EP3948122B1 - Verfahren zum verflüssigen eines gases - Google Patents

Verfahren zum verflüssigen eines gases

Info

Publication number
EP3948122B1
EP3948122B1 EP20713167.3A EP20713167A EP3948122B1 EP 3948122 B1 EP3948122 B1 EP 3948122B1 EP 20713167 A EP20713167 A EP 20713167A EP 3948122 B1 EP3948122 B1 EP 3948122B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
refrigerant
gas
heat exchanger
work
compression
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP20713167.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3948122C0 (de
EP3948122A1 (de
Inventor
Bauer HEINZ
Martin Kamann
Friderike KAMMERMAIER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP3948122A1 publication Critical patent/EP3948122A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3948122C0 publication Critical patent/EP3948122C0/de
Publication of EP3948122B1 publication Critical patent/EP3948122B1/de
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0027—Oxides of carbon, e.g. CO2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/005—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by expansion of a gaseous refrigerant stream with extraction of work
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/003—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production
    • F25J1/0047—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0052—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream
    • F25J1/0055—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the kind of cold generation within the liquefaction unit for compensating heat leaks and liquid production using an "external" refrigerant stream in a closed vapor compression cycle by vaporising a liquid refrigerant stream originating from an incorporated cascade
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/007—Primary atmospheric gases, mixtures thereof
    • F25J1/0072—Nitrogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0085—Ethane; Ethylene
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/008—Hydrocarbons
    • F25J1/0087—Propane; Propylene
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/006—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the refrigerant fluid used
    • F25J1/0095—Oxides of carbon, e.g. CO2
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0212—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a single flow MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0214—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0214—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F25J1/0215—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle with one SCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0214—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F25J1/0215—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle with one SCR cycle
    • F25J1/0216—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as a dual level refrigeration cascade with at least one MCR cycle with one SCR cycle using a C3 pre-cooling cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0211—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle
    • F25J1/0217—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process using a multi-component refrigerant [MCR] fluid in a closed vapor compression cycle as at least a three level refrigeration cascade with at least one MCR cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
    • F25J1/0235—Heat exchange integration
    • F25J1/0242—Waste heat recovery, e.g. from heat of compression
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0263—Details of the cold heat exchange system using different types of heat exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0262—Details of the cold heat exchange system
    • F25J1/0264—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams
    • F25J1/0265—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer
    • F25J1/0268—Arrangement of heat exchanger cores in parallel with different functions, e.g. different cooling streams comprising cores associated exclusively with the cooling of a refrigerant stream, e.g. for auto-refrigeration or economizer using a dedicated refrigeration means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0257—Construction and layout of liquefaction equipments, e.g. valves, machines
    • F25J1/0274—Retrofitting or revamping of an existing liquefaction unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
    • F25J1/0283—Gas turbine as the prime mechanical driver
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0281—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc. characterised by the type of prime driver, e.g. hot gas expander
    • F25J1/0284—Electrical motor as the prime mechanical driver
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0285—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0285—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings
    • F25J1/0288—Combination of different types of drivers mechanically coupled to the same refrigerant compressor, possibly split on multiple compressor casings using work extraction by mechanical coupling of compression and expansion of the refrigerant, so-called companders
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0289—Use of different types of prime drivers of at least two refrigerant compressors in a cascade refrigeration system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/029—Mechanically coupling of different refrigerant compressors in a cascade refrigeration system to a common driver
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2240/00—Processes or apparatus involving steps for expanding of process streams
    • F25J2240/80—Hot exhaust gas turbine combustion engine
    • F25J2240/82—Hot exhaust gas turbine combustion engine with waste heat recovery, e.g. in a combined cycle, i.e. for generating steam used in a Rankine cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2260/00—Coupling of processes or apparatus to other units; Integrated schemes
    • F25J2260/02—Integration in an installation for exchanging heat, e.g. for waste heat recovery
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/12—External refrigeration with liquid vaporising loop
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/60—Closed external refrigeration cycle with single component refrigerant [SCR], e.g. C1-, C2- or C3-hydrocarbons

Definitions

  • the present invention relates to a method for liquefying a gas, in particular natural gas, according to the preamble of independent claim 1.
  • mixed refrigerants consisting of different hydrocarbon components and nitrogen can be used in natural gas liquefaction.
  • one, two, or even three mixed refrigerant circuits can be employed (Single Mixed Refrigerant, SMR; Dual Mixed Refrigerant, DMR; Mixed Fluid Cascade, MFC).
  • SMR Single Mixed Refrigerant
  • DMR Dual Mixed Refrigerant
  • MFC Mixed Fluid Cascade
  • C3MR propane pre-cooling
  • pure refrigerant see below
  • Natural gas and corresponding other gas mixtures can, in particular, contain more than 70, preferably more than 90 mol percent methane and, in the remaining fraction, (among other things) non-hydrocarbon gases such as nitrogen and sour gases. Higher hydrocarbons, especially ethane, may also be present. Higher hydrocarbons such as ethane, propane, butane, etc., are preferably present at a concentration of less than 10 mol percent. For example, such higher hydrocarbons can be removed upstream of the actual liquefaction process.
  • a [missing text] for liquefaction The natural gas or other gas mixture used is preferably essentially free of water and/or carbon dioxide.
  • Natural gas liquefaction processes are energy-intensive. Depending on the technology chosen, between 5 and 15% of the energy contained in the feed gas is consumed internally to generate the required cooling. Increased process efficiency often leads to additional investments, as more technically sophisticated systems must be used.
  • Simple systems involve recovering the waste heat in the form of process heat, e.g., in a hot oil system that transfers the heat from the turbine exhaust gas to reboilers of regeneration columns in amine scrubbers, regeneration gas heaters for dryers, or any other heat users at a suitable temperature level.
  • More complex waste heat recovery systems include a closed steam cycle.
  • the steam generated by the waste heat can be expanded in a steam turbine to perform work.
  • a suitable steam turbine can drive any type of refrigeration compressor, including, for example, those in pre-cooling circuits using propane, carbon dioxide, or ammonia as refrigerants. It is also possible to support a gas turbine for the main compressor. So-called waste heat recovery systems are also known, such as those used, for example, in... US 2017/131027 are described.
  • the present invention proposes a method with the features of the independent claim.
  • Embodiments of the present invention are the subject of the dependent claims and the following description.
  • a method for liquefying a gas wherein the gas is subjected to heat exchange with a refrigerant, and at least a portion of the refrigerant, after heat exchange with the gas (during which the refrigerant can, in particular, be at least partially evaporated), is subjected to compression using a heat-generating drive and to partial or complete liquefaction.
  • a refrigerant cycle is employed, comprising the known steps of heating and evaporation (against the fluid to be cooled, here the gas to be liquefied), recompression (using the heat-generating drive), and (partial) condensation within the cycle.
  • heat exchange of the refrigerant "with the gas” can occur as an indirect heat exchange between the gas and the refrigerant without an intervening refrigerant, i.e., via a shared heat exchange surface of a heat exchanger, or via an additional refrigerant. Heat exchange "with the gas” also occurs when heat is extracted from the gas via another refrigerant and this additional refrigerant is pre-cooled with the refrigerant under consideration here.
  • heat exchange is used here synonymously with the more scientifically accurate term “heat transfer,” and the term “heat exchanger” is used synonymously with “heat transfer unit.”
  • the heating and evaporation, the recompression and the (partial) liquefaction can take place in the form of any (pressure or temperature) stages or in the form of several partial flows running parallel to each other. wherein corresponding partial flows can be combined at any point or formed from an initial flow.
  • the present invention relates in particular to closed refrigerant circuits, such as those known from the prior art mentioned above for the liquefaction of natural gas.
  • a first portion of the refrigerant is subjected to heat exchange with the gas in the sense just explained, whereas a second portion of the refrigerant is successively subjected to pressurization, heating (in particular superheating) using the waste heat from the drive, and expansion to perform work. It is then returned to the refrigerant circuit at any desired point and combined with the first portion; specific positions are explained below.
  • the second portion of the refrigerant is returned to the refrigerant circuit and, in particular, combined with the first portion of the refrigerant, which was previously subjected to heat exchange with the gas and also evaporated.
  • a partial circuit is thus created.
  • the present invention relates to a gas liquefaction process in which at least one compressor is used in a refrigerant circuit used for providing refrigeration.
  • a compressor drive generates waste heat.
  • a gas turbine is used as the drive, so that the waste heat is provided, in particular, by the turbine exhaust gas taken from an expansion stage of the gas turbine.
  • a work-performing expansion of a partial flow of the refrigerant, the aforementioned "second portion,” is carried out. Prior to the work-performing expansion, this portion is both further pressurized and heated so that the refrigerant is capable of absorbing the waste heat contained in the turbine exhaust gas of the gas turbine or another waste heat transfer medium.
  • the heated, in particular superheated, refrigerant obtained by utilizing the waste heat is used as an energy source by the work-performing expansion, so that the waste heat can be converted into another form of energy in this way.
  • the work performed during the work-performing expansion can be explained as follows. can be used.
  • the work-generating relaxation can also take place in two or more stages, with or without intermediate overheating, using the waste heat.
  • the work performed during expansion is used for the compression of the same or a different refrigerant.
  • certain compressors are driven by means of the work performed during expansion, it is not excluded that other compressors can also be driven in this way.
  • the compressors in the refrigerant circuit that compress to the highest pressure (designated C2 in the figures) are coupled with corresponding expansion machines.
  • any other compressors or compressor stages that are configured for compression to a lower pressure (designated C1, C1A, or C1B in the figures) can also be driven by means of expansion.
  • the work performed during relaxation can, in various embodiments of the present invention, also be used at least partially to drive an electric generator.
  • the aforementioned SMR cycles are frequently used because they require a limited number of components and offer a reasonable thermodynamic efficiency.
  • the investment costs for a steam system to utilize turbine waste heat are not necessarily economical for plants of this size if the potential energy savings do not offset the additional costs.
  • the present invention is particularly applicable in such cases and provides an alternative and advantageous method for waste heat utilization.
  • the efficiency of an SMR process can be increased by at least 10 to 15 percentage points can be improved by relieving the load on the gas turbine used to drive the refrigerant compressor.
  • the present invention can also be advantageously used for large-scale natural gas liquefaction, for example in plants with a capacity of approximately 2 to 10 megatons per year.
  • more than one refrigerant compressor is typically required to achieve the aforementioned capacity.
  • the optimal speed of the various refrigerant compressors is not necessarily similar or identical, so gearboxes may need to be used between the individual compressors if they are to be driven by a common gas turbine.
  • gearboxes may need to be used between the individual compressors if they are to be driven by a common gas turbine.
  • an imbalance in the required shaft power for each compressor can occur.
  • the present invention can be advantageously used by employing the work performed during expansion to supplement the drive and thus compensate for imbalances in speed or power.
  • a mixture refrigerant can be used as the refrigerant in one or more mixture refrigerant circuits.
  • the refrigerant mixture typically consists of light hydrocarbons with one to five carbon atoms and a maximum of 20 mol percent nitrogen.
  • the invention can be used in the aforementioned SMR, but also in DMR, MFC, or C3MR refrigeration circuits, as well as other refrigeration circuits in which a pure refrigerant is used in addition to a mixture refrigerant, as are generally known from the prior art cited above.
