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Dokumentenidentifikation DE60011365T2 09.06.2005
EP-Veröffentlichungsnummer 0001092931
Titel Hybrider Kreislauf zur Herstellung von flüssigem Erdgas
Anmelder Air Products and Chemicals, Inc., Allentown, Pa., US
Erfinder Roberts, Mark Julian, Kempton, US;
Agrawal, Rakesh, Emmaus, US
Vertreter Schwabe, Sandmair, Marx, 81677 München
DE-Aktenzeichen 60011365
Vertragsstaaten AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 06.10.2000
EP-Aktenzeichen 001212851
EP-Offenlegungsdatum 18.04.2001
EP date of grant 09.06.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.06.2005
IPC-Hauptklasse F25J 1/02

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

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 (siehe z.B. US-A-4,334,902 oder Hausen, Linde "Tieftemperaturtechnik", 1985). 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.

Bei einem anderen Kältezeugungsverfahren zur Verflüssigung von Erdgas wird ein Stickstoffexpanderzyklus verwendet, bei dem Stickstoffgas zuerst komprimiert, mit Luft- oder Wasserkühlung auf Umgebungswerte gekühlt und dann durch gegenläufigen Austausch mit kaltem Stickstoffgas mit niedrigem Druck weiter gekühlt wird. Der gekühlte Stickstoffstrom wird dann durch einen Turboexpander kalt entspannt, um einen kalten Strom von geringem Druck herzustellen. Das kalte Stickstoffgas wird dazu verwendet, die Erdgasbeschickung und den Stickstoffstrom mit hohem Druck zu kühlen. Die durch die Stickstoffexpansion erzeugte Energie kann dazu verwendet werden, eine Stickstoffexpansionsmaschine mit Kompressor, der mit ihrem Schaft verbunden ist, anzutreiben. In diesem Verfahren wird der kalt entspannte Stickstoff dazu verwendet, das Erdgas zu verflüssigen sowie das komprimierte Stickstoffgas im gleichen Wärmetauscher zu kühlen. Der gekühlte unter Druck gesetzte Stickstoff wird im Kaltexpansionsschritt weiter gekühlt, um das kalte Stickstoffkältemittel zur Verfügung zu stellen.

Kälteerzeugungssysteme, bei denen man die Expansion stickstoffhaltiger Kältemittelgasströme nutzt, wurden in der Vergangenheit für kleine LNG-Anlagen benutzt, die typischerweise zum Peakshaving eingesetzt werden. Solche Systeme sind in Veröffentlichungen von K. Müller et al. mit dem Titel "Natural Gas Liquefaction by an Expansion Turbine Mixture Cycle" in Chemical Economy & Engineering Review, Band 8, Nr. 10 (Nr. 99), Oktober 1976, und "The Liquefaction of Natural Gas in the Refrigeration Cycle with Expansion Turbine" in Erdöl und Kohle – Erdgas – Petrochemie Brennst-Chem, Band 27, Nr. 7, S. 379 bis 380 (Juli 1974) beschrieben. Ein weiteres solches System ist in einem Artikel mit dem Titel "SDG&E: Experience Pays Off for Peak Shaving Pioneer" in Cryogenics & Industrial Gases, September/Oktober 1971, S. 25 bis 28 beschrieben.

US-A-3,511,058 beschreibt ein LNG-Produktionssystem unter Verwendung einer Stickstoffkälteerzeugungsmaschine mit geschlossenem Kreislauf und einem Gasexpander oder einem Umkehrzyklus vom Brayton-Typ. Bei diesem Verfahren wird flüssiger Stickstoff durch einen Stickstoffkälteerzeugungskreislauf unter Einsatz von zwei Turboexpandern erzeugt. Der hergestellte flüssige Stickstoff wird durch einen dichten Fluidexpander zusätzlich gekühlt. Zum Schluss wird das Erdgas dadurch gekühlt, dass man den aus dem Stickstoffverflüssiger erzeugten flüssigen Stickstoff siedet. Die erste Kühlung des Erdgases wird durch einen Teil des kalten gasförmigen Stickstoffs bereitgestellt, der aus dem wärmeren der beiden Expander abgelassen wird, um die Kühlkurven am warmen Ende des Wärmetauschers besser aneinander anzupassen. Dieses Verfahren ist auf Erdgasströme bei subkritischen Drücken anwendbar, da das Gas in einem frei ablaufenden Kondensator, der an eine Phasentrenntrommel angeschlossen ist, verflüssigt wird.

US-A-5,768,912 (entspricht der Internationalen Patentschrift WO 95/27179) offenbart ein Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas, das Stickstoff in einem geschlossenen Kälteerzeugungskreislauf vom Brayton-Typ verwendet. Die Beschickung und der unter Hochdruck stehende Stickstoff können mit einem kleinen herkömmlichen Kälteerzeugungspaket, das Propan-, Freon- oder Ammoniakabsorptionszyklen verwendet, vorgekühlt werden. Dieses Kälteerzeugungssystem mit Vorkühlung verwendet etwa 4 % der gesamten durch das Stickstoffkälteerzeugungssystem verbrauchten Energie. Das Erdgas wird dann verflüssigt und auf –149°C unterkühlt. Dazu verwendet man einen Brayton- oder Turboexpanderumkehrkreislauf der zwei oder drei bezüglich des abkühlenden Erdgases in Reihe angeordnete Expander aufweist.

Das Linde erteilte deutsche Patent DE 24 40 215, das als nächstliegender Stand der Technik gilt und die Präambel der Ansprüche 1, 6 und 10 offenbart, offenbart ein Verfahren zur Herstellung von LNG durch zumindest teilweise Verflüssigung dieses Erdgases, die durch Wärmeaustausch mit einem flüssigen Multikomponentenkältemittel erfolgt, und die völlige Verflüssigung und Unterkühlung des Gases erfolgt im Wärmeaustausch mit einem entspannten gasförmigen Kältemittel.

Ein gemischtes Kältemittelsystem für die Verflüssigung von Erdgas ist in der Internationalen Patentschrift WO 96/11370 beschrieben, in dem das gemischte Kältemittel komprimiert, durch eine externe Kühlflüssigkeit teilweise kondensiert und in Flüssig- und Dampfphasen getrennt wird. Der resultierende Dampf wird kalt expandiert, um am kalten Ende des Verfahrens Kälte zu erzeugen, und die Flüssigkeit wird unterkühlt und verdampft, um für zusätzliche Kälteerzeugung zu sorgen.

Die Internationale Patentschrift WO 97/13109 offenbart ein Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas, das Stickstoff in einem geschlossenen Kälteerzeugungsumkehrkreislauf vom Brayton-Typ, erzeugt. Das Erdgas wird bei superkritischem Druck gegen das Stickstoffkältemittel gekühlt, isentropisch expandiert und in einer Fraktioniersäule abgetrieben, um leichte Komponenten zu entfernen.

