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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Herstellung von verflüssigtem
Erdgas (liquefied natural gas = LNG) wird durch Kühlen und
Kondensieren eines Beschickungsgasstroms gegen mehrere Kältemittelströme, die
durch umlaufende Kälteerzeugungssysteme
bereitgestellt werden, erreicht. Das Kühlen der Erdgasbeschickung
erfolgt durch verschiedene Kühlzyklen
wie den bekannten Kaskadenzyklus, in dem die Kälte durch drei unterschiedliche
Kälteerzeugungskreise
erzeugt wird. Ein solcher Kaskadenzyklus verwendet Methan, Ethylen
und Propanzyklen nacheinander, um auf drei unterschiedlichen Temperaturniveaus
Kälte zu
erzeugen. Ein anderer bekannter Kälteerzeugungszyklus verwendet
einen mit Propan vorgekühlten
Zyklus mit gemischten Kältemitteln,
in dem ein Multikomponentengemisch aus Kältemitteln Kälte über einen
ausgewählten
Temperaturbereich erzeugt. Das gemischte Kältemittel kann Kohlenwasserstoffe
wie Methan, Ethan, Propan und andere leichte Kohlenwasserstoffe
sowie auch Stickstoff enthalten. Versionen dieses effizienten Kälteerzeugungssystems
werden in vielen LNG-Anlagen auf der ganzen Welt verwendet.
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Einzelne
oder doppelte gemischte Kälteerzeugungszyklen
mit oder ohne Vorkühlung
durch Propan sind bisher für
die Verflüssigung
von Erdgas verwendet worden. In einzelnen gemischten Kälteerzeugungszyklen
ist das gemischte Kältemittel
entweder auf einem oder auf zwei verschiedenen Druckniveaus verdampft worden,
um Kälte über den
erforderlichen Temperaturbereich zu erzeugen.
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US-A-4,251,247
offenbart einzelne gemischte Kälteerzeugungssysteme,
in denen das Kältemittel
bei zwei Drücken
verdampft. Der komprimierte einzelne gemischte Kältemittelstrom stellt entweder
nach dem Kühlen
auf der Kompressorzwischenstufe und/oder nach dem Kühlen auf
der letzten Kompressorstufe auf nahezu Umgebungstemperatur eine
flüssige
Fraktion und eine dampfförmige
Fraktion zur Verfügung.
Die aus der dampfförmigen
Fraktion abgeleitete Kälteerzeugung
wird dazu verwendet, einen Teil oder das gesamte Erdgas von Umgebungstemperatur
auf nahezu –55°C zu kühlen. Die
aus der flüssigen
Fraktion erzeugte Kälte
wird dazu verwendet, die dampfförmige
Fraktion zu kühlen,
ehe die Kälteerzeugung
aus der gekühlten
dampfförmigen
Fraktion gewonnen wird. In 4 dieses
Pa tents wird Erdgas zuerst von Umgebungstemperatur auf eine Zwischentemperatur
gekühlt,
und zwar durch Kälte,
die aus einem kombinierten Strom erzeugt wird. Dieser wird dadurch
abgeleitet, dass man die gesamte flüssige Fraktion mit einem Teil
der dampfförmigen
Fraktion kombiniert. In 5 dieses Patents
wird Erdgas von Umgebungstemperatur auf 20°C gekühlt. Dazu verwendet man die
aus einem Teil der flüssigen
Fraktion erzeugte Kälte.
Die Weiterverarbeitung erfolgt in einer Adsorptionseinheit (Dehydratisierungseinheit)
für die
Entfernung von Wasser. Um die Bildung von Methanhydraten zu vermeiden,
wird Erdgas vor der Adsorptionseinheit nicht auf Temperaturen gekühlt, die
erheblich unter 20°C
liegen. Um Erdgas von 37 auf 20°C
zu kühlen,
wird ein Teil der flüssigen
Kältemittelfraktion
durch Wärmeaustausch
mit dem Erdgas teilweise verdampft und wieder in einen Separator
geleitet, der sich an einer Zwischenstufe des Kompressors befindet.
Jedoch wird aus der Adsorptionseinheit austretendes Erdgas durch Kälte, die
aus der dampfförmigen
Fraktion des einzelnen gemischten Kältemittelströms abgeleitet
wurde, von 20 auf –54°C gekühlt.
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Ein
einzelner gemischte Kältemittelstrom,
in dem das Kältemittel
bei zwei Drücken
siedet, ist in US-A-3,747,359 beschrieben. Gemischtes Kältemittel
mit niedrigem Druck wird warm komprimiert, d.h. es wird nach dem
Wärmeaustausch
mit der warmen Erdgasbeschickung und gemischten Kältemittelbeschickungen mit
hohem Druck in den Kompressor eingeleitet. Ein gemischtes Kältemittel
mit mittlerem Druck erhält
man nach dem Kühlen
unter Umgebungstemperatur und nicht nach Umgebungskühlen, und
bei Umgebungstemperatur findet keine Trennung der gemischten Kältemittelströme statt.
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US-A-4,325,231
offenbart ein einzelnes gemischtes Kältemittelsystem, in dem das
Kältemittel
bei zwei Drücken
verdampft. Die nach dem Umgebungskühlen kondensierte Hochdruckflüssigkeit
wird unterkühlt
und bei niedrigem Druck verdampft, während der nach dem Umgebungskühlen verbleibende
Hochdruckdampf zusätzlich
gekühlt
wird; dabei entstehen eine zweite Flüssigkeit und ein zweiter dampfförmiger Strom.
Der zweite dampfförmige
Strom wird verflüssigt,
unterkühlt
und bei niedrigem Druck verdampft, während der zweite flüssige Strom
unterkühlt
und bei niedrigem oder Zwischendruck verdampft wird. Die Hochdruckflüssigkeit
mit Umgebungstemperatur und die dampfförmigen Hochdruckströme werden
in getrennten parallelen Wärmetauschern
gekühlt.
Alle verdampften gemischten Kältemittelströme werden
vor der Kompression auf einen Wert nahe der Umgebungstemperatur
angewärmt.