  • a “pure refrigerant” is understood here to be a refrigerant that has at least 95 mol percent, and in particular at least 99 mol percent, of a single hydrocarbon, especially ethane, ethylene, propane, or propylene, or another compound with a suitable vapor pressure curve such as ammonia or carbon dioxide, or consists essentially of such a compound.
  • a suitable vapor pressure curve such as ammonia or carbon dioxide
  • the explanations should always be understood as referring more generally to a pure substance refrigerant.
  • the reference to a specific pure substance serves only for illustration.
  • a corresponding pure substance refrigerant could be, in particular, one that is produced in the manner described. is treated, i.e., from which the first and second parts are formed in the form of corresponding substreams.
  • natural gas or a gas mixture formed using natural gas can be used as the gas to be liquefied and/or a gas turbine can be used as the drive generating waste heat.
  • the compression of the refrigerant comprises, in particular, a first compression step to a first pressure level and a second compression step to a second pressure level, which is particularly higher than the first pressure level, wherein the drive is used in the first compression step and the work performed during the expansion is used in the second compression step.
  • the first compression step can be carried out using one or more first compressors or one or more first compressor stages, which are at least partially driven by the
  • the second compression step can be carried out using one or more second compressors or compressor stages, which are driven at least partially by the work performed during the work-generating expansion.
  • the second compression step is driven, in particular, without using the heat-generating drive, but advantageously only by using the work performed during the work-generating expansion. In this way, both compression steps can be carried out by independently operable machines, and no mechanical couplings are required.
  • the work performed during the work-generating expansion can also be used accordingly at any other point.
  • the refrigerant can be subjected at least partially to the first compression step and subsequently, to obtain a first liquid fraction and a first gas fraction, to at least partial first liquefaction.
  • the first gas fraction is then subjected at least partially to the second compression step and subsequently, to obtain a second liquid fraction and a second gas fraction, to at least partial second liquefaction.
  • the entire refrigerant can be subjected to the first compression step, in particular, after it has been evaporated in heat exchange with the gas to be liquefied. The process can thus be used simply and without significant additional effort in conjunction with known gas liquefaction processes that include corresponding steps. Reference is made to the prior art cited.
  • the first compression step is carried out, in particular, using a single compressor, which may be multi-stage but does not compress the refrigerant to different pressures.
  • This compressor is consistently designated with the reference numeral C1 in the relevant figures.
  • the second compression step is carried out, in particular, using a compressor that is independent of the first compression step. carried out by the operated compressor, which is consistently designated with the reference symbol C2 in the figures.
  • the second portion of the refrigerant after its expansion to perform work, can be at least partially combined with the refrigerant compressed in the first compression step before the latter is cooled for the first partial condensation. In this way, the second portion of the refrigerant can be returned to the refrigerant cycle and subjected to the necessary compression and condensation steps again.
  • the second portion of the refrigerant used according to the invention can, in the first embodiment, be in a liquid state for subsequent expansion from a pressure level of 10 to 40 bar to a pressure level of 60 to 120 bar.
  • Heating by means of waste heat raises the temperature from a temperature level of 10 to 50 °C to a temperature level of 200 to 400 °C.
  • turbine exhaust gas from a gas turbine used as a drive or another material stream can be present at 400 to 600 °C.
  • the work-providing expansion takes place, in particular, from the aforementioned pressure level or a higher pressure level to a pressure level of 10 to 40 bar, thereby reducing the temperature, in particular, by about 30 to 100 °C.
  • the first compression step can, in particular, take place to a pressure level of 10 to 40 bar and the second compression step to a pressure level of 30 to 70 bar.
  • the subsequent partial condensation steps are carried out, in particular, at a temperature level of 10 to 50 °C.
  • the second fraction of the refrigerant, which is ultimately supplied for the work-providing expansion comprises, in particular, 40 to 80% of the first liquid fraction.
  • the second fraction of the refrigerant can be partially or completely subjected to an indirect heat exchange with the second fraction of the refrigerant or a part thereof (i.e., at least partially "with itself") before its work-performing expansion, which has already been subjected to work-performing expansion before the latter is combined with the first gas fraction.
  • the second fraction of the refrigerant is only partially subjected to the aforementioned heat exchange with itself, this occurs in the form of a first partial flow of the second fraction, whereas a second partial flow of the second fraction is not subjected to this heat exchange with itself.
  • the first and second partial flows can be heated separately, and in particular at different temperature levels, using waste heat, and then recombined before expansion to perform work.
  • the first partial flow of the second fraction can be heated at a higher temperature level in a first waste heat exchanger with turbine exhaust gas, whereby the already partially cooled exhaust gas from the gas turbine is fed to a second waste heat exchanger, in which the second partial flow can be heated at a lower temperature level. In this way, advantageous preheating for subsequent further heating or cooling for subsequent addition to the first gas fraction after its compression can be achieved.
  • a heat exchanger with several sections or several heat exchangers can be used, in which the first portion of the refrigerant and the second gas fraction or parts thereof can be further cooled to different temperature levels and, after expansion, reheated.
  • the heat exchanger or heat exchangers can be designed, in particular, as wound tube bundle heat exchangers or as brazed plate heat exchangers, or comprise several such heat exchangers, even of different types.
  • the first part of the refrigerant and the second gas fraction, or parts thereof can be introduced at an inlet temperature level of, for example, 10 to 50 °C into the coiled
  • the refrigerant is fed into a heat exchanger and cooled by separate heat exchanger tubes.
  • the first fraction of the refrigerant can be extracted from the heat exchanger at a first intermediate temperature level below the inlet temperature level (e.g., -20 to -60 °C), expanded, and returned to the heat exchanger via the jacket.
  • the second gas fraction can also be extracted from the heat exchanger at the first intermediate temperature level, where it is in a partially condensed form.
  • the liquid and gas phases are separately returned to the heat exchanger at the first intermediate temperature level and further cooled by separate heat exchanger tubes.
  • the liquid phase is extracted at a second intermediate temperature level below the first (e.g., -70 to -100 °C), expanded, and returned to the heat exchanger via the jacket.
  • the gas phase is extracted at a third intermediate temperature level below the second (e.g., -120 to -160 °C), expanded, and also returned to the heat exchanger via the jacket.
  • the fluids combined in this way on the jacket side are then fed back to the compression process.
  • the first fraction of the refrigerant and the second gas fraction, or portions thereof can be fed together into the heat exchanger at an inlet temperature within the aforementioned range and cooled in shared passages.
  • the refrigerant, cooled further to a temperature of, for example, -130 to -170°C is returned through separate passages and, after being warmed to a temperature similar to the inlet temperature, is fed back to the compression stage.
  • the first compression step can in particular be designed differently and carried out using two compressor stages, namely a first compressor stage and a second compressor stage, which, however, are jointly operated by The drive is powered by the waste heat-generating drive.
  • the first compressor stage which can also be structurally designed as several compressor stages of a single compressor, is consistently designated with the reference numeral C1A in the figures, and the correspondingly designed second compressor stage with the reference numeral C1B.
  • the second embodiment relates in particular to a DMR process. In this process, two or three heat exchangers or heat exchanger sections are advantageously used, each of which can be designed as a wound heat exchanger or corresponding sections of a wound heat exchanger.
  • the following text refers to two or three "heat exchangers," which also includes corresponding sections of a common heat exchanger.
  • these are a first, a second, and a third heat exchanger in the direction of decreasing temperature of the gas to be liquefied.
  • the first and second heat exchangers use the same refrigerant at different evaporation pressures and can therefore, particularly in cost-effective systems, be combined, or the first heat exchanger can be omitted in such systems.
  • the invention also relates to such processes, even though no specific reference is made to them below, and the invention is described using methods and systems with three heat exchangers.
  • the first portion is initially passed through the first heat exchanger via the pipe side and cooled there to a temperature level of, for example, 0 to -20 °C.
  • a partial flow The refrigerant can be expanded downstream of the first heat exchanger and fed into the first heat exchanger via its jacket. This partial flow represents, in particular, all of the refrigerant that has evaporated in the first heat exchanger. In the aforementioned configurations with only two heat exchangers, the measures described for the first heat exchanger are omitted.
  • the remaining, non-expanded portion of the first refrigerant can be used to form another partial flow, which is used in a separate heat exchanger to cool the fluid compressed in the second compressor stage of the first compression step and can then be fed back into the first compressor stage of the first compression step.
  • Any remaining portion of the first flow is first routed through the second heat exchanger via the pipe side and cooled there to a temperature level of, for example, -30 to -70 °C. This remaining portion can then be expanded downstream of the second heat exchanger and fed into the second heat exchanger via its jacket. This remaining portion represents, in particular, all of the refrigerant that has evaporated in the second heat exchanger.
  • the second portion of the refrigerant can be treated essentially in the manner described for the first embodiment and, in particular, fed to the refrigerant compressed in the first compressor stage of the first compression step before it is cooled and condensed. It is thus circulated.
  • the refrigerant compressed in the second compressor stage of the first compression step can, in particular, be fed to the second compression step and compressed there, essentially as described for the first embodiment. Specifically, it is compressed to a pressure level of 70 to 110 bar.
  • the correspondingly compressed refrigerant is cooled and initially passed through the first to third heat exchangers on the pipe side for further cooling. Downstream of this, this portion of the refrigerant is expanded and fed into the third heat exchanger on the jacket side.
  • This portion of the refrigerant represents, in particular, all the refrigerant that evaporates in the third heat exchanger.
  • a further preferred embodiment of the present invention hereinafter also referred to as the "third embodiment", comprises that the first compression step is carried out using two compressors, which are now advantageously driven by two separate drives that provide waste heat. These are largely comparable to the corresponding Compressor stages in the second embodiment are operated and therefore bear the corresponding designations.
  • the third embodiment also relates to a DMR process. As in the second embodiment, two or three heat exchangers or heat exchanger sections are advantageously used, so the above explanations continue to apply.
  • the remaining portion of the refrigerant downstream of the first heat exchanger, which is not expanded, is optionally not used to form a further partial flow that serves to cool the fluid compressed in the second compressor of the first compression stage.
  • the second portion of the refrigerant, which is ultimately expanded to perform work, is heated by the waste heat from both drives.
  • the work performed during the work-providing expansion is used in addition to the drive during the compression of the same refrigerant that is also being expanded and from which the first and second components are formed, even though this refrigerant is used in different circuits within the DMR circuits.
  • other embodiments of the invention offer advantages if the work performed during the work-providing expansion is used during the compression of a further refrigerant, i.e., not the same refrigerant that is being expanded and from which the first and second components are formed.
  • the work-providing refrigerant expanded and used to form the first and second components is referred to as the "first" refrigerant, and the further refrigerant as the "second" refrigerant.
  • the first three configurations are part of the previously mentioned first group of configurations in which only mixed refrigerants are used. These are SMR and DMR circuits, including those in which a mixed refrigerant is used for pre-cooling.
  • a second group of configurations which will now be explained, comprises configurations in which a pure refrigerant is additionally used in a pre-cooling circuit. These include, among others, C3MR circuits.
  • the compression of the pure refrigerant which here is a "first" refrigerant in the sense just explained, is carried out.
  • the pre-cooling cycle is carried out in a first compressor or first compressor stage, and the compression of the refrigerant mixture in the refrigerant mixture cycle, which in this sense represents the "second" refrigerant, takes place using a second compressor or second compressor stage and a third compressor or third compressor stage as described below.