Die Verflüssigung von Erdgas erfordert hohen Energieaufwand. Es besteht große Nachfrage nach einer verbesserten Effizienz von Gasverflüssigungsverfahren. Das ist auch das Hauptziel neuer Kreisläufe, die in der Technik der Gasverflüssigung entwickelt werden. Wie nachstehend beschrieben und in den beiliegenden Ansprüchen definiert, ist es Ziel der vorliegenden Erfindung, die Verflüssigungseffizienz dadurch zu verbessern, dass zwei integrierte Kälteerzeugungssysteme zur Verfügung gestellt werden. Eines davon verwendet einen oder mehrere verdampfende Kältemittelkreisläufe, um Kälte bis zu etwa –100°C zu erzeugen. Ein Gasexpansionskreislauf wird dazu eingesetzt, Kälte unter etwa –100°C zu erzeugen. Es werden verschiedene Ausführungsformen für die Anwendung dieses verbesserten Kälteerzeugungssystems beschrieben, die die Verflüssigungseffizienz noch zusätzlich verbessern.

Kurze Zusammenfassung der Erfindung

Bei der Erfindung geht es um ein Verfahren zur Verflüssigung eines Beschickungsgases, wie in den Ansprüchen ausgeführt. Dieses Verfahren umfasst die Erzeugung mindestens eines Teils der gesamten zum Kühlen und Kondensieren des Beschickungsgases erforderlichen Kälte durch Einsatz eines ersten Kälteerzeugungssystems, das mindestens einen umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf umfasst, wobei das erste Kälteerzeugungssystem zwei oder mehrere Kälteerzeugungskomponenten verwendet und die Kälte in einem ersten Temperaturbereich erzeugt; und eines zweiten Kälteerzeugungssystems, das die Kälte in einem zweiten Temperaturbereich durch Kaltexpandieren eines unter Druck gesetzten gasförmigen Kälteerzeugungsstroms erzeugt. Die Erfindung betrifft auch einen Apparat zur Durchführung dieses Verfahrens nach Anspruch 10.

Die niedrigste Temperatur im zweiten Temperaturbereich liegt vorzugsweise unter der niedrigsten Temperatur im ersten Temperaturbereich, wie in Anspruch 1 definiert. Typischerweise werden mindestens 5 % der gesamten Kälteerzeugungsenergie, die erforderlich ist, um das Beschickungsgas zu verflüssigen, im ersten Kälteerzeugungssystem verbraucht. Unter vielen Betriebsbedingungen können mindestens 10 % der gesamten zur Verflüssigung des Gases erforderlichen Kälteerzeugungsenergie im ersten umlaufenden Kälteerzeugungssystem verbraucht werden. Vorzugsweise ist das Beschickungsgas Erdgas.

Der Kältemittelstrom im ersten umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf kann zwei oder mehrere Komponenten umfassen, die aus der aus Stickstoff, Kohlenwasserstoffen mit einem oder mehreren Kohlenstoffatomen und Halogenkohlenwasserstoffen mit einem oder mehreren Kohlenstoffatomen bestehenden Gruppe ausgewählt werden. Das Prozesskältemittel im zweiten umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf kann Stickstoff umfassen.

Mindestens ein Teil des ersten Temperaturbereichs liegt zwischen etwa –40°C und etwa –100°C, und bevorzugt liegt mindestens ein Teil des ersten Temperaturbereichs zwischen etwa –60°C und etwa –100°C. Mindestens ein Teil des zweiten Temperaturbereichs liegt unter etwa –100°C.

Das erste umlaufende Kälteerzeugungssystem wird betrieben durch:

  • (1) Komprimieren eines ersten gasförmigen Kältemittels;
  • (2) Kühlen und zumindest teilweises Kondensieren des resultierenden komprimierten Kältemittels;
  • (3) Verringern des Drucks des resultierenden zumindest teilweise kondensierten komprimierten Kältemittels;
  • (4) Verdampfen des resultierenden Kältemittels mit verringertem Druck, um die Kälteerzeugung im ersten Temperaturbereich bereitzustellen und ein verdampftes Kältemittel herzustellen, und
  • (5) Zurückführen des verdampften Kältemittels in den Kreislauf um das erste gasförmige Kältemittel aus (1) bereitzustellen.

Ein Teil der Kühlung des resultierenden komprimierten Kältemittels in (2) kann durch indirekten Wärmeaustausch mit verdampfenden Kältemitteln mit verringertem Druck in (4) zur Verfügung gestellt werden. Mindestens ein Teil der Kühlung in (2) wird durch indirekten Wärmeaustausch mit einem oder mehreren zusätzlichen verdampfenden Kältemittelströmen, die durch einen dritten umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf bereitgestellt werden, zur Verfügung gestellt. Der dritte umlaufende Kälteerzeugungskreislauf verwendet typischerweise ein Einkomponentenkühlmittel. Der dritte umlaufende Kälteerzeugungskreislauf kann ein gemischtes Kältemittel verwenden, das zwei oder mehrere Komponenten umfasst.

Das zweite umlaufende Kälteerzeugungssystem kann betrieben werden durch:

  • (1) Komprimieren eines zweiten gasförmigen Kältemittels, um das unter Druck gesetzte gasförmige Kältemittel in (b) bereitzustellen;
  • (2) Kühlen des unter Druck gesetzten gasförmigen Kältemittels, um ein gekühltes gasförmiges Kältemittel bereitzustellen;
  • (3) Kaltexpandieren des gekühlten gasförmigen Kältemittels, um das kalte Kältemittel in (b) bereitzustellen;
  • (4) Erwärmen des kalten Kältemittels, um Kälteerzeugung im zweiten Temperaturbereich zur Verfügung zu stellen, und
  • (5) Zurückleiten des resultierenden erwärmten Kältemittels in den Kreislauf, um das zweite gasförmige Kältemittel von (1) bereitzustellen,

Ein Teil der Kühlung in (2) kann durch indirekten Wärmeaustausch durch Erwärmen des kalten Kältemittelstroms in (4) zur Verfügung gestellt werden. Auch kann mindestens ein Teil der Kühlung in (2) durch indirekten Wärmeaustausch mit dem verdampfenden Kältemittel von (a) bereitgestellt werden. Mindestens ein Teil der Kühlung in (2) wird jedoch durch indirekten Wärmeaustausch mit einem oder mehreren zusätzlichen verdampfenden Kältemitteln, die durch einen dritten umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf der ein Einkomponentenkältemittel verwenden kann, zur Verfügung gestellt. Alternativ kann der dritte umlaufende Kälteerzeugungskreislauf ein gemischtes Kältemittel verwenden, das zwei oder mehrere Komponenten verwendet.

Der erste umlaufende Kälteerzeugungskreislauf und der zweite umlaufende Kälteerzeugungskreislauf kann in einem einzigen Wärmetauscher einen Teil der gesamten zur Verflüssigung des Beschickungsgases erforderlichen Kälteerzeugung zur Verfügung stellen.

In einer Ausführungsform der Erfindung kann das erste Kälteerzeugungssystem betrieben werden durch:

  • (1) Verdichten eines ersten gasförmigen Kältemittels;
  • (2) Kühlen und teilweises Kondensieren des resultierenden komprimierten Kältemittels, um eine dampfförmige Kältemittelfraktion und eine flüssige Kältemittelfraktion herzustellen;
  • (3) zusätzliches Abkühlen und Verringern des Drucks der flüssigen Kältemittelfraktion und Verdampfen der resultierenden flüssigen Kältemittelfraktion, um im ersten Temperaturbereich Kälte zu erzeugen und ein erstes verdampftes Kältemittel herzustellen;
  • (4) Abkühlen und Kondensieren der dampfförmigen Kältemittelfraktion, Verringern des Drucks mindestens eines Teils der resultierenden Flüssigkeit und Verdampfen der resultierenden flüssigen Kältemittelfraktion, um zusätzliche Kälte im ersten Temperaturbereich zu erzeugen und ein zweites verdampftes Kältemittel herzustellen, und
  • (5) Kombinieren des ersten und des zweiten verdampften Kältemittels, um das erste gasförmige Kältemittel von (1) zur Verfügung zu stellen.