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US-A-5,657,643
beschreibt ein einzelnes gemischtes Kältemittelsystem, in dem das
Kältemittel
bei einem Druck siedet. Die Kompression des gemischten Kältemittels
erfolgt in zwei Stufen und ergibt nach dem Zwischenkühler ein
flüssiges
Kondensat, das gepumpt und mit dem Austrag aus der letzten Kompressionsstufe
gemischt wird. Das Kühlen
der Beschickung und des gemischten Kältemittels erfolgt in einem
einzelnen Wärmetauscher
mit mehreren Strömen.
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Eine
Verbesserung in der Effizienz von Gasverflüssigungsverfahren ist besonders
wünschenswert
und die Hauptaufgabe neuer Zyklen, die in der Technik der Gasverflüssigung
entwickelt werden. Die im folgenden beschriebenen und in den Ansprüchen definierten
Aufgaben der Erfindung umfassen Verbesserungen in Verflüssigungsverfahren,
in denen ein einzelnes gemischtes Kältemittel verwendet wird. Die
Verbesserungen schließen
die Kompression des verdampften Kältemittels bei verringerten
Temperaturen am Kompressoreinlass und die Erzeugung flüssiger Kältemittelströme auf einer
Zwischenstufe bei Umgebungstemperaturen, welche mit gutem Ergebnis
im Kälteerzeugungszyklus
verwendet werden können,
ein.
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Kurze Zusammenfassung
der Erfindung
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Bei
der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Gasverflüssigung
der in den beigefügten
Ansprüchen
definierten Art, insbesondere ein Verfahren, das das Kühlen eines
im Wesentlichen wasserfreien Beschickungsgases durch indirekten
Wärmeaustausch
mit einem oder mehreren verdampfenden flüssigen gemischten Kältemittelströmen in einer
ersten Kühlzone
und das Abziehen eines gekühlten
Beschickungsgasintermediats und eines ersten verdampften gemischten
Kältemittels
aus der ersten Kühlzone
einschließt.
Das gekühlte
Beschickungsgasintermediat wird durch indirekten Wärmeaustausch
mit einem oder mehreren verdampfenden flüssigen gemischten Kältemittelströmen in einer
zweiten Kühlzone
zusätzlich
gekühlt,
und ein verflüssigtes
Gas sowie ein zweites verdampftes gemischtes Kältemittel werden aus der zweiten
Kühlzone
abgezogen. Das erste verdampfte gemischte Kältemittel und das zweite verdampfte
gemischte Kältemittel
werden komprimiert und gekühlt,
um einen oder mehrere flüssige
gemischte Kältemittelströme zu ergeben,
wobei es sich bei dem Kühlen
um Umgebungskühlen
handelt, das durch Wärmeübertragung
in eine Wärmesenke bewirkt
wird. Der eine oder die mehreren verdampfenden flüssigen gemischte
Kältemittelströme, die
zum Kühlen
des Beschickungsgases in der ersten Kühlzone verwendet werden, werden ausschließlich von
dem einen oder den mehreren, durch Umgebungskühlen erhaltenen flüssigen gemischten
Kältemittelströmen abgeleitet.
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Das
im Wesentlichen wasserfreie Gas wird vorzugsweise durch Entfernen
von Wasser aus einem Erdgasstrom zur Verfügung gestellt.
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Die
verdampfenden flüssigen
gemischten Kältemittelströme in der
ersten und zweiten Kühlzone
werden in einem umlaufenden Kälteerzeugungsprozess
zur Verfügung
gestellt, der folgende Schritte umfasst:
- (a)
das Komprimieren des zweiten verdampften gemischten Kältemittelstroms
(176), um ein komprimiertes Kältemittelintermediat zur Verfügung zu
stellen;
- (b) das Kombinieren des komprimierten Kältemittelintermediats mit einem
ersten verdampften gemischten Kältemittelstrom
(114), um einen kombinierten Kältemittelstrom zur Verfügung zu
stellen;
- (c) das Komprimieren des kombinierten gemischten Kältemittelstroms,
um einen komprimierten gemischten Kältemittelstrom zur Verfügung zu
stellen;
- (d) das Kühlen
und teilweise Kondensieren des komprimierten gemischten Kältemittelstroms
aus Schritt (c) durch Umgebungskühlen
und Trennen (181) des resultierenden teilweise kondensierten
zweiphasigen gemischten Kältemittelstroms
in einen ersten gemischten Kältemittelstrom
in der Dampfphase und einen ersten gemischten Kältemittelstrom in der flüssigen Phase
(180; 280);
- (e) das Komprimieren des ersten gemischten Kältemittelstroms in der Dampfphase
aus Schritt (d), um einen komprimierten ersten gemischten Kältemittelstrom
in der Dampfphase herzustellen;
- (f) das Kühlen
und teilweise Kondensieren des komprimierten ersten gemischten Kältemittelstroms
in der Dampfhase aus Schritt (e) durch Umgebungskühlung (184),
um einen teilweise kondensierten resultierenden Strom (148)
herzustellen;
- (g) das Trennen des teilweise kondensierten resultierenden Stroms
(148) in einen zweiten gemischten Kältemittelstrom in der Dampfphase
(116) und einen zweiten gemischten Kältemittelstrom in der flüssigen Phase
(152);
- (h) das Kühlen
und Kondensieren des zweiten gemischten Kältemittelstroms in der Dampfphase
(116; 254) in der ersten und der zweiten Kühlzone (106; 124),
um einen flüssigen
gemischten Kältemittelstrom
(172) herzustellen und den Druck (134) des gekühlten flüssigen Kältemittelstroms
(172) zu verringern, um das zweite verdampfende flüssige Kältemittel
(132) zu ergeben; und
- (i) das Unterkühlen
des zweiten gemischten Kältemittelstroms
in der flüssigen
Phase (152; 252) in der ersten Kühlzone (106),
um einen unterkühlten
Kältemittelstrom
(156) zu ergeben, und Verringern des Drucks (160)
des flüssigen
unterkühlten
Kältemittelstroms
(156), um das erste verdampfende flüssige gemischte Kältemittel
(108) beim ersten Zwischendruckniveau zu ergeben.