  • the work performed during expansion is used to drive the third compressor or third compressor stage.
  • compressors will be used below, which also includes compressor stages.
  • the first and second compressors (C1A and C1B in the figures) are driven by two separate drives, wherein only the drive of the second compressor is a drive such as a gas turbine that generates waste heat (at least to a significant and usable extent).
  • the drive of the first compressor can, for example, be electrical, generating considerably less (and unusable) waste heat.
  • the fourth embodiment uses a brazed plate heat exchanger and a wound tube bundle heat exchanger to cool the gas to be liquefied.
  • two separate refrigerant circuits are implemented: a pure refrigerant circuit for pre-cooling and a refrigerant circuit with a mixture of refrigerants.
  • the pure refrigerant circuit as already mentioned, comprises the first compressor, while the mixture refrigerant circuit comprises the second and third compressors.
  • the pure refrigerant of the pure refrigerant cycle is fed to the first compressor in several partial flows, which are heated against the mixed refrigerant from the second compression step, thus pre-cooling the mixed refrigerant. There, it is compressed. After subsequent cooling and condensation, the first and second components of the refrigerant are formed. In contrast to the previously described configurations, the first and second components are thus formed from the pure refrigerant, the "first" refrigerant, and not from the mixed refrigerant, the "second” refrigerant.
  • the first component is initially cooled, then expanded, and compressed against the mixed refrigerant.
  • the first portion is heated and fed back to the first compressor.
  • the second portion is treated as previously mentioned and heated by the waste heat from the drive of the second compressor.
  • the refrigerant mixture After pre-cooling with the pure refrigerant from the pure refrigerant cycle, specifically to a temperature of -20 to -40 °C, the refrigerant mixture is further cooled on the tube side of the wound heat exchanger, specifically to a temperature of -120 to -160 °C. Downstream of this, it is expanded and fed to the jacket side of the wound heat exchanger. After being drawn from the wound heat exchanger and appropriately warmed, it undergoes further heating in the brazed plate heat exchanger and is then compressed in the second and third compressors.
  • One variant of the fourth embodiment just described which is referred to as the "fifth embodiment", involves the first and second compressors being driven by a common drive that produces waste heat.
  • work performed during expansion can be used in the compression of another refrigerant, with which the gas is subjected to cooling in an indirect heat exchange.
  • This can be the case, for example, when using a pure substance or C3MR refrigerant circuit, or in variants of the first group of configurations.
  • a mixture refrigerant is used as the first refrigerant and nitrogen as the second refrigerant.
  • the first and second components are components of a first refrigerant, namely the mixture refrigerant, and the work performed during expansion is used in the compression of a second refrigerant, namely the nitrogen.
  • the refrigerant mixture can be subjected at least partially to a first compression step and subsequently, while obtaining a first liquid fraction and a first gas fraction, at least partially to a first partial liquefaction.
  • the first gas fraction can at least partially be subjected to the second
  • the mixture undergoes a compression step and is then subjected, at least partially, to a second partial liquefaction, resulting in a second liquid fraction and a second gas fraction. Further processing can also be identical.
  • the nitrogen is generally subjected to expansion and compression, with the compression of the nitrogen utilizing the work performed during the work-generating expansion of the second part of the refrigerant mixture.
  • the expansion of the nitrogen can also be work-generating, in which case the work performed during the work-generating expansion of the nitrogen can also be used for the compression of the nitrogen.
  • the compressed nitrogen is successively cooled, subjected to a first indirect heat exchange (and thereby cooled), expanded, subjected to a second indirect heat exchange (and thereby heated), then subjected to the first indirect heat exchange (and thereby heated), and finally returned to compression.
  • a second indirect heat exchange the gas undergoing partial or complete liquefaction is supercooled.
  • a further embodiment of the present invention differs from the sixth embodiment in that the compression of the nitrogen is carried out in two stages, in a first and then a second compression step, wherein the first compression step is carried out using the work performed during the work-performing expansion of the nitrogen and the second compression step is carried out using the work performed during the work-performing expansion of the second part of the refrigerant mixture.
  • the invention also extends to a system for liquefying a gas, wherein the system comprises means configured to subject the gas to cooling in indirect heat exchange with a refrigerant and to subject at least a portion of the refrigerant, after the heat exchange with the gas, to compression using a waste heat-generating drive and subsequently to partial or complete liquefaction.
  • the system comprises means configured to, after partial or To subject a first portion of the refrigerant to heat exchange with the gas for complete liquefaction, and to subject a second portion of the refrigerant successively to pressurization, heating using the waste heat of the drive and a work-performing expansion, and then to partial or complete liquefaction again.
  • FIG. 1 A method according to an embodiment of the invention is illustrated by means of a schematic process flow diagram.
  • the process serves to liquefy a gas, which is fed into the process in gaseous form as mass stream 1 and provided in liquefied form as mass stream 2.
  • a highly simplified heat exchanger or low-temperature section 10 is used for liquefaction.
  • the heat exchanger section 10 is shown in a highly simplified form to illustrate its general applicability.
  • Refrigerant is discharged from heat exchanger section 10 in the form of a heated ("warm") refrigerant stream W. Any remaining condensate is separated in a separator D1.
  • the refrigerant stream W is then compressed in a first compression stage using a compressor C1, which is driven by a gas turbine GT1.
  • a compressor C1 In the gas turbine GT1, air from an air stream A is compressed in a compressor stage (not specifically shown) and combusted with fuel F in a combustion chamber (not shown).
  • the hot gas is expanded in an expansion stage (also not specifically shown) and passed through a heat exchanger E4 for heat recovery.
  • An auxiliary combustion process using additional fuel AF may also be used.
  • the refrigerant compressed in compressor C1 is cooled in a heat exchanger E1, partially condensing in the process, and subjected to phase separation in a separator D2.
  • the gas and liquid phases are fed to heat exchanger section 10 in the form of separate streams.
  • a portion of the liquid phase, designated as the "first portion" of the refrigerant (as previously specified) is fed to heat exchanger section 10, while another portion, designated as the "second portion,” is pressurized by a pump P1 and fed into a separate stream.
  • the refrigerant is heated in heat exchanger E3 and then in heat exchanger E4, then expanded in an expansion machine X1 while performing work, passed through heat exchanger E3, and subsequently combined with the refrigerant compressed in compressor C1 before its cooling.
  • the expansion machine X1 is coupled to a compressor C2 via a gearbox G.
  • a mixed refrigerant in the form of a heated refrigerant stream W1 from the heat exchanger section 10 can be supplied to the compressor C2, thus enabling the utilization of waste heat from the gas turbine GT1.
  • Figure 1 In addition to the refrigerant of refrigerant stream W, the refrigerant stream W1 uses a further mixture refrigerant, thus relating to a DMR cycle. The use of such a further mixture refrigerant is also possible in all embodiments of the invention described below, even if only one mixture refrigerant cycle, possibly with sub-cycles, is illustrated therein.
  • FIG. 2 A method according to a further embodiment of the invention is illustrated by means of a schematic process flow diagram.
  • Figure 2 The heat exchanger section 10 is illustrated in more detail. This section comprises, in particular, a wound heat exchanger 11 and a separator 12, the function of which is explained below.
  • the refrigerant flow W1 according to Figure 1 or a comparable material flow is not provided here, so that in the specific configuration it is an SMR cycle.
  • the refrigerant flow W is compressed here in a first compression step using a compressor C1 and in a second compression step using a compressor C2, wherein the first compressor C1 is driven by the gas turbine GT1 and the second compressor C2 is driven by the work done during the expansion in the expansion machine X1.
  • the material stream W is compressed downstream of the separator D1 in the compressor C1 and then, after cooling in a heat exchanger E1, is subjected to partial liquefaction in a separator D2, yielding a first liquid fraction and a first gas fraction.
  • the first gas fraction not specifically designated, consists of The liquid fraction from separator D2 is compressed in the second compressor C2 and then, after cooling in a heat exchanger E2, is subjected to partial liquefaction in a separator D3, obtaining a second liquid fraction and a second gas fraction.
  • the first liquid fraction from separator D2 is partially treated as mass flow R, as previously explained.
  • the remainder, along with the second gas fraction from separator D2, is fed to the coiled heat exchanger 11 as an unspecified mass flow.
  • These refrigerant flows are routed through separate heat exchanger tubes and cooled.
  • the first liquid fraction from separator D2 which is not used in the form of the mass flow R, is extracted from heat exchanger 11 at a first intermediate temperature level below the corresponding inlet temperature level, expanded, and fed back into heat exchanger 11 on the jacket side.
  • the second gas fraction can also be extracted from the heat exchanger at the first intermediate temperature level, expanded, and partially liquefied in the process, but phase separation into a liquid phase and a gas phase takes place outside of heat exchanger 11 in separator 12.
  • the liquid phase and the gas phase formed in the separator 12 are separately fed back to the heat exchanger 11 at the first intermediate temperature level and further cooled by separate heat exchanger tubes.
  • the liquid phase is extracted at a second intermediate temperature level below the first, expanded, and fed back to the heat exchanger 11 via the shell.
  • the gas phase is extracted at a third intermediate temperature level below the second, expanded, and also fed back to the heat exchanger 11 via the shell.
  • the fluids thus combined on the shell side are fed back to the compression stage in the form of mass flow W.
  • the liquid stream R after its expansion, is combined with the refrigerant that was compressed in compressor C1 before being cooled for the first partial condensation.
  • the second liquid fraction from separator D3 is expanded via valve V1 and returned to separator D2.
  • FIG 3 is illustrated a further embodiment of the invention which differs from the embodiment according to Figure 2 in particular, it differs in that a brazed plate heat exchanger 13 is provided instead of the wound tube bundle heat exchanger 11.
  • the portion of the first liquid fraction from separator D2 not used in the form of the mass flow R and the second gas fraction from separator D3 can be fed together to heat exchanger 13 and cooled in common passages.
  • a pump 14 transfers the portion of the first liquid fraction used in this way to the pressure of the second gas fraction, so that both fractions can be fed together to heat exchanger 13.
  • pressure can be reduced via a valve 15, and the refrigerant, cooled further in this way, can be returned through separate passages and, after appropriate reheating, fed back into separator D1.
  • Figure 1 illustrates a further embodiment of the invention, in which, in particular, the first compression step previously carried out in compressor C1 is configured differently and is performed using two compressor stages (a first compressor stage C1A and a second compressor stage C1B). These are driven together by the gas turbine GT1.
  • heat exchangers 16, 17, 18 are used, each designed as a wound heat exchanger. In the terminology used here, these are referred to as a first heat exchanger 16, a second heat exchanger 17, and a third heat exchanger 18, in the direction of decreasing temperature of the gas 1 to be liquefied.
  • the first heat exchanger 16 can be omitted if necessary, as explained in detail above.
  • Evaporated refrigerant streams from the first and second heat exchangers 16, 17 are supplied to the first compressor stage C1A and compressed there.
  • An evaporated refrigerant stream from the third heat exchanger 18 is supplied to the second compressor stage C1B and compressed there.
  • Post-cooling takes place downstream of each compressor stage.
  • the previously mentioned first and second components of the refrigerant are taken from the fluid compressed in the first compressor stage C1A. which may also include other refrigerant in addition to the one mentioned above, and which is taken from the separator, also designated here as D2.