Die Verdampfung der resultierende Flüssigkeit in (4) kann bei einem geringeren Druck als die Verdampfung der resultierenden flüssigen Kältemittelfraktion in (3) erfolgen, wobei das zweite verdampfte Kältemittel vor der Zusammenführung mit dem ersten verdämpften Kältemittel verdampft würde. Die Energie aus dem Kaltexpandieren des gekühlten gasförmigen Kältemittels in (3) kann einen Teil der Energie zur Verfügung stellen, die zum Verdichten des zweiten gasförmigen Kältemittels in (1) erforderlich ist.

Das Beschickungsgas kam Erdgas sein. In diesem Fall kann der resultierende verflüssigte Erdgasgasstrom zu einem geringeren Druck expandiert werden, um einen ersten Entspannungsdampf und ein endgültiges flüssiges Produkt zu ergeben. Der leichte Entspannungsdampf kann dazu verwendet werden, im zweiten Kälteerzeugungskreislauf das zweite gasförmige Kältemittel zur Verfügung zu stellen.

Kurze Beschreibung verschiedener Ansichten der Zeichnungen

1 ist ein schematisches Fließdiagramm eines Verfahrens, das die Technik veranschaulicht.

2 ist ein schematisches Fließdiagramm einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Sie verwendet ein zusätzliches Kälteerzeugungssystem, um das Beschickungsgas vorzukühlen, das komprimierte Kühlmittel im Dampfrekompressions-Kälteerzeugungskreislauf und das komprimierte Kältemittel im Gasexpander-Kälteerzeugungskreislauf.

3 ist ein schematisches Fließdiagramm einer anderen Ausführungsform der Erfindung, in der ein zusätzliches Dampfrekompressions-Kälteerzeugungssystem verwendet wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In den meisten Anlagen zur Herstellung von LNG wird heutzutage Kälte verwendet, die durch Komprimieren eines Gases auf hohen Druck, Verflüssigen des Gases gegen eine Kühlquelle, Expandieren der resultierenden Flüssigkeit auf einen geringen Druck und Verdampfen der resultierenden Flüssigkeit, um die Kälte zu erzeugen, erzeugt wird. Das verdampfte Kältemittel wird erneut komprimiert und wieder im umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf verwendet. In dieser Art von Kälteerzeugungsverfahren kann man ein gemischtes Multikomponenten-Kältemittel oder einen Einkomponenten-Kälteerzeugungskreislauf in Kaskadenform zum Kühlen verwenden. Es wird hier generisch als verdampfender Kälteerzeugungskreislauf oder als Dampfrekompressionskreislauf definiert. Diese Art Kreislauf ist sehr effizient darin, Kühlung bei Temperaturen nahe der Umgebungstemperatur zur Verfügung zu stellen. In diesem Fall stehen kälteerzeugende Fluids zur Verfügung, die bei einem Druck weit unterhalb des kritischen Drucks des Kältemittels kondensieren, während sie Wärme an ein Wärmeabführungselement bei Umgebungstemperatur abweisen, und auch bei einem Druck oberhalb des atmosphärischen Wertes sieden, während sie Wärme aus der Kälteerzeugungsbeladung absorbieren.

Da die erforderliche Kälteerzeugungstemperatur in einem Einkomponenten-Kälteerzeugungssystem durch Dampfkompression sinkt, ist ein spezielles Kältemittel, das oberhalb atmosphärischen Drucks bei einer ausreichend niedrigen Temperatur, um die erforderliche Kälte zu erzeugen, siedet, zu flüchtig, um gegen ein Wärmeabführungselement bei Umgebungstemperatur zu kondensieren, weil die kritische Temperatur des Kältemittels unter der Umgebungstemperatur liegt. In dieser Situation kann man Kaskadenkreisläufe verwenden. Beispielsweise kann man eine Zwei-Fluid-Kaskade verwenden, in der ein schwereres Fluid die wärmere Kälteerzeugung zur Verfügung stellt, während ein leichteres Fluid für die kältere Kälteerzeugung sorgt. Anstatt Wärme bis zur Umgebungstemperatur abzuweisen, weist das leichte Fluid die Wärme an das siedende schwerere Fluid ab, während es selbst kondensiert. Indem man mehrere Fluids auf diese Weise in einer Kaskade einsetzt, kann man sehr niedrige Temperaturen erreichen.

Ein Multikomponenten-Kälteerzeugungskreislauf (MCR-Kreislauf) kann als ein Typ Kaskadenkreislauf gelten, in dem die schwersten Komponenten des Kältemittelgemischs gegen die Wärmeableitungsvorrichtung bei Umgebungstemperatur kondensieren und bei geringem Druck sieden, während sie die nächstleichtere Komponente kondensieren, die selbst siedet, um eine noch leichtere Komponente zu kondensieren, und so weiter, bis die erwünschte Temperatur erreicht ist. Der Hauptvorteil eines Multikomponentensystems gegenüber einem Kaskadensystem besteht darin, dass die Kompressions- und Wärmetauscheranlagen stark vereinfacht sind. Das Multikomponentensystem erfordert einen einzigen Kompressor und Wärmetauscher, während beim Kaskadensystem mehrere Kompressoren und Wärmetauscher erforderlich sind.

Beide diese Kreisläufe büßen an Effizienz ein, wenn die Temperatur der Kälteerzeugungsbeladung abnimmt, weil mehrere Fluids über die Kaskade geführt werden müssen. Um die für die LNG-Erzeugung erforderlichen Temperaturen (typischerweise –220°F bis –270°F) zur Verfügung zu stellen, werden mehrere Schritte eingesetzt, an denen mehrere Komponenten beteiligt sind. In jedem Schritt treten thermodynamische Verluste auf, die mit der Wärmeübertragung durch Sieden/Kondensieren über eine endliche Temperaturdifferenz zusammenhängen, und mit jedem zusätzlichen Schritt werden diese Verluste größer.

Ein weiterer, industriell wichtiger Kälteerzeugungskreislauf ist der Gasexpanderkreislauf. Bei diesem Kreislauf wird das Arbeitsfluid komprimiert, auf vernünftige Weise (ohne Phasenveränderung) gekühlt, als Dampf in einer Turbine kalt entspannt und erwärmt, während die Kälteerzeugungsbeladung gekühlt wird. Dieser Kreislauf wird auch als Gasexpanderkreislauf definiert. Man kann mit diesem Typ Kreislauf, in dem eine einzige umlaufende Kühlschlange verwendet wird, relativ effizient sehr niedrige Temperaturen erreichen. Bei dieser Art Kreislauf durchläuft das Arbeitsfluid typischerweise keine Phasenveränderung. Daher wird Wärme absorbiert, wenn das Fluid auf vernünftige Weise erwärmt wird. In einigen Fällen kann das Arbeitsfluid während der Kaltexpansion jedoch einen geringen Grad der Phasenveränderung durchlaufen.