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Vorzugsweise
umfasst das Verfahren außerdem
das Pumpen (182) des ersten gemischten Kältemittelstroms
in der flüssigen
Phase (180) auf den Druck des komprimierten ersten gemischten
Kältemittelstroms in
der Dampfphase aus Schritt (e), um einen gepumpten ersten gemischten
Kältemittelstrom
in der flüssigen Phase
zu erzeugen, und das Kombinieren des gepumpten ersten gemischten
Kältemittelstroms
in der flüssigen
Phase mit dem komprimierten ersten Strom in der Dampfphase aus Schritt
(e) vor dem Kühlen
und teilweisen Kondensieren (184) in Schritt (f).
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Vorzugsweise
wird in Schritt (h) der gesamte zweite gemischte Kältemittelstrom
in der Dampfphase (116; 254) in der ersten und
zweiten Kühlzone
(106, 124) gekühlt
und kondensiert, um schließlich
das zweite verdampfende flüssige
gemischte Kältemittel
(132) zu ergeben, und das zweite verdampfende flüssige gemischte
Kältemittel
(132) wird dazu verwendet, Kälte nur in der zweiten Kühlzone (124)
zur Verfügung
zu stellen.
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Vorzugsweise
wird das Beschickungsgas (104) dadurch gereinigt und getrocknet,
dass man Verunreinigungen (102) aus Erdgas (100)
entfernt.
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Vorzugsweise
liegt die Temperatur des zweiten verdampften Kältemittelstroms (176)
unter der Umgebungstemperatur.
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Vorzugsweise
weist die Kühlzone
(106) zwei Wärmetauscher
(212; 214) auf. In diesem Fall umfasst das Verfahren:
- (1) das weitere Kühlen des ersten gemischten
Kältemittelstroms
in der flüssigen
Phase (280) in einem ersten Wärmetauscher (212),
um einen unterkühlten
unter Druck gesetzten flüssigen
Strom (204) zur Verfügung
zu stellen, und die Verringerung des Drucks (208) des unterkühlten unter
Druck gesetzten flüssigen Stroms
(204), um einen Strom mit verringertem Druck zur Verfügung zu
stellen;
- (2) das Kombinieren des Stroms mit dem verringerten Druck mit
einem teilweise verdampften Kältemittelstrom
(210) aus dem zweiten Wärmetauscher
(214), um einen kombinierten Strom (206) zu ergeben,
das
Einleiten des kombinierten Stroms (206) am kalten Ende
des ersten Wärmetauschers
(212), um darin Kälte
zu erzeugen;
- (3) das Unterkühlen
des flüssigen
Stroms (252) in den Wärmetauschern
(212) und (214), um den unterkühlten flüssigen Strom (256)
zu ergeben, das Verringern des Drucks (260) des flüssigen Stroms,
um einen teilweise verdampften Kältemittelstrom
zu erzeugen, und
- (4) das Einleiten des teilweise verdampften Kältemittelstroms
(216) in das kalte Ende des zweiten Wärmetauschers (214),
um darin Kälte
zu erzeugen, und das Gewinnen eines teilweise erwärmten, teilweise
verdampften Stroms (210) aus dem warmen Ende des zweiten
Wärmetauschers
(214), der in Schritt (2) mit dem Strom mit verringertem
Druck kombiniert wird, um den kombinierten Strom (206)
zu ergeben.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die zweite Kühlzone
(124) zwei Wärmetauscher
(324; 320) auf, und in Schritt (h) wird der zweite
gemischte Kältemittelstrom
in der Dampfphase (116; 254) in der ersten Kühlzone (106)
gekühlt
und teilweise kondensiert, um einen zweiphasigen gemischten Kältemittelstrom (158)
zu ergeben, wobei das Verfahren außerdem umfasst:
das Trennen
(388) des zweiphasigen gemischten Kältemittelstroms (158),
um einen dampfförmigen
Kältemittelstrom
(364) und einen flüssigen
Intermediatstrom (362) zu erzeugen;
das weitere Kühlen und
Kondensieren des Dampfstroms (364) in den beiden Wärmetauschern
(324; 330), um den unterkühlten flüssigen Kältemittelstrom (172; 372)
zu ergeben; und
das Unterkühlen
des flüssigen
Stroms (362) im ersten Wärmetauscher (324),
um einen unterkühlten
flüssigen Strom
(366) zu ergeben, dessen Druck reduziert (368)
und der dann mit einem teilweise verdampften Kältemittelstrom (370)
aus dem zweiten Wärmetauscher
(330) kombiniert wird, und Verdampfen des kombinierten Stroms
(326) im ersten Wärmetauscher
(324), um den zweiten verdampften Kältemittelstrom (176)
zur Verfügung
zu stellen.
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Vorzugsweise
wird ein Teil (406) des unterkühlten flüssigen Stroms (156)
mit dem flüssigen
Zwischenstrom (362) kombiniert, um einen kombinierten flüssigen Zwischenstrom
(408) zu ergeben, der im ersten Wärmetauscher (324)
gekühlt
wird, und der Druck des resultierenden Stroms wird verringert (368).
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Die
Erfindung betrifft auch einen Apparat zur Gasverflüssigung,
in dem das vorstehende Verfahren wie in den Ansprüchen definiert
durchgeführt
wird.
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Kurze Beschreibung
mehrerer Ansichten der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Fließdiagramm
einer Ausführungsform
der Erfindung, in der ein Teil des umlaufenden verdampften Kältemittels
kalt komprimiert und während
des Komprimierens eine Zwischenstufe der kälteerzeugenden Flüssigkeit
hergestellt wird.
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2 ist
ein schematisches Fließdiagramm
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der eine Zwischenstufe der kälteerzeugenden Flüssigkeit
während
des Komprimierens hergestellt, unterkühlt, im Druck verringert und
verdampft wird, um Kälte
zu erzeugen.
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3 ist
ein schematisches Fließdiagramm
einer anderen Ausführungsform
der Erfindung, in der ein kälteerzeugender
dampfförmiger
Strom bei Umgebungstem peratur teilweise kondensiert wird, um gekühlte dampfförmige und
flüssige
Kältemittelströme herzustellen.
