine 8 auf 12 ata entspannt und durch die Gegenstromwarmeaustauscher 25* 24 und 5 zurück zur Saugseite des Kompressors geführt. Der zu verflüssigende Teilstrom wird im Wärmeaustauscher 24 nochmals gekühlt, im Ventil 25 auf einen Zwischendruck von 30 ata entspannt und nach weiterer Abkühlung im Wärmeaustauscher 23 bei 26 durch eine letzte Drosselentspannung auf einen Druck von 12 ata gebracht. Die dabei gebildete Flüssigkeit wird nun in den Wärmeaustauschern 12 und 13 im Gegenstrom zu dem unter etwa Atmosphärendruck stehenden Erdgas verdampft und angewärmt und wieder zum Kompressor 1 zurückgeführt.
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Die Regelung der Kälteleistung erfolgt in diesem Fall derart, daß der Durchsatz durch den Kompressor und die Expansionsmaschine mit bekannten Mitteln verändert wird·
In Figur 3 ist sehematisch dargestellt» wie der Erdgasstrom durch die Wärmeaustauscher 12 und 13 zu führen ist, wenn das Erdgas unter Druck angeliefert wird· Die übrigen Verfahrensschritte sind die gleichen wie in Figur 1 bzw. 2· Demgemäß wird Erdgas, das durch Leitung 27 unter einem Druck von beispielsweise 30 ata angeliefert wird, zunächst im Wärmeaustauscher 13 vorgekühlt, anschließend in der Turbine 28 arbeitsleistend auf den Druck des Lagertanks 16 entspannt und dann zusammen mit dem im Tank 16 durch Wärmeeinwirkung verdampften Erdgas im Wärmeaustauscher 12 verflüssigt.
8 Patentansprüche
1 Blatt Zeichnungen
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Claims (1)

  1. LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    J1 Str/pf
    26· Mai 1966
    Patentansprüche
    1·-Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas durch Abkühlen mittels eines geschlossenen Kältekreislaufs mit einem tiefer als Methan siedenden Fremdgas, insbesondere Stickstoff, als Kreislaufgas, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Kreislaufgas in zwei oder mehr Teilströme verzweigt wird, von denen der erste durch Wärmeaustausch mit den parallel zueinander arbeltsleistend auf den Saugdruck des Kreislaufkompressors entspannten restlichen Teilströmen so weit gekühlt wird, daß er nach der Entspannung auf den Saugdruck des Kreislaufkompressors in einem Zustand auf oder nahe der Flüssigkeitsgrenzkurve vorliegt, wobei der Saugdruck des Kreislaufkompressors so festgelegt ist, dafl durch anschließenden Wärmeaustausch des bei diesem Druck siedenden ersten Teilstromes mit den unter Lagerungsdruck stehenden Erdgas das letztere verflüssigt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teilstrom so weit gekühlt wird, daß nach seiner Entspannung mindestens 95 % in flüss&r Form verbleiben.
    .A
    9098U/1395
    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    j5· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, ■daß der Kompressionsenddruck für kleinere Leistungen 100 bis JOO atü beträgt, wobei ein Kolbenkompressor verwendet wird.
    4, Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressionsenddruck zwischen etwa 50 und etwa 200 atü liegt und ein Turbokompressor verwendet wird.
    5· Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei Erdgas unfcsr erhöhtem Druck zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdgas arbeitsleistend entspannt und gleichzeitig die Kreislaufgasmenge verringert wird.
    6, Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei Erdgas unter erhöhtem Druck zur Verfügung steht, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdgas unter dem erhöhten Druck verflüssigt und gleichzeitig das Druckniveau des Kältekreislaufs erhöht wird.
    90 9 8 Λ Λ / 1395
    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    7« Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeidi net, daß die Kreislaufgasmenge in Abhängigkeit vom Druck im Lagertank verändert wird, derart, daß komprimiertes warmes Kreislaufgas, sobald der Druck im Lagertank einen bestimmten Wert unterschreitet, in einen Druckbehälter abgegeben wird "und daß, sobald der Druck im Lagertank einen bestimmten Wert überschreitet, Kreislaufgas aus dem Druckbehälter der Saugseite des Kreislaufkompressors zugeführt wird.
    8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine von der Druckseite eines Kreislaufkompressors (l) zu einer Entspannungsvorrichtung (lO) führende erste Hochdruckleitung (2) und eine von dieser Entspannungsvorrichtung zur Saugseite des Kreislaufkompressors (l) führende erste Niederdr.uckleitung (ll), durch mindestens eine weitere Expansionsmaschine (4, 8), deren Hochdruckseite jeweils mit einer von der ersten Hochdruckleitung (2) abzweigenden weiteren Hochdruckleitung (3* 7) und deren Niederdruckseite jeweils über Wärmeaustauscher (5, 9)* deren zweite Querschnitte in die erste Hochdruckleitung (2) eingeschaltet sind, mit der Niederdruckseite des Kreislaufkompressors (l) verbunden ist sowie durch mindestens einen in die erste Niederdruckleitung (ll) eingeschalteten Wärmeaustauscher (12, 13)* über dessen zweiten Querschnitt die Rohgasleitung (l4) mit dem Lagertank (l6) verbunden ist.
    909844/1395
    Leerseite
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