Der Gasexpanderkreislauf stellt effiziente Kälteerzeugung bei Fluids zur Verfügung, die auch über einen Temperaturbereich kühlen, und ist besonders brauchbar bei der Erzeugung von Kälte auf sehr niedrige Temperaturen, wie z.B. bei der Erzeugung von flüssigem Stickstoff und Wasserstoff erforderlich ist.

Ein Nachteil des Gaspexander-Kälteerzeugungskreislaufs liegt jedoch darin, dass er relativ ineffizient dabei ist, "warme" Kälte zu erzeugen. Der Nettoaufwand, der für eine Gasexpanderkreislauf-Kälteerzeugungsvorrichtung erforderlich ist, entspricht der Differenz zwischen der Kompressorarbeit und der Expanderarbeit, während der Aufwand bei einem Kaskaden- oder Einkomponenten-Kälteerzeugungskreislauf einfach die Kompressorarbeit ist. Im Gasexpanderkreislauf kann der Expansionsaufwand leicht 50 % oder mehr der Kompressorarbeit betragen, wenn man "warme" Kälte erzeugt. Das Problem bei der Erzeugung "warmer" Kälte durch einen Gasexpanderkreislauf besteht darin, dass jede Ineffizienz im Kompressorsystem vervielfacht wird.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, die Vorteile des Gasexpanderkreislaufs bei der Erzeugung "kalter" Kälte besser zu nutzen, sich dabei aber auch der Vorteile von reinen oder Multikomponenten-Kälteerzeugungkreisläufen mit Dampfrekompression bei der Erzeugung "warmer" Kälte bedienen, und diese Kombination von Kälteerzeugungskreisläufen auf die Gasverflüssigung anzuwenden. Dieser kombinierte Kälteerzeugungskreislauf eignet sich besonders gut für die Verflüssigung von Erdgas.

Erfindungsgemäß werden Dampfrekompressions-Kälteerzeugungssysteme mit gemischten Komponenten, reinen Komponenten und/oder in Form einer Kaskade dazu verwendet, einen Teil der für die Gasverflüssigung erforderlichen Kälte bei Temperaturen unter etwa –40°C und bis hinab zu –100°C zu erzeugen. Die restliche Kälte im kältesten Temperaturbereich unter etwa –100°C wird durch Kaltexpandieren eines kälteerzeugenden Gases erzeugt. Der umlaufende Kreislauf des zum Kaltexpandieren verwendeten kälteerzeugenden Gasstroms ist physikalisch unabhängig von dem oder den Kreisläufen der reinen oder Mischkomponenten-Dampfrekompressionszyklen, aber thermisch in diese integriert. Mehr als 5 % und üblicherweise mehr als 10 % der gesamten Kälteerzeugungsenergie, die für die Verflüssigung des Beschickungsgases erforderlich ist, kann durch den oder die reinen oder Mischkomponenten-Dampfrekompressionszyklen verbraucht werden. Die Erfindung kann in die Bauweise einer neuen Verflüssigungsanlage integriert oder bei der Nachrüstung oder Erweiterung einer existierenden Anlage eingesetzt werden, indem man den Gasexpander-Kühl-Kreislauf in das bestehende Kälteerzeugungssystem einbaut.

Das oder die reinen oder Mischkomponenten-Dampfrekompressionsfluids umfassen im Allgemeinen eine oder mehrere Komponenten, die aus Stickstoff, Kohlenwasserstoffen mit einem oder mehreren Kohlenstoffatomen und Halogenkohlenwasserstoffen mit einem oder mehreren Kohlenstoffatomen ausgewählt sind. Typische Kältemittel aus Kohlenwasserstoff umfassen Methan, Ethan, Propan, i-Butan, Butan und i-Pentan. Beispielhafte Kältemittel aus Halogenkohlenwasserstoff umfassen R22, R23, R32, R134a und R410a. Der Gasstrom, der im Gasexpanderzyklus kalt expandiert werden soll, kann eine reine Komponente oder ein Gemisch aus Komponenten sein; Beispiele umfassen einen reinen Stickstoffstrom oder ein Gemisch aus Stickstoff mit anderen Gasen wie Methan.

Das Verfahren, mit dem unter Verwendung eines Mischkomponentenkreislaufs Kälte erzeugt werden soll, umfasst das Verdichten eines Mischkomponentenstroms und das Kühlen des komprimierten Stroms unter Verwendung einer externen Kühlflüssigkeit wie Luft, Kühlwasser oder eines anderen Prozessstroms. Ein Teil des komprimierten gemischten Kältemittelstroms wird nach externer Kühlung verflüssigt. Mindestens ein Teil des komprimierten und gekühlten gemischten Kältemittelstroms wird in einem Wärmetauscher zusätzlich gekühlt und sein Druck verringert. Dann wird er durch Wärmeaustausch mit dem Gasstrom, der verflüssigt wird, verdampft. Der verdampfte und erwärmte gemischte Kühlmittelstrom wird dann zurückgeleitet und wie vorstehend beschrieben komprimiert.

Das Verfahren zur Kälteerzeugung unter Verwendung eines Kreislaufs mit reinen Komponenten besteht aus dem Verdichten eines Stroms aus reinen Komponenten und dessen Abkühlen unter Verwendung eines externen Kühlfluids: Ein Teil des Kältemittelstroms wird nach externer Kühlung verflüssigt. Bei mindestens einem Teil des verdichteten und verflüssigten Kältemittels wird dann der Druck reduziert. Anschließend wird er durch Wärmeaustausch mit dem Gasstrom, der verflüssigt wird, oder einem anderen Kältemittelstrom, der gekühlt wird, verdampft. Der resultierende verdampfte Kältemittelstrom wird dann verdichtet und wie vorstehend beschrieben wieder in den Kreislauf eingeleitet.

Erfindungsgemäß erzeugen der bzw. die Dampfrekompressionskreisläufe mit reinen oder gemischten Komponenten vorzugsweise eine Kälte bis zu Temperaturniveaus unter etwa –40°C, vorzugsweise unter etwa –60°C und bis zu etwa –100°C, erzeugen aber nicht die gesamte zur Verflüssigung des Beschickungsgases erforderliche Kälte. Diese Kreisläufe können typischerweise mehr als 5 % und üblicherweise mehr als 10 % der gesamten für die Verflüssigung des Beschickungsgases erforderlichen Kälteerzeugungsenergie verbrauchen. Bei der Verflüssigung von Erdgas kann der bzw. können die reinen oder Multikomponenten-Dampfrekompressionskreisläufe typischerweise mehr als 30 % des gesamten zur Verflüssigung des Beschickungsgases erforderliche Energieaufwandes verbrauchen. Bei dieser Anwendung wird das bevorzugte Erdgas durch den oder die reinen oder Mischkomponenten-Dampfrekompressionskreisläufe auf Temperaturen weit unter –40°C und vorzugsweise unter –60°C gekühlt.

Das Verfahren zur Erzeugung von Kälte im Gasexpanderkreislauf umfasst das Komprimieren des Gasstroms, das Kühlen des komprimierten Gasstroms unter Verwendung eines externen Kühlfluids, das zusätzliche Kühlen mindestens eines Teils des gekühlten komprimierten Gasstroms, das Expandieren mindestens eines Teils des zusätzlich gekühlten Stroms in einem Expander, um Energie zu erzeugen, das Erwärmen des expandierten Stroms durch Wärmeaustausch mit dem Strom, der verflüssigt werden soll, und das Rückführen des erwärmten Gasstroms zur weiteren Kompression. Dieser Zyklus erzeugt Kälte auf Temperaturniveaus, die unterhalb der Temperaturniveaus der Kälte liegen, die durch den Dampfrekompressionszyklus mit reinen oder gemischten Kältemitteln erzeugt wird.