  • the first portion is initially passed through the first heat exchanger 16 via the pipe side and cooled there.
  • a partial flow can be expanded downstream of the first heat exchanger 16 and fed into the first heat exchanger 16 via the jacket side.
  • the remaining, non-expanded portion of the first refrigerant can be used to form another partial flow, which is used in a separate heat exchanger E5 to cool the fluid compressed in the second compressor stage C1B of the first compression stage and can then be fed to the first compressor stage C1A of the first compression stage.
  • Any remaining portion of the first flow is initially passed through the second heat exchanger 17 via the pipe side and cooled there. This remaining portion can then be expanded downstream of the second heat exchanger 17 and fed into the second heat exchanger 17 via the jacket side.
  • the second portion of the refrigerant can essentially be treated as previously explained in the form of the mass flow R and, in particular, fed to the refrigerant compressed in the first compressor stage C1A of the first compression step before it is further cooled and condensed. It is thus circulated.
  • the refrigerant compressed in the second compressor stage C1B of the first compression step can be fed to the second compression step with compressor C2 and compressed there in principle as described for the first embodiment.
  • the compressed refrigerant is cooled in a further heat exchanger E6 and initially passed through the first to third heat exchangers 16, 17, 18 for further cooling. Downstream of the third heat exchanger, this portion of the refrigerant is expanded and fed into the jacket side of the third heat exchanger 18.
  • FIG. 5 A further preferred embodiment of the present invention is described in Figure 5 This illustrates that the first compaction step is carried out using two compactors, which for better comparability are still designated C1A and C1B, but now by two
  • the system is driven by separate, waste heat-generating drives (gas turbines) GT1A and GT1B.
  • the previously single heat exchangers E3 and E4 are now duplicated as heat exchangers E3A, E3B and E4A, E4B.
  • the second portion of the refrigerant which is ultimately expanded in the form of the mass flow R, is preheated by the waste heat from both drives GT1A and GT1B.
  • FIG. 6 A further embodiment of the present invention is described in Figure 6 illustrated and implemented in the form of a mixed cycle (e.g. C3MR) process pre-cooled with a pure substance refrigerant.
  • a mixed cycle e.g. C3MR
  • the compression of a pure refrigerant (illustrated here as propane C3H8) in a precooling circuit is performed in a first compressor C1A, while the compression of a mixed refrigerant in a mixed refrigerant circuit is carried out using a second compressor C1B and a third compressor C2.
  • the work performed during expansion is used to drive the third compressor C2.
  • the first and second compressors C1A and C1B are driven by two separate drives, but only the drive for the second compressor C1B is a heat-generating drive (at least to a significant and usable extent), such as a gas turbine GT1.
  • the drive for the first compressor C1A can, for example, be achieved by a motor M, generating considerably less (and unusable) waste heat.
  • a brazed plate heat exchanger 19 is used in addition to a wound heat exchanger 11 to cool the gas 1 to be liquefied.
  • the refrigerant from the pure substance cycle is fed to the first compressor C1A in several partial flows, which are heated and evaporated, particularly against the mixed refrigerant from the second compression step, thus pre-cooling the mixed refrigerant. There, it is compressed. After subsequent cooling and condensation, the first and second components of the refrigerant are formed. The first component is initially subcooled, then heated and evaporated against the mixed refrigerant from the second compressor, and fed back to the first compressor C1A.
  • the second The fraction R is treated as mentioned previously and is heated using the waste heat from the drive of the second compressor.
  • the mixed refrigerant After pre-cooling with the refrigerant from the pure refrigerant circuit, the mixed refrigerant is further cooled on the tube side of the wound heat exchanger 11. Downstream of this, it is expanded and fed to the jacket side of the wound heat exchanger 11. After being drawn from the wound heat exchanger 11 and heated accordingly, it undergoes further heating in the brazed plate heat exchanger 19, followed by compression in the second and third compressors C1B and C2.
  • Figure 7 This illustrates that the first and second compressors C1A, C1B are driven by a common, waste heat-producing drive GT1.
  • FIG. 7A Yet another variant of the in Figure 7 illustrated design, which can easily also be considered a variant of, for example, the one in Figure 6
  • the invention can be realized in the illustrated embodiment or in another embodiment of the invention, is in Figure 7A
  • a partial flow R' of the refrigerant flow R is not routed through heat exchanger E3, but through a heat exchanger E4', which is located downstream of heat exchanger E4 in the turbine exhaust stream of gas turbine GT1.
  • the pre-cooling of the refrigerant can also be configured differently and, in particular, may include fewer heat exchanger stages than previously shown.
  • work performed during expansion can be used in the compression of another refrigerant with which the gas is subjected to cooling in an indirect heat exchange.
  • This can be the case, for example, when using a mixed refrigerant circuit pre-cooled with a pure refrigerant, or in further embodiments of the invention, which are described in the Figures 8 and 9 These are illustrated.
  • further brazed plate heat exchangers 19A and 19B are used, which are operated using a nitrogen circuit.
  • the nitrogen of the nitrogen cycle is designed according to Figure 8
  • the nitrogen is subjected to expansion in an expansion machine X2 and compression in a compressor C3, wherein the compression of the nitrogen is carried out using the work performed during the work-generating expansion of the second part of the refrigerant mixture in the expansion machine X1.
  • the expansion of the nitrogen is carried out work-generating in an expansion machine X2, wherein work performed during the work-generating expansion of the nitrogen is also used in the compression of the nitrogen.
  • the expansion machines X1 and X2 and the compressor C3 are mechanically coupled.
  • the compressed nitrogen is successively cooled, subjected to a first indirect heat exchange in heat exchanger 19B (and thereby cooled), subjected to expansion, subjected to a second indirect heat exchange in heat exchanger 19A (and thereby heated), then again subjected to the first indirect heat exchange in heat exchanger 19B (and thereby heated), and finally returned to compression.
  • the gas which was previously subjected to partial or complete liquefaction, is subcooled.
  • a heat exchanger E7 is provided for post-cooling the nitrogen in the nitrogen circuit downstream of compressor C3.
  • the nitrogen is compressed in two stages: a first compression step followed by a second compression step in compressors C3 and C4.
  • the first compression step utilizes the work performed during the expansion of the nitrogen in an expansion machine X1
  • the second compression step utilizes the work performed during the expansion of the second portion of the refrigerant mixture in an expansion machine X2.
  • expansion machine X1 and compressor C4 are coupled, while expansion machine X2 and compressor C3 are coupled.
  • the present invention presents a method for capturing or recovering waste heat generated in a gas liquefaction process, comprising liquefying a gas by a heat exchange process using a refrigerant fluid, compressing the spent refrigerant fluid from the liquefaction process by a method that generates excess heat, liquefying at least a portion of the compressed refrigerant fluid, pumping a portion of the liquefied compressed refrigerant fluid to a higher pressure, heating the portion of the liquefied compressed refrigerant fluid at the higher pressure by absorbing the excess heat generated by the compression of the spent refrigerant fluid, thereby superheating the portion of the compressed refrigerant fluid at the higher pressure, and using the superheated compressed refrigerant fluid in a work-performing expansion.
  • One embodiment of the present invention applies to a natural gas liquefaction process with at least one compressor used in the refrigerant circuit for the cryogenic process of natural gas liquefaction.
  • the present invention uses a compressor in the refrigerant circuit, wherein the compressor is driven by a gas turbine or a similar energy source which generates waste heat in the process of generating power to operate the compressor.
  • the present invention uses a working expander, wherein the fluid circuit for the working expander is used to absorb the waste heat from the gas turbine or similar power source that drives the compressor in the refrigerant circuit. According to the invention, the fluid circuit for the working expander is both pressurized and heated.
  • the fluid used in the fluid circuit for the working expander is also used for the refrigerant circuit.
  • a second compressor is additionally used in the refrigerant circuit, the second compressor being driven by the working expander.
  • the refrigerant fluid which is used in the cryogenic process for the liquefaction of natural gas, is also used to absorb waste heat generated to drive the first compressor, in order to provide power to drive the working expander, which in turn drives the second compressor to further compress the refrigerant fluid.
  • this embodiment of the present invention offers advantages over other systems for capturing waste heat energy.
  • the present invention requires neither the introduction of additional working fluids, such as water, nor the addition of other liquids (e.g., steam, ammonia, propane, etc.) in closed circuits.
  • a prior art natural gas liquefaction process using a single mixed refrigerant (SMR) with a two-stage SMR compression process, two compressors, C1 and C2, can be driven by a single gas turbine, GT1.
  • a cryogenic portion of the process liquefies the natural gas through a heat exchange process with a mixed refrigerant.
  • the mixed refrigerant is compressed, cooled, and partially liquefied before being recycled in the cryogenic process.
  • Mixed refrigerant discharged by the cryogenic portion can be collected in a vessel, D1, and then fed into the first compressor, C1, and the heat exchanger, E1.
  • the liquid fraction from the first compressor, C1, and heat exchanger, E1 is collected in a storage vessel, D2, with the vapor fraction being removed.
  • the first compressor C1 feeds the second compressor C2 and a heat exchanger E2 into the second stage of the process.
  • the resulting fraction from the second compressor C2 and heat exchanger E2 is combined and collected in a vessel D3.
  • the two fractions collected in vessels D2 and D3 can be fed into the cryogenic section to carry out the liquefaction of natural gas via a heat exchange process.
  • Figure 2 This represents an embodiment of the present invention in a natural gas liquefaction process in which a single mixed refrigerant (SMR) is used with a two-stage SMR compression process.
  • the second compressor C2 is driven by a work expander X1 instead of a gas turbine.
  • the work expander X1 is driven by superheated fluid supplied by a heat exchanger E4.
  • the fluid discharged by the work expander X1 is cooled by an economizer or waste heat exchanger E3 and then combined with the refrigerant generated by the first compressor C1.
  • the combined fluids are then further cooled by a heat exchanger E1 or similar device and collected in a tank D2. A portion of the combined fluids collected in tank D2 is then pumped by P1 to heat exchanger E3.
  • the cooled fluid pumped into waste heat exchanger E3 is heated and then directed to heat exchanger E4.
  • Heat exchanger E4 is in fluid contact with the warm exhaust gas from gas turbine GT1, which drives the first compressor C1.
  • the heat exchanger E4 uses the heat from the exhaust gas of gas turbine GT1 to superheat the heated fluid from waste heat exchanger E3 that is fed into heat exchanger E4.
  • the superheated fluid from heat exchanger E4 is then directed to the working expander X1 to drive the second compressor C2.
  • the cryogenic part can be designed with coiled heat exchangers (CWHEs), brazed plate heat exchangers (PFHEs) or a combination thereof.
  • CWHEs coiled heat exchangers
  • PFHEs brazed plate heat exchangers
  • Figure 3 an illustration of an embodiment of the present invention using a single-mix refrigerant (SMR) configuration using brazed plate heat exchangers (PFHEs) in the cryogenic part.
  • SMR single-mix refrigerant
  • a partial flow of 30 to 90 vol.% from the outgoing liquid reservoir D2 is pumped by pump P1 to at least three times the pressure in the reservoir D2.
  • the high-pressure flow from pump P1 is then heated by a waste heat exchanger E3 and fed to the superheater E4.