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4 ist
ein schematisches Fließdiagramm
einer Abwandlung der Ausführungsform
von 3, in der ein Teil einer unterkühlten gemischten
Kältemittelflüssigkeit
mit einer gemischten Kältemittelflüssigkeit,
die durch teilweises Kondensieren eines kälteerzeugenden Dampfes erhalten
wurde, kombiniert wird.
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Detaillierte
Beschreibung der Erfindung
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Die
Erfindung stellt ein effizientes Verfahren zur Verflüssigung
eines Beschickungsgasstroms zur Verfügung und ist besonders gut
auf die Verflüssigung
von Erdgas anwendbar. Die Erfindung erzielt eine hohe thermodynamische
Effizienz mit einem einfachen Verfahren mit einem einzigen gemischten
Kältemittel,
in dem nur ein Minimum an Wärmetauschern
erforderlich ist. In einer bevorzugten Form verwendet die Erfindung
ein umlaufendes Kälteerzeugungssystem
mit einem einzigen gemischten Kältemittel,
das den Beschickungsgasstrom durch indirekten Wärmetausch mit verdampfenden
gemischte Kältemittelströmen auf
zwei Druckniveaus kühlt.
Das gemischte Kältemittel
ist ein Multikomponentenfluidgemisch, das typischerweise einen oder
mehrere, aus Methan, Ethan, Propan und anderen leichten Kohlenwasserstoffen
ausgewählte
Kohlenwasserstoffe enthält
und außerdem
Stickstoff umfassen kann.
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In
den nachstehend beschriebenen Ausführungsformen kann die Erfindung
viele verschiedene Wärmetauschervorrichtungen
in den Kälteerzeugungskreisläufen verwenden,
darunter Wärmetauscher
vom Typ gewundene Spiralen, Platte-Lamellen, Gehäuse-und-Röhren und solche vom Kesseltyp.
Je nach den spezifischen Anwendungen können auch Kombinationen dieser
Wärmetauschertypen
eingesetzt werden. Die Erfindung kann dazu dienen, jeden beliebigen
Gasstrom zu verflüssigen,
wird jedoch vorzugsweise dazu verwendet, Erdgas zu verflüssigen,
wie die folgenden Verfahrensbeschreibungen zeigen.
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In 1 wird
der Gasstrom 100, vorzugsweise Erdgas, im Vorbehandlungsabschnitt 102 durch
bekannte Verfahren gereinigt und getrocknet, um Wasser, Säuregase
wie CO2 und H2S
sowie andere Kontaminanten wie Quecksilber zu entfernen. Der vorbehandelte
Beschickungsgasstrom 104, der jetzt im Wesentlichen wasserfrei
ist, wird im Wärmetauscher 106 auf
eine Zwischentemperatur zwi schen etwa 10 und –90°C, vorzugsweise zwischen etwa
0 und –50°C, gekühlt, indem
man den gemischten Kältemittelstrom 108 verdampft.
Der Begriff "im
Wesentlichen wasserfrei" bedeutet,
dass alles rückständige Wasser
im Beschickungsgasstrom 104 in ausreichend niedriger Konzentration
vorhanden ist, um Betriebsprobleme durch Gefrieren von Wasser im
nachgeschalteten Kühlungs-
und Verflüssigungsverfahren
zu verhindern.
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Der
gekühlte
Erdgasstrom 122 wird im Wärmetauscher 124 durch
den verdampfenden gemischten Kältemittelstrom 132 zusätzlich auf
eine Temperatur zwischen etwa –190
und –120°C, vorzugsweise
zwischen etwa –170
und –150°C gekühlt. Der
resultierende zusätzlich
gekühlte
Strom 136 ist das verflüssigte
Erdgasprodukt (LNG), das in einen Lagertank geleitet oder weiterverarbeitet
wird.
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Die
Kälte,
mit der der Erdgasbeschickungsstrom 104 von einer Temperatur
nahe dem Umgebungswert auf die endgültige Temperatur des Produktkondensats
gekühlt
wird, wird durch einen gemischte Kälteerzeugungskreislauf erzeugt,
in dem ein zwei oder mehrere Komponenten enthaltendes Kältemittel
verwendet wird. Der unter Druck gesetzte gemischte Kältemittelstrom 148 wird
durch den Mehrstufenkompressor 174 bei einem Druck zwischen
etwa 25 bara (= bar absolut) und 100 bara, vorzugsweise zwischen
40 bara und 80 bara, zur Verfügung
gestellt. Nach dem Kühlen
auf Umgebungstemperatur wird dieser komprimierte und teilweise kondensierte
Strom in den dampfförmigen
Strom 116 und den flüssigen
Strom 152 getrennt. Gegebenenfalls kann ein Teil 118 des
flüssigen
Stroms 152 mit dem dampfförmigen Strom 16 kombiniert
werden.
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Der
Begriff "Umgebungskühlen" bedeutet Kühlen, das
durch die Wärmeübertragung
in eine Umgebungswärmesenke
durch indirekten Wärmeaustausch
mit einem Fluid auf Umgebungstemperatur wie Kühlwasser oder Umgebungsluft
bewirkt wird. Dem gekühlten
Strom entzogene Wärme
wird somit letztlich in eine Wärmesenke
wie atmosphärische
Luft oder einen großen
Wasserkörper
abgeleitet.
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Die
flüssigen
und dampfförmigen
gemischten Kältemittelströme 116 und 152 treten
dann mit einer Temperatur nahe dem Umgebungswert in den Wärmetauscher 106 ein.
Die Kältemittelströme werden
im Wärmetauscher 106 auf
eine Temperatur zwischen etwa 10 und –90°C, vorzugsweise zwischen etwa
0 und –50°C, gekühlt und
treten als die Ströme 156 und 158 wieder
aus diesem aus. Der Druck des Stroms 156 wird adiabatisch über das
Drosselventil 160 auf ein Druckniveau zwischen etwa 4 bara
und 30 bara, vorzugsweise zwischen etwa 8 bara und 20 bare, verringert.
Dann wird er als Strom 108 in das kalte Ende des Wärmetauschers 106 eingeleitet,
um dort wie vorstehend beschrieben Kälte zu erzeugen. Der verdampfte
Kältemittelstrom 114 wird
bei oder nahe Umgebungstemperatur aus dem Wärmetauscher 106 abgezogen.