In einem bevorzugten Modus stellt der bzw. stellen die reinen oder Mischkomponenten-Dampfrekompressionskreisläufe einen Teil der Kühlung des komprimierten Gasstroms vor seiner Expansion in einem Expander zur Verfügung. In einem alternativem Modus kann der Gasstrom in mehr als einem Expander expandiert werden. Dazu kann man alle bekannten Expanderanordnungen zur Verflüssigung eines Gasstroms verwenden. Die Erfindung kann viele verschiedene Wärmetauschervorrichtungen in den Kälteerzeugungskreisläufen verwenden, darunter Wärmetauscher vom Typ Platte-Lamellen, gewundene Spiralen sowie Gehäuse-und-Röhren oder Kombinationen davon, je nach der speziellen Anwendung. Die Erfindung ist unabhängig von der Anzahl und Anordnung der im beanspruchten Verfahren verwendeten Wärmetauscher.

1 zeigt zur Veranschaulichung eine Ausführungsform des Verfahrens des Standes der Technik. Das Verfahren kann dazu eingesetzt werden, jeden beliebigen Gasbeschickungsstrom zu verflüssigen. Bevorzugt wird es dazu verwendet, Erdgas wie nachstehend beschrieben zu verflüssigen, um das Verfahren zu erläutern. Erdgas wird zuerst gereinigt und dann im Vorbehandlungsabschnitt 172 getrocknet, um saure Gase wie CO2 und H2S zusammen mit anderen Verunreinigungen wie Quecksilber zu entfernen. Der vorbehandelte Gasstrom 100 tritt in den Wärmetauscher 106 ein und wird auf eine typische Zwischentemperatur von etwa –30°C gekühlt. Der gekühlte Strom 102 fließt dann in die Gaswäschersäule 108. Die Kühlung im Wärmetauscher 106 erfolgt durch Erwärmen des gemischten Kältemittelstroms 125 im Inneren 109 des Wärmetauschers 106. Das gemischte Kältemittel umfasst typischerweise einen oder mehrere aus Methan, Ethan, Propan, i-Butan, Butan und möglicherweise i-Pentan ausgewählte Kohlenwasserstoffe. Außerdem kann das Kältemittel auch andere Komponenten wie Stickstoff enthalten. In der Gaswäschersäule 108 werden die schwereren Komponenten der Erdgasbeschickung, wie z.B. Pentan und schwerere Komponenten, entfernt. Im vorliegenden Beispiel wird die Gaswäschersäule mit nur einem Strippabschnitt gezeigt. In anderen Fällen kann ein Rektifizierabschnitt mit einem Kondensator verwendet werden, um die schweren Verunreinigungen wie Benzol bis zu sehr geringen Mengen zu entfernen. Wenn im fertigen LNG-Produkt sehr geringe Mengen an schweren Komponenten erforderlich sind, kann an der Gaswäschersäule 110 jede beliebige Modifizierung vorgenommen werden. Beispielsweise kann eine schwerere Komponente wie Butan als Waschflüssigkeit verwendet werden.

Das Bodenprodukt 110 aus der Gaswäschersäule tritt dann in den Fraktionierabschnitt 112 ein, wo die schweren Komponenten als Strom 114 zurückgewonnen werden. Das Propan und die leichteren Komponenten im Strom 118 fließen durch den Wärmetauscher 106, wo der Strom auf etwa –30°C gekühlt wird, und werden wieder mit dem Destillatprodukt aus der Gaswäschersäule kombiniert, um den gereinigten Beschickungsstrom 120 zu bilden. Der Strom 120 wird dann im Wärmetauscher 122 weiter auf eine typische Temperatur von etwa –100°C gekühlt, indem der gemischte Kühlmittelstrom 124 erwärmt wird. Der resultierende gekühlte Strom 126 wird dann im Wärmetauscher 128 weiter auf eine Temperatur von etwa –166°C gekühlt. Die Kälte zum Kühlen im Wärmetauscher 128 wird durch einen kalten Kältemittelfluidstrom 130 aus dem Turboexpander 166 erzeugt. Dieses Fluid, vorzugsweise Stickstoff, besteht überwiegend aus Dampf, der weniger als 20 % Flüssigkeit enthält, und hat typischerweise einen Druck von etwa 11 bara (alle hier angegebenen Drücke sind absolut Drücke) und eine typische Temperatur von etwa –168°C. Der weiter gekühlte Strom 132 kann über das Drosselventil 134 adiabatisch auf einen Druck von etwa 1,05 bara entspannt werden. Alternativ könnte der Druck des weiter gekühlten Stroms 132 über einen Kaltexpander verringert werden. Das verflüssigte Gas fließt dann in eine Abscheidevorrichtung oder einen Lagertank 136, und das fertige LNG-Produkt wird als Strom 142 abgezogen. In einigen Fällen entsteht abhängig von der Erdgaszusammensetzung und der Temperatur am Ausgang des Wärmetauschers 128 eine signifikante Menge an leichtem Gas als Strom 138 nach der Entspannung über das Ventil 134. Das Gas kann in den Wärmetauschern 128 und 150 erwärmt und auf einen Druck komprimiert werden, der für die Verwendung als Treibstoffgas in der LNG-Anlage ausreicht.

Die Kälte, die zum Kühlen des Erdgases von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von etwa –100°C erforderlich ist, wird durch einen Multikomponenten-Kälteerzeugungskreislauf der vorstehend beschriebenen An erzeugt. Der Strom 146 ist das gemischte Kältemittel mit hohem Druck, das bei Umgebungstemperatur und einem typischen Druck von etwa 38 bara in den Wärmetauscher 106 eintritt. Das Kältemittel wird in den Wärmetauschern 106 und 122 auf eine Temperatur von etwa –100°C gekühlt und tritt als Strom 148 aus. Der Strom 148 wird in dieser Ausführungsform in zwei Teile geteilt. Bei einem kleinerer Teil, typischerweise etwa 4 %, wird der Druck adiabatisch auf etwa 100 bara verringert. Dann wird er als Strom 149 in den Wärmetauscher 150 eingeleitet, um wie nachstehend beschrieben zusätzliche Kühlung zur Verfügung zu stellen. Auch beim größeren Teil des Kältemittels, dem Strom 124, wird der Druck adiabatisch auf einen typischen Wert von etwa 10 bara verringert. Dann wird er in das kalte Ende des Wärmetauschers 106 eingeleitet. Das Kältemittel fließt nach unten und verdampft im Inneren 109 des Wärmetauscher 106 und tritt mit etwas weniger als Umgebungstemperatur als Strom 152 aus. Der Strom 152 wird dann wieder mit dem kleineren Strom 154 kombiniert, der im Wärmetauscher 150 verdampft und auf nahezu Umgebungstemperatur erwärmt wurde. Der kombinierte Strom 156 mit niedrigem Druck wird dann im zwischengekühlten Mehrstufenkompressor 15 8 wieder auf den Enddruck von etwa 38 bara komprimiert. Im Zwischenkühler des Kompressors kann sich Flüssigkeit bilden, und diese Flüssigkeit wird abgetrennt und wieder mit dem Hauptstrom 160 kombiniert, der an der Endstufe der Kompression austritt. Dann wird der kombinierte Strom wieder auf Umgebungstemperatur gekühlt, um den Strom 146 zu ergeben.