  • the superheater E4 recovers waste heat from the exhaust gas stream of the gas turbine GT1 and heats the high-pressure flow from the waste heat exchanger E3 to at least 180 °C, preferably at least 200 °C.
  • the hot gas from the superheater E4 is then fed into the working expander X1 and reduced to a pressure slightly above the operating pressure of the reservoir D2.
  • the pressure of the flow leaving the working expander X1 is high enough to overcome the pressure drop in the heat exchangers E3 and E1, which still encounter the pressure in D2.
  • the current exiting the work expander X1 is then cooled and at least partially condensed by the economizer E3 and the heat exchanger E1, and subsequently returned to the storage tank D2.
  • the shaft power generated by the work expander X1 is used to drive the compressor C2 to compress the refrigerant, which is then fed into the cryogenic part of the process.
  • the pressure ratio of at least three times the suction pressure in the vessel D2, generated by the pump P1 results in a similar, only slightly lower, pressure ratio in the working expander X1, which is a preferred operating range for a working expander.
  • the inlet pressure of the working expander X1 can be maintained below 100 bar, enabling a cost-effective mechanical design.
  • the increased pressure generated by the pump P1 ensures that the working expander X1 receives an inlet pressure significantly above the critical pressure of the fluid, thus preventing two-phase effects within the fluid.
  • the refrigerant is used in the process for two processes: the natural gas liquefaction process in the cryogenic range and the process of recovering waste heat generated by the gas turbine to drive the refrigerant compression process.
  • Further improvements can be made to the present invention to enhance its performance.
  • the performance of the work expander could
  • the expansion rate of X1 can be increased by additional firing of an extra heat source into the flue gas channels of gas turbine GT1.
  • the work-generating expansion performed by the work-generating expander X1 can be divided into successive steps, with or without the need to reheat the working fluid as desired.
  • the shaft power generated by the working expander X1 could be used to drive other processes, such as a power generator, a feed gas compression, a terminal flash gas compression, any type of refrigerant compression, or any other service that requires electricity.
  • the entire cooling system will comprise at least one refrigerant, consisting either of a single component or a mixture of components, wherein, in one embodiment of the invention, the refrigerant can be at least partially condensed at ambient temperature.
  • the permissible refrigerant components could include nitrogen and light paraffinic or olefinic hydrocarbons from C1 to C5 (such as CH4, C2H4, C2H6, C2H6, C3H6, C3H8, iC4H10, nC4H10, nC4H10, iC5H12, nC5H12, nC5H12, etc.).
  • the cooling system may also comprise more than one circuit, wherein the additional circuits are pure refrigerant circuits and/or mixed refrigerant circuits and/or gas expansion circuits.
  • Figure 4 This is an embodiment of the present invention using a dual mixed refrigerant configuration (DMR) with three wound heat exchangers (CWHEs) in the cryogenic zone and a single gas turbine GT1 used for both mixed refrigerant circuits.
  • DMR dual mixed refrigerant configuration
  • CWHEs wound heat exchangers
  • the configuration decouples a high-pressure compressor C2 from the low-pressure compressors C1A and C1B, which are driven by a common shaft driven by the gas turbine GT1.
  • This embodiment of the present invention also eliminates the need for a gearbox that would be required to operate compressor C2 at a higher pressure and a higher operating speed when compressor C2 has a similar capacity to compressors C1A or C1B.
  • Figure 5 is an embodiment of the present invention using a dual refrigerant mixture (DMR) configuration with three coiled heat exchangers (CWHEs) in the cryogenic section, wherein the compressors C1A and C1B are driven by independent gas turbines GT1A and GT1B, and wherein the waste heat from the two gas turbines GT1A and GT1B is used in the heat exchangers E4A and E4B to superheat the liquid fed into the working machines X1.
  • DMR dual refrigerant mixture
  • CWHEs coiled heat exchangers
  • Figure 6 This is an embodiment of the present invention using a C3MR configuration (propane-precooled mixed refrigerant) with a single wound heat exchanger (CWHE) in the cryogenic section.
  • Compressors C1A and C1B are driven by independent power mechanisms, with the waste heat from gas turbine GT1, which drives compressor C1B, being used to superheat the fluid supplied to the working expander X1.
  • the in Figure 8 The illustrated embodiment would use a suitable fluid, such as propane, propylene, or other hydrocarbons, for the pre-cooling process.
  • compressors C1A and C1B can be driven by a common gas turbine GT1.
  • the additional circuits can be pure refrigerant circuits, mixed refrigerant circuits, and/or gas expansion circuits.
  • one or more gas turbines can be operated in parallel or in series.
  • Figures 8 and 9 illustrate, for example, an alternative application of the present invention for a gas liquefaction process using a two-stage cryogenic method.
  • a mixed refrigerant cycle is used for pre-cooling and liquefaction
  • a gas expansion process is used for subcooling the natural gas in separate stages of the cryogenic process.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Gases, insbesondere von Erdgas, gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
    • Stand der Technik
  • Verfahren und Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas sind bekannt und beispielsweise im Artikel "Natural Gas" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlinepublikation 15. Juli 2006, DOI: 10.1002/14356007.a17_073.pub2, insbesondere Abschnitt 3, "Liquefaction", oder bei Wang und Economides, "Advanced Natural Gas Engineering", Gulf Publishing 2010, DOI: 10.1016/C2013-0-15532-8, insbesondere Kapitel 6, "Liquefied Natural Gas (LNG)", beschrieben.
  • Insbesondere können bei der Erdgasverflüssigung Gemischkältemittel aus unterschiedlichen Kohlenwasserstoffbestandteilen und Stickstoff zum Einsatz kommen. Beispielsweise können dabei ein, zwei oder sogar drei Gemischkältemittelkreisläufe eingesetzt werden (engl. Single Mixed Refrigerant, SMR; Dual Mixed Refrigerant, DMR; Mixed Fluid Cascade, MFC). Auch Gemischkältemittelkreisläufe mit Propanvorkühlung (C3MR) oder allgemeiner unter Verwendung eines Reinstoffkältemittels (siehe unten) sind bekannt.
  • Wenngleich die vorliegende Erfindung nachfolgend überwiegend unter Bezugnahme auf die Verflüssigung von Erdgas beschrieben wird, eignen sich die vorgeschlagenen Maßnahmen grundsätzlich auch zur Verflüssigung anderer Gasgemische. Erdgas und entsprechende andere Gasgemische können insbesondere mehr als 70, vorzugsweise mehr als 90 Molprozent Methan und im verbleibenden Rest (unter anderem) Nichtkohlenwasserstoffgase wie Stickstoff und Sauergase aufweisen. Auch höhere Kohlenwasserstoffe, insbesondere Ethan, können enthalten sein. Höhere Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan usw. sind vorzugsweise zu weniger als 10 Molprozent enthalten. Beispielsweise können derartige höhere Kohlenwasserstoffe stromauf der eigentlichen Verflüssigung entfernt werden. Ein zur Verflüssigung eingesetztes Erdgas oder ein anderes Gasgemisch ist vorzugsweise im Wesentlichen frei von Wasser und/oder Kohlendioxid.
  • Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas sind energieintensiv. Je nach gewählter Technologie werden zwischen 5 und 15% der im Speisegas enthaltenen Energie intern verbraucht, um die erforderliche Kälte zu erzeugen. Eine erhöhte Prozesseffizienz führt häufig zu zusätzlichen Investitionen, da technisch anspruchsvollere Systeme eingesetzt werden müssen.
  • Große Kältekreislaufverdichter werden meist von Gasturbinen angetrieben, die nur 30 bis 45% der Energie des Brenngases, d.h. seines Heizwerts, in mechanische Wellenleistung umsetzen. Der Rest, d.h. 55 bis 70% der Energie, geht verloren, wenn die Abwärme des Turbinenabgases nicht genutzt wird.
  • Für die Nutzung der Abwärme von Turbinenabgasen existieren unterschiedliche Konzepte. Einfache Systeme umfassen die Rückgewinnung der Abwärme in Form von Prozesswärme, z.B. in einem Heißölsystem, das die Wärme aus dem Turbinenabgas beispielsweise auf Reboiler von Regenerationskolonnen in Aminwäschen, Regeneriergasheizungen für Trockner oder beliebige andere Wärmenutzer auf entsprechendem Temperaturniveau überträgt.
  • Komplexere Abwärmenutzungssysteme umfassen einen geschlossenen Dampfkreislauf. Der durch die Abwärme erzeugte Dampf kann in einer Dampfturbine arbeitsleistend entspannt werden. Mit einer entsprechenden Dampfturbine können beliebige Kältekreislaufverdichter angetrieben werden, darunter beispielsweise solche von Vorkühlkreisläufen mit z.B. Propan, Kohlendioxid oder Ammoniak als Kältemittel. Auch eine Unterstützung einer Gasturbine für den Hauptverdichter ist möglich. Bekannt sind ferner sog. Waste-Heat-Recovery-Systeme, wie sie bspw. in der US 2017/131027 beschrieben sind.
  • Es besteht insgesamt der Wunsch nach der Erhöhung des Wirkungsgrads in der Erdgasverflüssigung und anderen Gasverflüssigungsverfahren ohne die aufwendige Installation eines Kreislaufs auf Basis eines zusätzlichen Arbeitsfluids wie Dampf.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs vor. Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Gases vorgeschlagen, wobei das Gas einem Wärmetausch mit einem Kältemittel unterworfen wird und zumindest ein Teil des Kältemittels nach dem Wärmetausch mit dem Gas, bei dem das Kältemittel insbesondere zumindest teilweise verdampft werden kann, einer Verdichtung unter Verwendung eines Abwärme erzeugenden Antriebs sowie einer teilweisen oder vollständigen Verflüssigung unterworfen wird. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird also ein Kältemittelkreislauf eingesetzt, der die an sich bekannten Schritte Erwärmung und Verdampfung (gegen das abzukühlende Fluid, hier das zu verflüssigende Gas), Rückverdichtung (unter Verwendung des Abwärme erzeugenden Antriebs) und (Teil-) Kondensation im Kreislauf umfasst.
  • Generell sei nachfolgend immer dann, wenn von einer "Verdampfung" die Rede ist, eine teilweise oder vollständige Verdampfung gemeint. Entsprechend soll auch unter einer "Kondensation" eine teilweise oder vollständige Kondensation verstanden werden, auch wenn dies jeweils nicht explizit angegeben ist. Der Wärmetausch des Kältemittels "mit dem Gas" kann dabei in Form eines indirekten Wärmetauschs zwischen dem Gas und dem Kältemittel ohne ein zwischengeschaltetes weiteres Kältemittel, d.h. über eine gemeinsame Wärmeaustauschfläche eines Wärmetauschers, aber auch über ein zusätzliches Kältemittel erfolgen. Ein Wärmetausch "mit dem Gas" findet also auch statt, wenn dem Gas über ein weiteres Kältemittel Wärme entzogen wird und das weitere Kältemittel mit dem hier betrachteten Kältemittel vorgekühlt wird. Der Begriff des "Wärmetauschs" wird hier stets synonym mit dem wissenschaftlich korrekteren Begriff "Wärmeübertragung" und der Begriff "Wärmetauscher" wird synonym mit dem Begriff "Wärmeübertrager" verwendet.