Auf Wunsch könnte
der Druck des Stroms durch Kaltexpandieren in einem Turboexpander
verringert werden.
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Der
gemischte Kältemittelstrom 158 wird
in den Wärmetauscher 124 geleitet
und dort auf eine Endtemperatur zwischen etwa –190°C und –120°C, vorzugsweise zwischen etwa –170 und –150°C gekühlt. Der Druck
des unterkühlten
flüssigen
Stroms 172 wird dann adiabatisch über das Drosselventil 134 auf
einen Wert zwischen etwa 1 bara und 10 bara, vorzugsweise zwischen
etwa 2 bara und 6 bara, verringert. Dann wird er als Strom 132 in
das kalte Ende des Wärmetauscher 124 eingeleitet,
um dort Kälte
zu erzeugen. Auf Wunsch kann der Druck des Stroms 172 durch
Kaltexpandieren in einem Turboexpander verringert werden.
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Die
beiden verdampften Kältemittelströme, 176 und 114,
werden wieder in den Kompressor 174 geleitet. Der Strom 176,
der noch relativ kalt ist, wird in einer ersten Kompressionsstufe
kalt auf einen Wert zwischen etwa 4 bara und 30 bara, vorzugsweise
zwischen 8 bara und 20 bara, komprimiert. Der Strom 176 ist
vorzugsweise kälter
als der Strom 114, der typischerweise der Umgebungstemperatur
viel näher
ist. Das Komprimieren eines verdampften Kältemittelstroms, der bei einer
Temperatur unter dem Umgebungswert zurückgeleitet wird, wird als Kaltkompression
bezeichnet und ist vorteilhaft, weil dadurch der Wärmetauscher 106 und
der Kompressor wegen der höheren
Gasdichte und der geringeren volumetrischen Fließgeschwindigkeit kleiner konstruiert
werden können.
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Der
hier verwendete Begriff "Druckniveau" definiert Fluiddrücke in den
Röhren
und Wärmetauscherleitungen
eines Kälteerzeugungskreislaufs,
in denen die Fluiddrücke
zwischen dem Austragsdruck einer Expansionsvorrichtung und dem Saugdruck
einer Kompressionsvorrichtung liegen. In 1 liegt
z.B. ein Druckniveau per Definition in den Röhren und Wärmetauscherleitungen nach dem
Drosselventil 160 und vor dem Einlass der zweiten Stufe
des Kompressors 174 vor. Wegen des Druckabfalls in der
Anlage schwankt der tatsächliche
Druck des strömenden
Fluids in diesem Bereich zwischen dem Druck am Auslass des Drosselventils 160 und
dem Druck am Einlass der zweiten Stufe des Kompressors 174. Ähnlich liegt
per Definition ein anderes Druckniveau in den Röhren und den Lei tungen des
Wärmetauschers
hinter dem Drosselventil 134 und vor dem Einlass der ersten
Stufe des Kompressors 174 vor.
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Gegebenenfalls
kann der Kältemittelstrom
nach der ersten Kompressionsstufe durch Umgebungskühlen im
Kühler 178 gekühlt werden.
Der Kühler 178 wird
nur bei Bedarf verwendet und kann weggelassen werden, um Kosten
zu sparen. Der Austrag aus der ersten Kompressionsstufe wird mit
dem verdampften gemischten Kältemittelstrom 114 kombiniert
und der kombinierte Strom zusätzlich
in einer oder mehreren zusätzlichen Kompressionsstufen
auf einen hohen Enddruck zwischen etwa 25 bara und 100 bara, vorzugsweise
zwischen etwa 40 bara und 80 bara komprimiert.
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In
diesem Kompressionsschritt kann nach dem Zwischenkühlen ggfs.
mindestens ein flüssiger
Strom 180 entstehen. In dieser Ausführungsform wird bei Bedarf
der flüssige
Strom 180 erzeugt, in der Pumpe 182 auf den hohen
Enddruck aufgepumpt und mit dem komprimierten Gasstrom aus der letzten
Kompressionsstufe kombiniert. Der kombinierte Kältemittelstrom wird durch Umgebungskühlen im
Kühler 184 gekühlt.
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In 1 ist
der Wärmetauscher 106 eine
erste Kühlzone,
die die erste Stufe des Kühlens
für das
Beschickungsgas in der Leitung 104 bereitstellt und außerdem den
dampfförmigen
Kältemittelstrom 116 und
den flüssigen
Kältemittelstrom 152 kühlt. In
diesem Wärmetauscher
wird zumindest ein Teil und vorzugsweise die gesamte Kälte durch
Verdampfen mindestens eines Teils des unterkühlten flüssigen Stroms 156 nach
der Druckwegnahme über
das Ventil 160 erzeugt. Der Kältemittelstrom 156 kann
aus dem Umgebungskühlen
im Kühler 184 des
komprimierten Kältemittels
aus dem Kompressor 174 abgeleitet werden. Der Dampfstrom 116 hat
keine Kühlaufgaben
im Wärmetauscher 106,
sondern wird selbst durch die durch den verdampfenden flüssigen Kältemittelstrom 108 erzeugte
Kälte gekühlt. Der
dampfförmige
Strom 116 wird nach dem Kühlen und Kondensieren vorzugsweise
dazu verwendet, in der zweiten Stufe des Kühlens im Wärmetauscher 124 Kälte zu erzeugen.
Der verdampfte Kältemittelstrom 176 wird
nicht durch den Wärmetauscher
geleitet und daher wird die in diesem Strom enthaltende Kälte nicht
zum Kühlen
des Beschickungsgases in der ersten Stufe des Kühlens verwendet.
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Eine
weitere Ausführungsform
wird in 2 veranschaulicht, in der der
flüssige
Strom 280 nicht wie in der vorhergehenden Ausführungsform
gepumpt, sondern statt dessen im Wärmetauscher 212 unterkühlt wird.