Die letzte Kühlung des Erdgases von etwa –100°C auf etwa –166°C erfolgt mit einem Gasexpanderkreislauf in dem Stickstoff als Arbeitsfluid verwendet wird. Ein unter Hochdruck stehender Stickstoffstrom 162 tritt typischerweise bei Umgebungstemperatur und einem Druck von etwa 67 bara in den Wärmetauscher 150 ein und wird dann im Wärmetauscher 150 auf eine Temperatur von etwa –100°C gekühlt. Der gekühlte Dampfstrom 164 wird im Turboexpander 132 im Wesentlichen isentropisch kalt expandiert und tritt typischerweise bei einem Druck von etwa 11 bara und einer Temperatur von etwa –168°C wieder aus. Idealerweise liegt der Druck am Ausgang auf dem oder etwas unter dem Taupunktdruck des Stickstoffs bei einer Temperatur, die kalt genug ist, um das Kühlen des LNG auf die erwünschte Temperatur zu bewirken. Der expandierte Stickstoffstrom 130 wird dann in den Wärmetauschern 128 und 150 auf einen Wert nahe der Umgebungstemperatur erwärmt. Zusätzliche Kälte wird dem Wärmetauscher 150 durch einen kleinen Strom 149 des gemischten Kältemittels wie vorstehend beschrieben zugeführt. Dies erfolgt, um die Unumkehrbarkeit des Verfahrens zu verringern, indem die Kühlkurven im Wärmetauscher 150 genauer aufeinander abgestimmt werden. Aus dem Wärmetauscher 150 wird ein erwärmter Stickstoffstrom 170 mit niedrigem Druck im Mehrstufenkompressor 168 wieder auf einen hohen Druck von etwa 67 bara komprimiert.

Wie vorstehend erwähnt, kann der Gasexpanderkreislauf nachgerüstet oder im Rähmen der Erweiterung einer bereits bestehenden LNG-Anlage mit gemischten Kältemitteln eingebaut werden.

Eine alternative Ausführungsform ist in 2 zu sehen, in der ein anderes Kältemittel (z.B. Propan) dazu verwendet wird, die Beschickung, Stickstoff, und die gemischten Kältemittelströme in den Wärmetauschern 402, 401 bzw. 400 zu kühlen, ehe sie in die Wärmetauscher 106 und 150 eingeleitet werden. In dieser Ausführungsform verwendet man drei Stufen der Vorkühlung in den Wärmetauschern 402, 401 und 400, obwohl bei Bedarf eine beliebige Anzahl von Stufen verwendet werden kann. In diesem Fall werden die zurückfließenden Kältemittelfluids 156 und 170 bei einer Einlasstemperatur, die etwas unter dem vom Vorkühlkältemittel zur Verfügung gestellten Wert liegt, kalt komprimiert. Diese Anordnung kann nachgerüstet oder im Rahmen der Erweiterung einer bestehenden LNG-Anlage mit einem durch Propan vorgekühlten gemischten Kältemittel eingebaut werden.

3 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei getrennte Kreisläufe mit gemischten Kältemitteln verwendet werden, ehe die endgültige Kühlung durch den Gasexpanderkälteerzeugungskreislauf erfolgt. Der erste Kälteerzeugungskreislauf bei dem der Kompressor 701 und die Druckverringerungsvorrichtung 703 zum Einsatz kommen, stellt eine erste Kühlung auf eine Temperatur von etwa –30°C zur Verfügung. Ein zweiter Kälteerzeugungskreislauf, in dem der Kompressor 702 und die Expansionsvorrichtungen 704 und 705 zum Einsatz kommen, wird dazu verwendet, weitere Kühlung auf eine Temperatur von etwa –100°C zur Verfügung zu stellen. Diese Anordnung kann nachgerüstet oder im Rahmen der Erweiterung einer bereits bestehenden LNG-Anlage mit zwei gemischten Kältemitteln eingebaut werden.

Die vorstehend anhand der Ausführungsformen von 1 bis 3 beschriebene Erfindung kann in einer Vielzahl von Wärmetauschervorrichtungen in den Kälteerzeugungskreisläufen verwendet werden, darunter Wärmetauscher vom Typ gewundene Spiralen, Platten-Lamellen, Gehäuse und Röhre, sowie der Kesseltyp. Je nach der spezifischen Anwendung können auch Kombinationen dieser Wärmetauschertypen verwendet werden. Beispielsweise können die Wärmetauscher 106, 122 und 128 Wärmetauscher in Form einer gewundenen Spirale und der Wärmetauscher 150 ein Wärmetauscher in Platten-Lamellenform gemäß 1 sein.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Großteil der Kälte im Temperaturbereich von etwa –40°C bis etwa – 100°C durch indirekten Wärmeaustausch mit mindestens einem verdampfenden Kältemittel in einem umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf erzeugt. Ein Teil der Kälte in diesem Temperaturbereich kann auch durch die Kaltexpansion eines unter Druck gesetzten gasförmigen Kältemittels erzeugt werden.

Beispiel (kein Teil der Erfindung)

Unter Bezugnahme auf 1 wird Erdgas im Vorbehandlungsabschnitt 172 gereinigt und getrocknet, um saure Gase wie CO2 und H2S zusammen mit anderen Verunreinigungen wie Quecksilber zu entfernen. Das vorbehandelte Beschickungsgas 100 hat eine Fließgeschwindigkeit von 24.431 kg-Mol/, einen Druck von 66,5 bara und eine Temperatur von 32°C. Die Molzusammensetzung des Stroms ist wie folgt:

Tabelle 1 Zusammensetzung des Beschickungsgases

Das vorbehandelte Gas 100 tritt in den ersten Wärmetauscher 106 ein und wird auf eine Temperatur von –31°C gekühlt, ehe es als Strom 102 in die Gaswäschersäule 108 eintritt. Die Kühlung erfolgt durch die Erwärmung des gemischten Kältemittelstroms 109, der mit 445.425 kg-Mol/h fließ und folgende Zusammensetzung hat:

Tabelle 2 Zusammensetzung des gemischten Kältemittels

In der Gaswäschersäule 108 werden Pentan und die schwereren Komponenten der Beschickung entfernt. Das Bodenprodukt 110 aus der Gaswäschersäule tritt in den Fraktionierabschnitt 112 ein, wo die schweren Komponenten als Strom 114 zurückgewonnen und das Propan und die leichteren Komponenten im Strom 118 zum Wärmetauscher 106 zurückgeführt, auf –31°C gekühlt und wieder mit dem Destillatprodukt aus der Gaswäschersäule kombiniert werden, um den Strom 120 zu bilden. Der Strom 120 fließt mit einer Geschwindigkeit von 24.339 kg-Mol/h.