  • Wie insoweit ebenfalls bekannt, kann die Erwärmung und Verdampfung, die Rückverdichtung und die (Teil-) Verflüssigung in Form beliebiger (Druck- oder Temperatur-) Stufen oder in Form mehrerer Teilströme parallel zueinander erfolgen, wobei entsprechende Teilströme an beliebigen Stellen miteinander vereinigt oder aus einem Ausgangsstrom gebildet werden können. Die vorliegende Erfindung betrifft dabei insbesondere geschlossene Kältemittelkreisläufe, wie sie zur Verflüssigung von Erdgas aus dem eingangs erwähnten Stand der Technik bekannt sind.
  • Erfindungsgemäß wird nach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung des Kältemittels ein erster Anteil des Kältemittels dem Wärmetausch mit dem Gas im soeben erläuterten Sinn unterworfen, wohingegen ein zweiter Anteil des Kältemittels nacheinander einer Druckbeaufschlagung, einer Erwärmung (insbesondere Überhitzung) unter Verwendung der Abwärme des Antriebs, einer arbeitsleistenden Entspannung unterworfen und anschließend an beliebiger Stelle wieder in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt und mit dem ersten Anteil vereinigt wird; spezifische Positionen sind weiter unten erläutert. Mit anderen Worten wird der zweite Anteil des Kältemittels nach seiner arbeitsleistenden Entspannung, bei der insbesondere eine Verdampfung erfolgt, also in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt und dabei insbesondere mit dem ersten Anteil des Kältemittels vereinigt, das zuvor dem Wärmetausch mit dem Gas unterworfen wurde und dabei ebenfalls verdampft wurde. Es wird also ein Teilkreislauf geschaffen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft also, mit anderen Worten, ein Gasverflüssigungsverfahren, bei dem mindestens ein Verdichter in einem zur Bereitstellung von Kälte verwendeten Kältemittelkreislauf eingesetzt wird. Ein Antrieb des Verdichters erzeugt Abwärme. Als Antrieb wird insbesondere eine Gasturbine eingesetzt, so dass die Abwärme insbesondere mit dem Turbinenabgas, das einer Expansionsstufe der Gasturbine entnommen wird, bereitgestellt wird. In der vorliegenden Erfindung wird eine arbeitsleistende Entspannung eines Teilstroms des Kältemittels, des erwähnten "zweiten Anteils" vorgenommen. Dieses wird vor der arbeitsleistenden Entspannung sowohl weiter druckbeaufschlagt als auch erwärmt, damit das Kältemittel zur Aufnahme der im Turbinenabgas der Gasturbine oder einem anderen Abwärmeträger enthaltenen Abwärme befähigt ist. Das erwärmte, insbesondere überhitzte, Kältemittel, das durch Nutzung der Abwärme erhalten wird, wird durch die arbeitsleistende Entspannung als Energiequelle verwendet, so dass auf diese Weise die Abwärme in eine andere Energieform überführt werden kann. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit kann wie nachfolgend erläutert genutzt werden. Die arbeitsleistende Entspannung kann auch zwei- oder mehrstufig mit oder ohne Zwischenüberhitzung unter Verwendung der Abwärme erfolgen.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist, wie nachfolgend in Ausgestaltungen erläutert, insbesondere vorgesehen, dass die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit zur Verdichtung desselben oder eines anderen Kältemittels verwendet wird. Wenngleich in den nachfolgenden Ausgestaltungen bestimmte Verdichter mittels der bei der arbeitsleistenden Entspannung geleisteten Arbeit angetrieben werden, ist nicht ausgeschlossen, dass auch andere Verdichter auf diese Weise angetrieben werden können. In den konkreten Ausgestaltungen der Erfindung sind in einigen Fällen beispielsweise die jeweils auf den höchsten Druck verdichtenden Verdichter im Kältemittelkreislauf (in den Figuren mit C2 bezeichnet) mit entsprechenden Entspannungsmaschinen gekoppelt. Alternativ kann aber auch ein Antrieb beliebiger anderer Verdichter oder Verdichterstufen, die zur Verdichtung auf einen niedrigeren Druck eingerichtet sind (in den Figuren mit C1, C1A oder C1B bezeichnet), über die arbeitsleistende Entspannung erfolgen. Gleichwohl ist ein Betrieb parallel geschalteter Verdichter möglich, von denen einer mittels der bei der arbeitsleistenden Entspannung geleisteten Arbeit und ein weiterer auf andere Weise angetrieben wird, und die parallelen Teilströme des Kältemittels verdichten.
  • Die bei der Entspannung geleistete Arbeit kann in unterschiedlichen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung auch zumindest teilweise zum Antrieb eines elektrischen Generators genutzt werden.
  • In mittelgroßen Anlagen zur Erdgasverflüssigung mit einer Kapazität von beispielsweise ca. 0,3 bis 2 Megatonnen pro Jahr werden häufig die erwähnten SMR-Kreisläufe eingesetzt, da in diesen eine begrenzte Anzahl von Komponenten erforderlich ist und ein angemessener thermodynamischer Wirkungsgrad vorliegt. Die Investitionskosten für eine Dampfanlage zur Nutzung der Turbinenabwärme sind für eine derartige Anlagengröße jedoch nicht notwendigerweise wirtschaftlich, wenn die möglichen Energieeinsparungen die zusätzlichen Kosten nicht kompensieren. Die vorliegende Erfindung ist besonders in derartigen Fällen einsetzbar und schafft hier eine alternative und vorteilhafte Möglichkeit der Abwärmenutzung. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung kann der Wirkungsgrad eines SMR-Prozesses um mindestens 10 bis 15 Prozentpunkte verbessert werden, indem die zum Antreiben des Kältemittelverdichters verwendete Gasturbine entsprechend entlastet wird.
  • Andererseits kann die vorliegende Erfindung auch zur Erdgasverflüssigung im größeren Maßstab, beispielsweise in Anlagen mit einer Kapazität von ca. 2 bis 10 Megatonnen pro Jahr, vorteilhaft genutzt werden. In derartigen Anlagen ist typischerweise mehr als ein Kältemittelverdichter erforderlich, um die genannte Kapazität zu erreichen. Die optimale Drehzahl der verschiedenen Kältemittelverdichter ist dabei nicht notwendigerweise ähnlich oder identisch, so dass ggf. Getriebe zwischen den einzelnen Verdichtern eingesetzt werden müssen, falls diese mittels einer gemeinsamen Gasturbine angetrieben werden sollen. Auch bei Verwendung von mehreren unabhängigen Gasturbinen kann es jedoch zu einem Ungleichgewicht der erforderlichen Wellenleistung für jeden Verdichter kommen. In bestimmten Situationen kann die vorliegende Erfindung dabei vorteilhaft genutzt werden, indem die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit unterstützend zum Antrieb eingesetzt und damit Ungleichgewichte in Drehzahl oder Leistung ausgeglichen werden.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann insbesondere ein Gemischkältemittel in einem oder mehreren Gemischkältemittelkreisläufen als das Kältemittel verwendet werden. Das Kältemittelgemisch besteht typischerweise aus leichten Kohlenwasserstoffen mit einem bis fünf Kohlenstoffatomen sowie höchstens 20 Molprozent Stickstoff. Die Erfindung kann bei den erwähnten SMR-, aber auch bei DMR, MFC- oder C3MR-Kältekreisläufen sowie anderen Kältekreisläufen, in denen zusätzlich zu einem Gemischkältemittel ein Reinstoffkältemittel verwendet wird, eingesetzt werden, wie sie grundsätzlich aus dem eingangs zitierten Stand der Technik bekannt sind. Unter einem "Reinstoffkältemittel" wird hier ein Kältemittel verstanden, das zumindest 95 Molprozent, insbesondere zumindest 99 Molprozent eines einzigen Kohlenwasserstoffs, insbesondere Ethan, Ethylen, Propan oder Propylen, oder einer anderen Verbindung mit einer geeigneten Dampfdruckkurve wie Ammoniak oder Kohlendioxid aufweist, oder im Wesentlichen aus diesem besteht. Ist nachfolgend beispielsweise von "Propan" oder auch von einem "Propankältekreislauf" die Rede, seien die diesbezüglichen Erläuterungen stets so zu verstehen, dass sie auch allgemeiner ein Reinstoffkältemittel betreffen. Die Bezugnahme auf einen bestimmten Reinstoff dient lediglich zur Veranschaulichung. Ein entsprechendes Reinstoffkältemittel kann dabei insbesondere jenes sein, das in der erläuterten Weise behandelt wird, d.h. aus dem der erste und zweite Anteil in Form von entsprechenden Teilströmen gebildet gebildet werden.
  • Wie mehrfach erwähnt, kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere Erdgas oder ein unter Verwendung von Erdgas gebildetes Gasgemisch (beispielsweise entsäuertes, getrocknetes und/oder von schwer siedenden Kohlenwasserstoffen, insbesondere solchen mit drei und mehr Kohlenstoffatomen, befreites Erdgas) als das zu verflüssigende Gas verwendet werden und/oder es kann eine Gasturbine als der Abwärme erzeugende Antrieb verwendet werden.
  • Besondere Vorteile ergeben sich in Ausgestaltungen der Erfindung, wenn bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit zusätzlich zu dem Antrieb bei der Verdichtung desselben Kältemittels verwendet wird, das auch arbeitsleistend entspannt wird, und unter Verwendung dessen der erste und zweite Anteil gebildet werden. Auf diese Weise kann ein zur Verdichtung ansonsten verwendeter Antrieb um die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit entlastet werden und es ergeben sich entsprechende Energieeinsparungen, die direkt auf die Nutzung der Abwärme zurückzuführen sind. Die flüssige Druckbeaufschlagung des später entsprechend arbeitsleistend entspannten zweiten Anteils des Kältemittels erfordert dadurch vergleichsweise deutlich weniger Energie. Derartige Ausgestaltungen werden nachfolgend zunächst erläutert.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung, d.h. in einer ersten Gruppe von Ausgestaltungen, werden ausschließlich Gemischkältemittel, aber keine Reinstoffkältemittel im oben genannten Sinn eingesetzt. Hierbei kann es sich aber duchaus auch um solche Ausgestaltungen handeln, bei denen eine Vorkühlung unter Verwendung eines Gemischkältemittels erfolgt. In dieser ersten Gruppe von Ausgestaltungen umfasst die Verdichtung des Kältemittels insbesondere einen ersten Verdichtungsschritt auf ein erstes Druckniveau und einen zweiten Verdichtungsschritt auf ein zweites Druckniveau, das insbesondere oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, wobei der Antrieb in dem ersten Verdichtungsschritt und die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit in dem zweiten Verdichtungsschritt verwendet wird. So kann insbesondere der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung eines oder mehrerer erster Verdichter oder einer oder mehrerer erster Verdichterstufen, der oder die zumindest teilweise unter Verwendung des Antriebs angetrieben wird oder werden, durchgeführt werden, und der zweite Verdichtungsschritt kann insbesondere unter Verwendung eines oder mehrerer zweiter Verdichter oder Verdichterstufen, der oder die zumindest teilweise unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung geleisteten Arbeit angetrieben wird oder werden, durchgeführt werden. Der zweite Verdichtungsschritt wird dabei insbesondere ohne Verwendung des Abwärme produzierenden Antriebs angetrieben, sondern vorteilhafterweise nur unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung geleisteten Arbeit. Auf diese Weise können beide Verdichtungsschritte durch unabhängig voneinander betreibbare Maschinen realisiert werden und es sind keine mechanischen Kopplungen erforderlich. Wie auch nachfolgend noch erläutert, kann die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit aber auch an beliebigen anderen Stellen entsprechend genutzt werden.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in einer bevorzugten Ausgestaltung, die nachfolgend auch als "erste Ausgestaltung" bezeichnet wird, das Kältemittel zumindest teilweise dem ersten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer ersten Flüssigfraktion und einer ersten Gasfraktion zumindest teilweise einer ersten Teilverflüssigung unterworfen werden, wobei die erste Gasfraktion in dieser ersten Ausgestaltung zumindest teilweise dem zweiten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer zweiten Flüssigfraktion und einer zweiten Gasfraktion zumindest teilweise einer zweiten Teilverflüssigung unterworfen wird. Dem ersten Verdichtungsschritt kann in dieser ersten Ausgestaltung insbesondere das gesamte Kältemittel unterworfen werden, nachdem dieses im Wärmetausch mit dem zu verflüssigenden Gas verdampft wurde. Das Verfahren kann somit einfach und ohne großen Zusatzaufwand im Zusammenhang mit bekannten Verfahren zur Gasverflüssigung eingesetzt werden, in denen entsprechende Schritte vorgesehen sind. Auf den zitierten Stand der Technik wird verwiesen.