In dieser Ausführungsform
wird der einzelne Wärmetauscher 106 von 1 durch
zwei Wärmetauscher, 212 und 214,
ersetzt. Der flüssige
Strom 280 wird im Wärmetauscher 212 unterkühlt, um
den unterkühlten
flüssigen
Strom 204 zur Verfügung
zu stellen. Der Druck des Stroms 204 wird über das
Drosselventil 208 adiabatisch verringert. Dann wird der
Strom 204 mit dem (später
beschriebenen) Kältemittelstrom 210 kombiniert
und als Strom 206 in das kalte Ende des Wärmetauschers 212 geleitet,
wo er bei einem definierten Druckniveau verdampft, um dort Kälte zu erzeugen.
Alternativ könnte
der Druck des Stroms 204 über einen Kaltexpander verringert
werden.
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Der
flüssige
Strom 252 wird in den Wärmetauschern 212 und 214 unterkühlt, um
den unterkühlten
flüssigen
Strom 256 zu ergeben, dessen Druck adiabatisch über das
Drosselventil 260 verringert wird. Dann wird er als Strom 216 in
das kalte Ende des Wärmetauschers 214 geleitet,
wo er bei einem anderen Druckniveau verdampft wird, um dort Kälte zu erzeugen.
Alternativ kann der Druck des Stroms 256 über einen
Kaltexpander verringert werden. Der teilweise erwärmte Kältemittelstrom 210 wird
mit dem Kältemittelstrom
mit verringertem Druck aus dem Drosselventil 208 wie bereits
beschrieben kombiniert. In dieser Ausführungsform stellt sich in den
Röhren
und Leitungen des Wärmetauschers
nach den Drosselventilen 208 und 260 und vor dem
Einlass in die zweite Kompressorstufe ein definiertes Druckniveau
ein.
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In 2.
stellen die Wärmetauscher 212 und 214 die
benötigte
ersten Stufe des Kühlens
des Beschickungsgases auf Temperaturen unter etwa 10°C, vorzugsweise
unter etwa 0°C,
stärker
bevorzugt unter etwa –20°C zur Verfügung. In
dieser ersten Stufe des Kühlens
wird ein Teil oder vorzugsweise die gesamte Kälte zum Kühlen des Beschickungsgases 104,
des flüssigen
Stroms 252 und des dampfförmigen Stroms 254 durch Verdampfen
eines durch Umgebungskühlen
abgeleiteten flüssigen
Kältemittelstroms
zur Verfügung
gestellt. In diesem Beispiel werden zwei flüssige Ströme 280 und 252 durch
Umgebungskühlen
bei einem Wert nahe der Umgebungstemperatur abgeleitet, und diese
beiden Ströme
werden dazu verwendet, die erforderliche Kühlung in der ersten Stufe der
Kühlung
zu liefern. Der dampfförmige
Strom 254 wird in der ersten Stufe des Kühlens gekühlt, erzeugt
jedoch erst in der zweiten Stufe des Kühlens im Wärmetauscher 220 Kälte für das Beschickungsgas.
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3 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung, bei der es sich um eine Abwandlung der Ausführungsform
von 1 handelt. In dieser Ausführungsform wird der dampfförmige Kältemittelstrom 116 im
Wärmetauscher 106 teilweise
kondensiert, und der resultierende zweiphasige Strom 158 im
Separator 388 in einen flüssigen Strom 362 und
einen dampfförmigen
Strom 364 getrennt. In dieser Ausführungsform wird der Wärmetauscher 124 von 1 durch
die Wärmetauscher 324 und 330 ersetzt.
Das Beschickungsgas wird in der zweiten Stufe des Kühlens in
den Wärmetauschern 324 und 330 zusätzlich gekühlt.
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Der
flüssige
Strom 362 wird im Wärmetauscher
gekühlt,
um bei einer Temperatur zwischen etwa –150 und etwa –70°C, vorzugsweise
zwischen etwa –145
und –100°C den unterkühlten Strom 366 zu
ergeben. Der Druck dieses Stroms wird über das Drosselventil 368 auf
ein Druckniveau zwischen etwa 1 bara und etwa 10 bara, vorzugsweise
zwischen etwa 2 bara und etwa 6 bara, verringert. Dann wird er mit
dem (später
beschriebenen) Strom 370 kombiniert. Alternativ könnte der
Druck des Stroms 366 über
einen Kaltexpander verringert werden. Der kombinierte Strom 326 wird
bei einem definierten Druckniveau im Wärmetauscher 324 verdampft, um
dort Kälte
zu erzeugen. Der verdampfte Kältemittelstrom 176 wird
bei einer Temperatur unter dem Umgebungswert und möglicherweise
einer Temperatur von nur –90°C in den
Kompressor 174 eingeleitet.
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Der
dampfförmige
Kältemittelstrom 364 wird
in den Wärmetauscher 324 geleitet,
wo er auf eine Temperatur zwischen etwa –150 und etwa –70°C, vorzugsweise
zwischen etwa –145
und etwa –100°C gekühlt wird.
Der resultierende gekühlte
Strom 310 wird in den Wärmetauscher 330 geleitet,
wo er auf eine Endtemperatur zwischen etwa –190 und etwa –120°C, vorzugsweise
zwischen etwa –170
und etwa –150°C gekühlt wird.
Der Druck des unterkühlten
flüssigem
Strom 372 wird adiabatisch über das Drosselventil auf einen
Wert zwischen etwa 1 bara und etwa 10 barg, vorzugsweise zwischen
etwa 2 bara und etwa 6 bara verringert. Dann wird er als Strom 332 in
das kalte Ende des Wärmetauschers 330 geleitet,
wo er bei dem definierten Druckniveau verdampft wird, um dort Kälte zu erzeugen.
Alternativ kann der Druck des Stroms 372 über einen
Kaltexpander verringert werden. Der teilweise erwärmte Kältemittelstrom 370 wird
wie vorstehend beschrieben mit dem Kältemittelstrom mit verringertem
Druck aus dem Drosselventil kombiniert. In dieser Ausfrührungsform entsteht
das definierte Druckniveau in den Röhren und Leitungen des Wärmetauschers
nach den Drosselventilen 334 und 368 und vor dem
Einlass in die erste Stufe des Kompressors 174. Die anderen
Schritte in der Ausführungsform
von 3 sind die gleichen wie in 1 beschrieben.
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4 zeigt
eine weitere Ausführungsform
der Erfindung, bei der es sich um eine Abwandlung von 3 handelt.