Der Strom 120 wird im Wärmetauscher 122 zusätzlich auf eine Temperatur von –102,4°C gekühlt, indem der gemischte Kältemittelstrom 124, der bei einer Temperatur von –104,0°C in den Wärmetauscher 122 eintritt, erwärmt wird. Der resultierende Strom 128[AdÜ: falsche Bezugszahl] wird dann im Wärmetauscher 128 weiter auf eine Temperatur von –165,7°C gekühlt. Die Kälte zum Kühlen im Wärmetauscher 128 wird durch einen reinen Stickstoffstrom 130 erzeugt, der bei –168,0°C mit einer flüssigen Fraktion von 2,0 % aus dem Turboexpander 166 austritt. Der resultierende LNG-Strom 132 wird dann über das Ventil 134 adiabatisch bis zum Blasenbildungspunktdruck von 1,5 bara entspannt. Anschließend tritt das LNG in die Abscheidevorrichtung 136 ein, aus der das fertige LNG-Produkt als Strom 142 austritt. In diesem Beispiel entsteht nach der Entspannung über das Ventil 134 kein leichtes Gas 138, und der Kompressor 140 zur Rückgewinnung des Entspannungsgases ist nicht erforderlich.

Die Kälte, um das Erdgas von der Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von –102,4°C zu kühlen, wird durch einen Mehrkomponentenkälteerzeugungskreislauf der vorstehend erwähnten An erzeugt. Der Strom 146 ist der gemischte Kältemittelstrom unter hohem Druck, der bei einer Temperatur von 32°C und einem Druck von 38,6 bara in den Wärmetauscher 106 eintritt. Dann wird er in den Wärmetauschern 106 und 122 auf eine Temperatur von –102,4°c gekühlt und tritt als Strom 148 bei einem Druck von 34,5 bara aus. Der Strom 148 wird dann in zwei Teile geteilt. Bei einem kleinem Teil, 4,1%, wird der Druck adiabatisch auf 9,8 bara verringert. Dann wird er als Strom 149 in den Wärmetauscher 150 geleitet, um dort zusätzliche Kälte zu erzeugen. Auch der größere Teil 124 des gemischten Kältemittels wird adiabatisch auf einen Druck von 9,8 bara entspannt und als Strom 124 in das kalte Ende des Wärmetauschers 122 geleitet. Der Strom 124 wird in den Wärmetauschern 122 und 106 erwärmt und verdampft und tritt schließlich als Strom 152 mit 29°C und 9,3 bara aus dem Wärmetauscher 106 aus. Der Strom 152 wird dann wieder mit dem kleineren Teil des gemischten Kühlmittels als Strom 154 kombiniert, der im Wärmetauscher 150 verdampft und auf 29°C erwärmt wurde. Der kombinierte Strom 156 mit dem niedrigen Druck wird dann im zwischengekühlten Zweistufenkompressor 158 auf den Enddruck von 34,5 bara komprimiert. Im Zwischenkühler des Kompressors bildet sich Flüssigkeit, und diese Flüssigkeit wird wieder mit dem Hauptstrom 160, der aus der letzten Kompressorstufe ausstritt, kombiniert. Die Flüssigkeit fließt mit 4.440 kg-Mol/h.

Die letzte Kühlung des Erdgases von –102,4°C auf –165,7°C erfolgt durch einen geschlossenen Kreislauf vom Expandertyp, bei dem Stickstoff als Arbeitsflüssigkeit verwendet wird. Der unter Hochdruck stehende Stickstoffstrom 162 tritt bei 32°C und einem Druck von etwa 67,1 bara sowie einer Fließgeschwindigkeit von 40.352 kg-Mol/h in den Wärmetauscher 150 ein und wird dann im Wärmetauscher 150 auf eine Temperatur von –102,4°C gekühlt. Der Dampfstrom 164 wird dann im Turboexpander 166 im Wesentlichen isentropisch kalt expandiert und tritt bei –168,0°C mit einer flüssigen Fraktion von 2,0 % aus. Der expandierte Stickstoff wird dann in den Wärmetauschern 128 und 150 auf 29°C erwärmt. Zusätzliche Kälte wird dem Wärmetauscher 150 durch den Strom 149 zugeführt. Aus dem Wärmetauscher 150 wird der erwärmte Stickstoff mit niedrigem Druck in einem dreistufigen Zentrifugenkompressor 168 von 10,5 bara wieder auf 67,1 bara komprimiert. In diesem Beispiel werden 65 % der gesamten Kühlenergie, die zur Verflüssigung des vorbehandelten Beschickungsgases 100 erforderlich ist, durch den umlaufenden Kälteerzeugungskreis verbraucht, irr dem der Kältemittelstrom 146 in den Wärmetauschern 106 und 150 verdampft und der resultierende verdampfte Kältemittelstrom 156 im Kompressor 158 komprimiert wird.

Somit bietet die Erfindung ein verbessertes Kälteerzeugungsverfahren zur Verflüssigung von Gas, das einen oder mehrere verdampfende Kälteerzeugungskreisläufe verwendet, um Kälte bis unter etwa –40°C und bis zu etwa –100°C zu erzeugen, und einen Gasexpanderkreislauf verwendet, um Kälte unter etwa –100°C zu erzeugen. Der Gasexpanderkreislauf kann auch einen Teil der Kälte im Bereich von etwa –40°C bis etwa –100°C erzeugen. Jeder dieser beiden Typen von Kälteerzeugungssystemen wird in einem optimalen Temperaturbereich eingesetzt, der die Effizienz des jeweiligen Systems maximiert. Typischerweise kann ein signifikanter Teil der gesamten Kälteerzeugungsenergie, die zur Verflüssigung des Beschickungsgases erforderlich ist (mehr als 5 % und meistens mehr als 10 %) durch den oder die verdampfenden Kälteerzeugungskreisläufe verbraucht werden: Die Erfindung kann in eine neue Verflüssigungsanlage eingebaut oder für die Nachrüstung bzw. Erweiterung einer bereits existierenden Anlage verwendet werden, indem man das existierende Kälteerzeugungssystem der Anlage um einen Gasexpanderkälteerzeugungskreislauf ergänzt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Verflüssigung eines Beschickungsgases (100), umfassend die Bereitstellung mindestens eines Teils der gesamten zum Kühlen und Kondensieren des Beschickungsgases (100) erforderlichen Kälteerzeugung durch Einsatz

    (a) eines ersten Kälteerzeugungssystems, umfassend mindestens einen rezirkulierenden Kälteerzeugungskreislauf (152, 156, 158, 160, 146, 109, 148, 125), wobei das erste Kälteerzeugungssystem zwei oder mehr Kälteerzeugungskomponenten verwendet und die Kälteerzeugung in einem ersten Temperaturbereich bereitstellt, wobei mindestens ein Teil des ersten Temperaturbereichs zwischen –40°C und –100°C liegt; und

    (b) eines zweiten Kälteerzeugungssystems (130, 128, 150, 170, 168, 162, 150, 164, 166), das die Kälteerzeugung in einem zweiten Temperaturbereich durch Arbeitsexpansion eines unter Druck gesetzten gasförmigen Kälteerzeugungsstroms bereitstellt, wobei mindestens ein Teil des zweiten Temperaturbereichs unter –100°C liegt,

    wobei ein Wiederverdichtungszyklus des ersten rezirkulierenden Kälteerzeugungssystems durchgeführt wird durch

    (A) Komprimieren eines ersten gasförmigen Kältemittels (158);

    (B) Kühlen (109) und zumindest teilweises Kondensieren des resultierenden komprimierten Kältemittels (146);

    (C) Verringern des Drucks des resultierenden zumindest teilweise kondensierten komprimierten Kältemittels (148);