  • Der erste Verdichtungsschritt wird in der ersten Ausgestaltung insbesondere unter Verwendung eines einzigen, zwar ggf. mehrstufigen, jedoch das Kältemittel nicht auf unterschiedliche Drücke verdichtenden Verdichters durchgeführt, der in den betreffenden Figuren durchgängig mit dem Bezugszeichen C1 versehen ist. Der zweite Verdichtungsschritt wird in dieser und den nachfolgenden Ausgestaltungen insbesondere unter Verwendung eines unabhängig von dem ersten Verdichtungsschritt betriebenen Verdichters durchgeführt, der in den Figuren durchgängig mit dem Bezugszeichen C2 versehen ist.
  • Der zweite Anteil des Kältemittels kann nach dessen arbeitsleistender Entspannung in der ersten Ausgestaltung zumindest teilweise mit dem in dem ersten Verdichtungsschritt verdichteten Kältemittel vereinigt werden, bevor dieses für die erste Teilverflüssigung abgekühlt wird. Auf diese Weise kann der zweite Anteil des Kältemittels in den Kältemittelkreislauf zurückgeführt und dort wieder den erforderlichen Verdichtungs- und Kondensationsschritten unterworfen werden.
  • Insbesondere kann der erfindungsgemäß verwendete zweite Anteil des Kältemittels in der ersten Ausgestaltung in flüssigem Zustand für die anschließende Entspannung von einem Druckniveau von 10 bis 40 bar auf ein Druckniveau von 60 bis 120 bar gebracht werden. Durch die Erwärmung mittels der Abwärme wird insbesondere eine Erwärmung von einem Temperaturniveau von 10 bis 50 °C auf ein Temperaturniveau von 200 bis 400 °C vorgenommen. Beispielsweise kann ein Turbinenabgas einer als Antrieb verwendeten Gasturbine oder ein anderer Stoffstrom bei 400 bis 600 °C vorliegen. Die arbeitsleistende Entspannung erfolgt in der ersten Ausgestaltung insbesondere ausgehend von dem erwähnten Druckniveau oder einem höheren Druckniveau auf ein Druckniveau von 10 bis 40 bar, wodurch sich die Temperatur insbesondere um etwa 30 bis 100 °C verringert. In der ersten Ausgestaltung kann der erste Verdichtungsschritt insbesondere auf ein Druckniveau von 10 bis 40 bar und der zweite Verdichtungsschritt auf ein Druckniveau von 30 bis 70 bar erfolgen. Die sich jeweils anschließenden Teilkondensationsschritte erfolgen dabei insbesondere jeweils auf ein Temperaturniveau von 10 bis 50 °C. Der zweite Anteil des Kältemittels, der letztlich der arbeitsleistenden Entspannung zugeführt wird, umfasst insbesondere 40 bis 80% der ersten Flüssigfraktion.
  • In der ersten Ausgestaltung kann der zweite Anteil des Kältemittels vor dessen arbeitsleistender Entspannung teilweise oder vollständig einem indirekten Wärmetausch mit dem zweiten Anteil des Kältemittels oder einem Teil hiervon (d.h. zumindest teilweise "mit sich selbst") unterworfen werden, der bereits der arbeitsleistenden Entspannung unterworfen worden ist, bevor letzterer mit der ersten Gasfraktion vereinigt wird.
  • Wird der zweite Anteil des Kältemittels nur teilweise dem erwähnten Wärmetausch mit sich selbst unterworfen, erfolgt dies in Form eines ersten Teilstroms des zweiten Anteils, wohingegen ein zweiter Teilstrom des zweiten Anteils nicht diesem Wärmetausch mit sich selbst unterworfen wird. Der erste und der zweite Teilstrom können getrennt voneinander, und insbesondere auf unterschiedlichen Temperaturniveaus, der Erwärmung unter Verwendung der Abwärme unterworfen und danach, sowie vor der arbeitsleistenden Entspannung, wieder miteinander vereinigt werden. So kann beispielsweise der erste Teilstrom des zweiten Anteils auf einem höheren Temperaturniveau in einem ersten Abwärmetauscher mit einem Turbinenabgas erwärmt werden, wobei das bereits teilweise abgekühlte Abgas der Gasturbine einem zweiten Abwärmetauscher zugeführt wird, in dem der zweite Teilstrom auf einem geringeren Temperaturniveau angewärmt werden kann. Auf diese Weise kann eine vorteilhafte Vorerwärmung für die nachfolgende weitere Erwärmung bzw. eine Abkühlung für die nachfolgende Zuspeisung zu der ersten Gasfraktion nach deren Verdichtung erfolgen.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann in der ersten Ausgestaltung die zweite Flüssigfraktion zumindest teilweise entspannt und stromab des ersten Verdichtungsschritts mit dem Kältemittel oder einem Teil hiervon nach einer entsprechenden Abkühlung vereinigt werden, bevor dieses phasengetrennt wird.
  • Für die Abkühlung des Gases im indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittel kann in der ersten Ausgestaltung ein Wärmetauscher mit mehreren Abschnitten oder können mehrere Wärmetauscher verwendet werden, worin der erste Anteil des Kältemittels und die zweite Gasfraktion oder Teile hiervon auf unterschiedliche Temperaturniveaus weiter abgekühlt und nach einer Entspannung wieder erwärmt werden können. Der Wärmetauscher oder die mehreren Wärmetauscher können insbesondere als gewickelte Rohrbündel-Wärmetauscher oder als gelötete Platten-Wärmetauscher ausgebildet sein oder mehrere solche Wärmetauscher, auch Wärmetauscher unterschiedlicher Art, umfassen.
  • Beispielsweise können in der ersten Ausgestaltung der erste Anteil des Kältemittels und die zweite Gasfraktion oder jeweils Teile hiervon (entsprechendes gilt auch, ohne explizite Erwähnung, für die anderen nachfolgend genannten Fluide) auf einem Eintrittstemperaturniveau von beispielsweise 10 bis 50 °C dem als gewickelten Wärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher zugeführt und durch separate Wärmetauscherrohre abgekühlt werden. Der erste Anteil des Kältemittels kann dem Wärmetauscher auf einem ersten Zwischentemperaturniveau unterhalb des Eintrittstemperaturniveaus von beispielsweise -20 bis -60 °C entnommen, entspannt und mantelseitig wieder dem Wärmetauscher zugeführt werden. Die zweite Gasfraktion kann in diesem Fall dem Wärmetauscher ebenfalls auf dem ersten Zwischentemperaturniveau entnommen werden, bei dem es in teilkondensierter Form vorliegt. Nach einer Phasentrennung außerhalb des Wärmetauschers werden die Flüssigphase und die Gasphase getrennt voneinander auf dem ersten Zwischentemperaturniveau dem Wärmetauscher wieder zugeführt und durch separate Wärmetauscherrohre weiter abgekühlt. Die Flüssigphase wird auf einem zweiten Zwischentemperaturniveau unterhalb des ersten Zwischentemperaturniveaus von beispielsweise -70 bis -100 °C entnommen, entspannt und mantelseitig wieder dem Wärmetauscher zugeführt. Die Gasphase wird auf einem dritten Zwischentemperaturniveau unterhalb des zweiten Zwischentemperaturniveaus von beispielsweise -120 bis -160 °C entnommen, entspannt und ebenfalls mantelseitig wieder dem Wärmetauscher zugeführt. Die auf diese Weise mantelseitig vereinigten Fluide werden wieder der Verdichtung zugeführt.
  • Wird ein gelöteter Platten-Wärmetauscher verwendet, können der erste Anteil des Kältemittels und die zweite Gasfraktion oder jeweils Teile hiervon auch gemeinsam auf einem Eintrittstemperaturniveau im oben genannten Bereich dem Wärmetauscher zugeführt und in gemeinsamen Passagen abgekühlt werden. Nach einer Entnahme am kalten Ende des Wärmetauschers auf einem Entnahmetemperaturniveau von beispielsweise -120 bis -160°C kann eine Entspannung vorgenommen werden und das auf diese Weise weiter auf ein Temperaturniveau von beispielsweise -130 bis -170 °C abgekühlte Kältemittel wird durch separate Passagen zurückgeführt und nach Erwärmung auf ein Temperaturniveau im Bereich des Eintrittstemperaturniveaus wieder der Verdichtung zugeführt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, nachfolgend auch als "zweite Ausgestaltung" bezeichnet, kann insbesondere der erste Verdichtungsschritt abweichend ausgestaltet werden und unter Verwendung von zwei Verdichterstufen, nämlich einer ersten Verdichterstufe und einer zweiten Verdichterstufe, durchgeführt werden, die jedoch gemeinsam von dem Abwärme liefernden Antrieb angetrieben werden. Die erste Verdichterstufe, die baulich auch in Form mehrerer Verdichterstufen eines Verdichters ausgebildet sein können, wird in den Figuren durchgängig mit dem Bezugszeichen C1A bezeichnet, die entsprechend ausgebildete zweite Verdichterstufe mit dem Bezugszeichen C1B. Die zweite Ausgestaltung betrifft insbesondere einen DMR-Prozess. In diesem werden vorteilhafterweise zwei oder drei Wärmetauscher oder Wärmetauscherabschnitte verwendet, die jeweils als gewickelte Wärmetauscher oder entsprechende Abschnitte eines gewickelten Wärmetauschers ausgebildet sein können. Nachfolgend wird lediglich der Einfachheit halber von zwei oder drei "Wärmetauschern" gesprochen, worunter aber auch entsprechende Abschnitte eines gemeinsamen Wärmetauschers fallen sollen. Es handelt sich hierbei in Richtung einer absteigenden Temperatur des zu verflüssigenden Gases im hier verwendeten Sprachgebrauch um einen ersten, einen zweiten und einen dritten Wärmetauscher. Der erste und der zweite Wärmetauscher verwenden in den Ausgestaltungen mit drei Wärmetauschern das gleiche Kältemittel bei unterschiedlichen Verdampfungsdrücken und können daher, insbesondere bei kostengünstigen Anlagen, auch zusammengefasst werden bzw. kann in solchen Anlagen auf den ersten Wärmetauscher verzichtet werden. Die Erfindung betrifft auch derartige Verfahren, auch wenn nachfolgend nicht gesondert hierauf Bezug genommen wird und die Erfindung anhand von Verfahren und Anlagen mit drei Wärmetauschern beschrieben wird.