In der Ausführungsform
von 4 wird ein Teil 406 des unterkühlten flüssigen Stroms 156 aus dem
Wärmetauscher 312 mit
dem flüssigen
Strom 362 aus dem Separator 388 kombiniert. Der
kombinierte flüssige
Strom 408 wird im Wärmetauscher 324 unterkühlt und
sein Druck wie bereits beschrieben über das Drosselventil 368 verringert.
Die anderen Schritte in der Ausführungsform
von 4 sind die gleichen wie in 3 beschrieben.
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Die
Erfindung kann in den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
von 1 bis 4 viele beliebige Wärmeaustauschvorrichtungen
in den Kälteerzeugungskreisläufen verwenden,
darunter Wärmetauscher
vom Typ gewundene Spiralen, Platte-Lamellen, Gehäuse-und-Röhren und solche vom Kesseltyp.
Je nach den spezifischen Anwendungen können auch Kombinationen dieser
Wärmetauschertypen
eingesetzt werden.
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In
den vorstehenden Ausführungsformen
sind keine Schritte für
die Entfernung schwererer Kohlenwasserstoffe aus dem Beschickungsgas
eingeschlossen. In einigen Fällen
können
jedoch je nach der Zusammensetzung der Beschickung und den Produktspezifikationen
solche Schritte erforderlich sein. Diese Schritte zur Entfernung
schwerer Komponenten können
bei jeder geeigneten Temperatur oberhalb der Temperatur des endgültigen verflüssigten
Produkts durchgeführt
werden, und zwar unter Einsatz eines beliebigen in der Technik bekannten
Verfahrens. Beispielsweise können
solche schwereren Kohlenwasserstoffe nach der ersten Kühlstufe
mittels einer Gaswäschersäule entfernt
werden. In dieser Gaswäschersäule werden
die schwereren Komponenten der Erdgasbeschickung, z.B. Pentan und
schwerere Komponenten, entfernt. Die Gaswäschersäule kann nur einen Stripbereich
aufweisen oder einen Rektifizierbereich mit einem Kondensator umfassen, um
schwerere Kontaminanten wie Benzol bis zu einem sehr geringen Niveau
zu entfernen. Wenn im endgültigen
LNG-Produkt nur sehr wenige schwere Komponenten vorhanden sein dürfen, kann
jede geeignete Veränderung
an der Gaswäschersäule vorgenommen
werden. Beispielsweise kann man eine schwerere Komponente wie Butan
als Waschflüssigkeit
verwenden.
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Verunreinigungen
wie Wasser und Kohlendioxid im Erdgas müssen wie vorstehend beschrieben
vor seiner Verflüssigung
entfernt werden. Im Allgemeinen werden diese Verunreinigungen durch
Einsatz einer Adsorptionseinheit innerhalb eines Vorbehandlungsbereiches 102 entfernt.
Bei Bedarf kann der Erdgasstrom 100 vor der Adsorptionseinheit
vorgekühlt
werden. Dieses Vorkühlen
erfolgt im Allgemeinen um etwa 20°C,
um die Bildung von Methanhydrat zu vermeiden. Das Vorkühlen kann
durch mindestens einen Teil des flüssigen Kältemittelstroms erfolgen, der
nach dem Umgebungskühlen
des komprimierten gemischten Kältemittelstroms gesammelt
wird. So kann in 1 der Druck eines Teils des
flüssigen
Stroms 152 verringert und dieser teilweise verdampft werden,
um entweder den Strom 100 oder 104 (nicht gezeigt)
zu kühlen.
Der resultierende erwärmte
Strom wird dann zum Separator 181 geleitet. Nach dem Vorkühlen wird
das Erdgas in den Vorbehandlungsbereich 102 geleitet, um
Wasser und andere Kontaminanten zu entfernen. Das im Wesentlichen wasserfreien
Beschickungsgas 104 wird in die erste Stufe des Kühlens im
Wärmetauscher 106 geleitet,
wo es auf eine Temperatur unter etwa 10°C, vorzugsweise unter etwa 0°C, stärker bevorzugt
unter etwa –20°C gekühlt wird.
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Beispiel
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Wie
in 3 gezeigt, wird der Erdgasbeschickungsstrom 100 gereinigt
und im Vorbehandlungsbereich 102 getrocknet, um Wasser,
Säuregase
wie CO2 und H2S
sowie andere Kontaminanten wie Quecksilber zu entfernen. Das vorbehandelte
Beschickungsgas hat eine Fließgeschwindigkeit
von 26.700 kg-Mol/h, einen Druck von 66,5 bara, eine Temperatur
von 32°C
und die folgende Molzusammensetzung:
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Tabelle
1 Zusammensetzung
des Beschickungsgases
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Das
vorbehandelte Gas 104 tritt in den ersten Wärmetauscher 106 ein
und wird auf eine Temperatur von –21°C gekühlt. Das Kühlen erfolgt durch Erwärmen des
gemischten Kältemittelstroms 108,
der eine Strömungsgeschwindigkeit
von 30.596 kg-Mol/h bei einem Druck von etwa 13 bara und folgende
Zusammensetzung hat:
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Tabelle
2 Zusammensetzung
des Kältemittels
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Der
gekühlte
Strom 122 wird anschließend im Wärmetauscher 324 weiter
auf eine Temperatur von –133°C gekühlt, indem
man den gemischten Kältemittelstrom 326 anwärmt, welcher
mit einem Druck von etwa 3 bara in den Wärmetauscher 324 eintritt.
Der resultierende gekühlte
Strom 328 wird dann im Wärmetauscher 330 weiter
auf eine Temperatur von –166°C gekühlt. Die
Kälte für das Kühlen im
Wärmetauscher 330 wird durch
einen gemischten Kältemittelstrom 332 erzeugt,
der bei einem Druckniveau von etwa 3 bara verdampft. Der resultierende
LNG-Produktstrom 136 wird
gelagert oder weiter aufbereitet.