    (D) Verdampfen des resultierenden Kältemittels mit verringertem Druck (125), um die Kälteerzeugung im ersten Temperaturbereich bereitzustellen und ein verdampftes Kältemittel (152) zu ergeben, und

    (E) Zurückführen (156) des verdampften Kältemittels in den Kreislauf, um das erste gasförmige Kältemittel aus (A) bereitzustellen,

    dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Kühlung in (B) durch indirekten Wärmeaustausch (400) mit einem oder mehreren zusätzlichen verdampfenden Kälteerzeugungsströmen, die durch einen dritten rezirkulierenden Kälteerzeugungskreislauf zur Verfügung gestellt werden, bereitgestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dritte rezirkulierende Kälteerzeugungskreislauf ein Einkomponentenkältemittel verwendet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der dritte rezirkulierende Kälteerzeugungskreislauf ein gemischtes, zwei oder mehrere Komponenten enthaltendes Kältemittel verwendet.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Beschickungsgas Erdgas ist.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kältemittel im zweiten rezirkulierenden Kälteerzeugungskreislauf Stickstoff umfasst.
  6. Verfahren zur Verflüssigung eines Beschickungsgases (100), umfassend die Bereitstellung mindestens eines Teils der gesamten zum Kühlen und Kondensieren des Beschickungsgases (100) erforderlichen Kälteerzeugung durch Einsatz

    (a) eines ersten Kälteerzeugungssystems, umfassend mindestens einen rezirkulierenden Kälteerzeugungskreislauf (152, 156, 158, 160, 146, 109, 148, 125), wobei das erste Kälteerzeugungssystem zwei oder mehrere Kältemittelkomponenten verwendet und die Kälteerzeugung in einem ersten Temperaturbereich bereitstellt, wobei mindestens ein Teil des ersten Temperaturbereichs zwischen –40°C und –100°C liegt; und

    (b) eines zweiten Kälteerzeugungssystems (130, 128, 150, 170, 168, 162, 150, 164, 166), das die Kälteerzeugung in einem zweiten Temperaturbereich durch Arbeitsexpansion eines unter Druck gesetzten gasförmigen Kältemittelstroms bereitstellt, wobei mindestens ein Teil des zweiten Temperaturbereichs unter –100°C liegt,

    wobei das zweite rezirkulierende Kälteerzeugungssystem betrieben wird durch

    (1) Komprimieren (168) eines zweiten gasförmigen Kältemittels, um das unter Druck gesetzte gasförmige Kältemittel (162) bereitzustellen;

    (2) Kühlen (150) des unter Druck gesetzten gasförmigen Kältemittels (162), um ein gekühltes gasförmiges Kältemittel (164) zu ergeben;

    (3) Arbeitsexpandieren (166) des gekühlten gasförmigen Kältemittels, um das kalte Kältemittel (130) bereitzustellen;

    (4) Erwärmen (128) des kalten Kältemittels (130), um Kälteerzeugung im zweiten Temperaturbereich zur Verfügung zu stellen, und

    (5) Zurückleiten des resultierenden erwärmten Kältemittels (170) in den Kreislauf um das zweite gasförmige Kältemittel von (1) bereitzustellen,

    dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Kühlung in (2) durch indirekten Wärmeaustausch (401) mit einem oder mehreren zusätzlichen verdampfenden Kältemitteln zur Verfügung gestellt wird, die durch einen dritten rezirkulierenden Kälteerzeugungskreislauf bereitgestellt werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der dritte rezirkulierende Kälteerzeugungskreislauf ein Einkomponentenkältemittel verwendet.
  8. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der dritte rezirkulierende Kälteerzeugungskreislauf ein gemischtes, zwei oder mehr Komponenten enthaltendes Kältemittel verwendet.
  9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der ersten und zweiten Kälteerzeugungssysteme einen Wärmetauscher in Form einer gewickelten Spule (wound coil heat exchanger) umfasst.
  10. Vorrichtung zur Verflüssigung eines Beschickungsgases (100) durch das Verfahren von Anspruch 1, umfassend

    (a) ein erstes Kälteerzeugungssystem, umfassend mindestens einen rezirkulierenden Kälteerzeugungskreislauf (152, 156, 158, 160, 146, 109, 148, 125), wobei das erste Kälteerzeugungssystem zwei oder mehr Kältemittelkomponenten verwendet und die Kälteerzeugung in einem ersten Temperaturbereich bereitstellt, wobei mindestens ein Teil des ersten Temperaturbereichs zwischen – 40°C und –100°C liegt; und

    (b) ein zweites Kälteerzeugungssystem (130, 128, 150, 170, 168, 162, 150, 164, 166), das die Kälteerzeugung in einem zweiten Temperaturbereich durch Arbeitsexpansion eines unter Druck gesetzten gasförmigen Kältemittelstroms bereitstellt, wobei mindestens ein Teil des zweiten Temperaturbereichs unter –100°C liegt,

    wobei ein Wiederverdichtungszyklus des ersten rezirkulierenden Kälteerzeugungssystems umfasst

    (A) eine Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren eines ersten gasförmigen Kältemittels (158);

    (B) eine Wärmetauschervorrichtung (106) zum Kühlen und zumindest teilweisen Kondensieren des resultierenden komprimierten Kältemittels (146);

    (C) eine Anordnung zum Verringern des Drucks des resultierenden zumindest teilweise kondensierten komprimierten Kältemittels (148);

    (D) eine Wärmetauschervorrichtung zum Verdampfen des resultierenden Kältemittels mit verringertem Druck (125), um Kälteerzeugung im ersten Temperaturbereich bereitzustellen und ein verdampftes Kältemittel (152) zu ergeben, und

    (E) eine Anordnung (156) zum Zurückführen des verdampften Kältemittels in den Kreislauf, um das erste gasförmige Kältemittel von (A) bereitzustellen,

    dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher Anordnung (400) zumindest einen Teil der Kühlung in (B) durch indirekten Wärmeaustausch mit einem oder mehreren zusätzlichen verdampfenden Kältemittelströmen, die durch einen dritten rezirkulierenden Kälteerzeugungskreislauf zur Verfügung gestellt werden, bereitstellt.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei das zweite rezirkulierende Kälteerzeugungssystem umfasst:

    (1) eine Kompressionsvorrichtung (168) zum Komprimieren eines zweiten gasförmigen Kältemittels, um das unter Druck gesetzte gasförmige Kältemittel (162) bereitzustellen;

    (2) eine Wärmetauschervorrichtung (150) zum Kühlen des unter Druck gesetzten gasförmigen Kältemittels (162), um ein gekühltes gasförmiges Kältemittel (164) bereitzustellen;

    (3) eine Expansionsvorrichtung (166) zum Arbeitsexpandieren des gekühlten gasförmigen Kältemittels, um das kalte Kältemittel (130) bereitzustellen;

    (4) eine Wärmetauschervorrichtung (128) zum Erwärmen des kalten Kältemittels (130), um die Kälteerzeugung im zweiten Temperaturbereich zur Verfügung zu stellen; und

    (5) eine Anordnung zum Zurückleiten des resultierenden erwärmten Kältemittels (170) in den Kreislauf, um das zweite gasförmige Kältemittel von (1) bereitzustellen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei mindestens eines der ersten und zweiten Kälteerzeugungssysteme einen Wärmetauscher in Form einer gewundenen Spule umfasst.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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