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Die
Kälte zum
Kühlen
des Erdgasstroms von einem Wert nahe der Umgebungstemperatur auf
die endgültige
Produkttemperatur wird durch einen umlaufenden gemischten Kälteerzeugungskreislauf
erzeugt. Der Strom 148 ist das gemischte Kältemittel
mit hohem Druck, das mit einem Druck von 60 bara, einer Strömungsgeschwindigkeit
von 67.900 kg-Mol/h und folgender Zusammensetzung aus dem Mehrstufenkompressor
austritt:
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Tabelle
3 Zusammensetzung
des Kältemittels
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Der
Strom 148 wird in den dampfförmigen Strom 116 und
den flüssigen
Strom 152 getrennt. Der Teil 118, der 16 % des
flüssigen
Stroms 152 ausmacht, wird wieder mit dem dampfförmigen Strom 116 kombiniert. Die
flüssigen
und dampfförmigen
gemischten Kältemittelströme treten
dann mit einer Temperatur von 32°C
in den Wärmetauscher 106 ein.
Darin werden die Kältemittelströme auf eine
Temperatur von –21 °C gekühlt, wobei
die gekühlten
Kältemittelströme 156 und 158 zurückbleiben.
Der Druck des Stroms 156 wird über das Drosselventil 160 adiabatisch
auf einen Wert von etwa 13 bara verringert und der Strom als Strom 108 in
das kalte Ende des Wärmetauschers 106 geleitet,
um dort Kälte
zu erzeugen.
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Der
Strom 158 wird in den flüssigen Strom 362 und
den dampfförmigen
Strom 364 getrennt, und die Ströme werden in den Wärmetauscher 324 eingeführt, wo
sie auf eine Temperatur von –133°C gekühlt werden. Der
Druck des unterkühlten
flüssigen
Stroms wird adiabatisch über
das Drosselventil 368 auf einen Wert von etwa 3 bara verringert
und der Strom als Strom 326 in das kalte Ende des Wärmetauschers 324 geleitet,
um dort durch Verdampfen bei einem definierten Druckniveau Kälte zu erzeugen.
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Der
Strom 310 wird in den Wärmetauscher 330 geleitet,
wo er auf eine Endtemperatur von –166°C gekühlt wird. Der Druck des unterkühlten flüssigen Strom 327 wird
dann adiabatisch über
das Drosselventil 334 auf einen Wert von etwa 3 bara verringert
und der Strom als Strom 332 in das kalte Ende des Wärmetauschers 330 geleitet,
um dort Kälte
zu erzeugen.
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Zwei
verdampfte Kältemittelströme 176 und 114 werden
in den Kompressor 174 eingespeist. Der Strom 176 wird
in einer ersten Kompressionsstufe auf einen Druck von etwa 13 bara
komprimiert und gegen eine Umgebungswärmesenke im Kühler 178 auf
32°C gekühlt. Der
Austrag aus der ersten Kompressionsstufe wird mit dem verdampften
Kältemittelstrom 114 kombiniert
und in zwei Kompressionsstufen auf einen endgültigen hohen Druck von 60 bara
komprimiert. In dieser Kompressionsstufe wird nach dem Zwischenkühlen der flüssige Strom 180 erzeugt.
Der flüssige
Strom 180, der eine Strömungsgeschwindigkeit
von 5.600 kg-Mol/h und
einen Druck von 27 bara hat, wird in der Pumpe 182 auf
einen endgültigen
hohen Druck gepumpt und mit dem aus der letzten Kompressionsstufe
vor dem Umgebungskühler
austretenden Strom kombiniert.
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Somit
handelt es sich bei der Erfindung um ein Verfahren zur Gasverflüssigung,
bei dem die Kälte
zum Kühlen
und Verflüssigen
des Beschickungsgases durch einen einzigen umlaufenden Kältemittelzyklus
erzeugt wird. Dabei wird die Kälte
durch das Verdampfen von zwei gemischten Kältemittelströmen unterschiedlicher Zusammensetzung
zur Verfügung
gestellt, eine mit einem niedrigen Druckniveau und die andere auf
einem höheren
Druckzwischenniveau. Durch einen oder mehrere fraktionierende Kondensationsschritte,
die an den dampfförmigen
Kältemittelströmen vorgenommen
werden, werden verschiedene Zusammensetzungen und Strömungen von
flüssigen
und dampfförmigen
Kältemittelströmen zur
Verfügung
gestellt. Das beim Zwischendruck verdampfende Kältemittel stellt die erste
Stufe der Kühlung
für den
gasförmigen
Beschickungsstrom zur Verfügung,
und das bei niedrigem Druck verdampfende Kältemittel kühlt und kondensiert das Gas
in der zweiten Stufe der Kühlung
zusätzlich,
um das endgültige
flüssige
Produkt zur Verfügung
zu stellen.
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In
einem bevorzugten Merkmal der Erfindung werden einer oder mehrere
Kältemittelströme unterkühlt und
bei einem Zwischendruck verdampft, um Kälte zum Kühlen des Beschickungsgases
in der ersten Stufe der Kühlung
zu erzeugen. Diese flüssigen
Kältemittelströme werden
dann allein durch das Umgebungskühlen komprimierten
Kältemitteldampfes
zur Verfügung
gestellt.
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Wenn
man das gemischte Kältemittel
mit niedrigem Druck bei Temperaturen unter dem Umgebungswert wieder
zum Kompressionsschritt zurückleitet
anstatt es vor dem Komprimieren auf Umgebungstemperatur zu erwärmen, kann
die Wärmetauscher-
und Kompressionsanlage kleiner gewählt werden. Alternativ ist eine
gesteigerte Produktion bei einer festen Wärmetauschergröße möglich. Die
Erzeugung eines flüssigen Kältemittelstroms
der Zwischenstufe während
des Kompri mierens macht das Verfahren zusätzlich effizient. Die Kombination
aus kalter Kompression und der Erzeugung eines flüssigen Kältemittelstroms
der Zwischenstufe verbessert die Effizienz des Verfahrens, erhöht die Produktion
und oder senkt den Kapitalaufwand.
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Die
wesentlichen Eigenschaften der Erfindung sind in der vorstehenden
Offenbarung umfassend beschrieben worden. Ein Fachmann wird die
Erfindung verstehen und verschiedene Änderungen daran vornehmen können, ohne
von den folgenden Ansprüchen
abzuweichen.