  • In der zweiten Ausgestaltung werden der ersten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts entsprechend verdampfte Kältemittelströme aus dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher auf Druckniveaus von beispielsweise 5 bis 20 bar bzw. 2 bis 10 bar zugeführt. In der ersten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts erfolgt eine Verdichtung auf beispielsweise 15 bis 50 bar, in der zweiten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts erfolgt eine Verdichtung auf beispielsweise 40 bis 80 bar. Stromab der Verdichtungsstufen erfolgt jeweils eine Nachkühlung. Der zuvor mehrfach angesprochene erste bzw. zweite Anteil des Kältemittels wird aus dem in der ersten Verdichterstufe verdichteten Fluid, das zusätzlich zu dem genannten auch weiteres Kältemittel umfassen kann, gebildet. Auch hiervon umfasst der zweite Anteil insbesondere 40 bis 80%.
  • Der erste Anteil wird zunächst rohrseitig durch den ersten Wärmetauscher geführt und dort auf ein Temperaturniveau von beispielsweise 0 bis -20 °C abgekühlt. Ein Teilstrom kann stromab des ersten Wärmetauschers entspannt und mantelseitig in den ersten Wärmetauscher eingespeist werden. Dieser Teilstrom stellt insbesondere das gesamte in dem ersten Wärmetauscher verdampfte Kältemittel dar. In den erwähnten Ausgestaltungen mit nur zwei Wärmetauschern entfallen die für den ersten Wärmetauscher beschriebenen Maßnahmen. Der nicht entspannte Rest des ersten Anteils des Kältemittels kann zur Bildung eines weiteren Teilstroms verwendet werden, der in einem separaten weiteren Wärmetauscher zur Kühlung des in der zweiten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Fluids verwendet und danach der ersten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts zugespeist werden kann. Ein von dem ersten Anteil auch hiernach verbleibender Rest wird zunächst rohrseitig durch den zweiten Wärmetauscher geführt und in diesem auf ein Temperaturniveau von beispielsweise -30 bis -70 °C abgekühlt. Dieser Rest kann nun stromab des zweiten Wärmetauschers entspannt und mantelseitig in den zweiten Wärmetauscher eingespeist werden. Dieser Rest stellt insbesondere das gesamte in dem zweiten Wärmetauscher verdampfte Kältemittel dar.
  • Der zweite Anteil des Kältemittels kann in der zweiten Ausgestaltung im Wesentlichen in der zur ersten Ausgestaltung erläuterten Weise behandelt und insbesondere dem in der ersten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Kältemittel zugespeist werden, bevor dieses abgekühlt und kondensiert wird. Er wird auf diese Weise im Kreis geführt. Das in der zweiten Verdichterstufe des ersten Verdichtungsschritts verdichtete Kältemittel kann insbesondere dem zweiten Verdichtungsschritt zugeführt und dort grundsätzlich wie zu der ersten Ausgestaltung erläutert verdichtet werden. Insbesondere erfolgt eine Verdichtung auf ein Druckniveau von 70 bis 110 bar. Das entsprechend verdichtete Kältemittel wird abgekühlt und zunächst zur weiteren Abkühlung rohrseitig durch den ersten bis dritten Wärmetauscher geführt. Stromab dessen wird dieser Kältemittelanteil entspannt und mantelseitig in den dritten Wärmetauscher eingespeist. Dieser Kältemittelanteil stellt insbesondere das gesamte in dem dritten Wärmetauscher verdampfte Kältemittel dar.
  • Eine nochmals weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, nachfolgend auch als "dritte Ausgestaltung" bezeichnet, umfasst, dass der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung von zwei Verdichtern durchgeführt wird, die nun vorteilhafterweise von zwei getrennten, Abwärme liefernden Antrieben angetrieben werden. Diese werden weitgehend vergleichbar wie die entsprechenden Verdichterstufen in der zweiten Ausgestaltung betrieben und tragen daher die entsprechenden Bezeichnungen. Die dritte Ausgestaltung betrifft ebenfalls einen DMR-Prozess. Es werden, wie in der zweiten Ausgestaltung, vorteilhafterweise zwei oder drei Wärmetauscher oder Wärmetauscherabschnitte verwendet, so dass die obigen Erläuterungen weiter gelten. Die obigen Merkmale und Erläuterungen bezüglich der zweiten Ausgestaltung betreffen auch die dritte Ausgestaltung, wobei jedoch der stromab des ersten Wärmetauschers nicht entspannte Rest des ersten Anteils des Kältemittels wahlweise nicht zur Bildung eines weiteren Teilstroms verwendet wird, welcher zur Kühlung des im zweiten Verdichter des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Fluids dient. Der zweite Anteil des Kältemittels, der letztlich arbeitsleistend entspannt wird, wird mit der Abwärme beider Antriebe erwärmt.
  • Wie erwähnt, wird in den soeben erläuterten Ausgestaltungen bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit zusätzlich zu dem Antrieb bei der Verdichtung des desselben Kältemittels verwendet, das auch arbeitsleistend entspannt wird, und unter Verwendung dessen der erste und zweite Anteil gebildet werden, wenngleich dieses in den DMR-Kreisläufen in unterschiedlichen Kreisläufen eingesetzt wird. In anderen Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich im Gegensatz dazu Vorteile, wenn bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit bei der Verdichtung eines weiteren Kältemittels verwendet wird, also nicht desselben Kältemittels, das arbeitsleistend entspannt und unter Verwendung dessen der erste und zweite Anteil gebildet werden. Zur besseren Unterscheidung wird das arbeitsleistend entspannte Kältemittel und zur Bildung des ersten und zweiten Anteils verwendete Kältemittel als "erstes" Kältemittel und das weitere Kältemittel als "zweites" Kältemittel bezeichnet.
  • Die erste bis dritte Ausgestaltung sind Teil der zuvor angesprochenen ersten Gruppe von Ausgestaltungen, in denen ausschließlich Gemischkältemittel eingesetzt werden. Es handelt sich dabei um SMR- und DMR-Kreisläufe, also auch solche, bei denen zur Vorkühlung ein Gemischkältemittel eingesetzt wird. Eine zweite Gruppe von Ausgestaltungen, die nun erläutert wird, umfasst Ausgestaltungen, in denen zusätzlich ein Reinstoffkältemittel in einem Vorkühlkreislauf eingesetzt wird. Es handelt sich also unter anderem um C3MR-Kreisläufe.
  • In der zweiten Gruppe von Ausgestaltungen wird die Verdichtung des Reinstoffkältemittels, das hier ein "erstes" Kältemittel im soeben erläuterten Sinn darstellt, in dem Vorkühlkreislauf in einem ersten Verdichter oder einer ersten Verdichterstufe vorgenommen und die Verdichtung des Gemischkältemittels in dem Gemischkältemittelkreislauf, das in diesem Sinn das "zweite" Kältemittel darstellt, erfolgt unter Verwendung eines zweiten Verdichters oder einer zweiten Verdichterstufe und eines dritten Verdichters oder einer dritten Verdichterstufe in der nachfolgend erläuterten Art. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit wird zum Antrieb des dritten Verdichters oder der dritten Verdichterstufe genutzt. Lediglich der Übersichtlichkeit halber wird nachfolgend von Verdichtern gesprochen, worunter auch Verdichterstufen verstanden werden sollen.
  • In einer entsprechenden Ausgestaltung der Erfindung, nachfolgend auch als "vierte Ausgestaltung" bezeichnet, werden der erste und der zweite Verdichter (C1A und C1B in den Figuren) von zwei getrennten Antrieben angetrieben, wobei es sich nur bei dem Antrieb des zweiten Verdichters um einen Abwärme (zumindest in nennenswertem und nutzbarem Umfang) liefernden Antrieb wie eine Gasturbine handelt. Der Antrieb des ersten Verdichters kann beispielsweise unter Erzeugung deutlich geringerer (und nicht nutzbarer) Abwärmemengen elektrisch erfolgen.
  • Abweichend zur zweiten und dritten Ausgestaltung werden in der vierten Ausgestaltung zur Abkühlung des zu verflüssigenden Gases ein gelöteter Platten-Wärmetauscher und ein gewickelter Rohrbündel-Wärmetauscher eingesetzt. Es sind, wie erwähnt, zwei getrennte Kältemittelkreisläufe realisiert, nämlich ein Reinstoffkreislauf mit Reinstoffkältemittel zur Vorkühlung und ein Kältemittelkreislauf mit Gemischkältemittel. Der Reinstoffkreislauf umfasst, wie bereits angesprochen, den ersten Verdichter, der Gemischkältemittelkreislauf dagegen den zweiten und den dritten Verdichter.
  • Das Reinstoffkältemittel des Reinstoffkreislaufs wird in mehreren Teilströmen, die insbesondere gegen das Gemischkältemittel aus dem zweiten Verdichtungsschritt erwärmt werden und damit das Gemischkältemittel vorkühlen, dem ersten Verdichter zugeführt und dort verdichtet. Nach einer anschließenden Abkühlung und Verflüssigung werden auch hier der erste und der zweite Anteil des Kältemittels gebildet. Im Unterschied zu den zuvor erläuterten Ausgestaltungen werden der erste und der zweite Anteil damit also aus dem Reinstoffkältemittel, dem "ersten" Kältemittel, und nicht dem Gemischkältemittel, dem "zweiten" Kältemittel, gebildet. Der erste Anteil wird zunächst abgekühlt, anschließend entspannt, gegen das Gemischkältemittel erwärmt, und wieder dem ersten Verdichter zugeführt. Der zweite Anteil wird wie bereits zuvor erwähnt behandelt und dabei mit der Abwärme des Antriebs des zweiten Verdichters erwärmt.
  • Das Gemischkältemittel wird nach seiner Vorkühlung mit dem Reinstoffkältemittel des Reinstoffkreislaufs, insbesondere auf ein Temperaturniveau von -20 bis -40 °C, in dem gewickelten Wärmetauscher rohrseitig weiter abgekühlt, insbesondere auf ein Temperaturniveau von -120 bis -160 °C. Stromab hiervon wird es entspannt und mantelseitig dem gewickelten Wärmetauscher zugeführt. Nach einer Entnahme aus dem gewickelten Wärmetauscher und entsprechender Erwärmung wird eine weitere Erwärmung in dem gelöteten Platten-Wärmetauscher durchgeführt und es erfolgt anschließend eine Verdichtung in dem zweiten und dritten Verdichter.
  • Eine Variante der soeben erläuterten vierten Ausgestaltung, die als "fünfte Ausgestaltung" bezeichnet wird, umfasst, dass der erste und der zweite Verdichter über einen gemeinsamen, Abwärme produzierenden Antrieb angetrieben werden.
  • In allen Fällen kann bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit bei der Verdichtung eines weiteren Kältemittels verwendet werden, mit dem das Gas der Abkühlung im indirekten Wärmetausch unterworfen wird. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung eines Reinstoff- bzw. C3MR-Kältemittelkreislaufs der Fall sein, oder in Varianten der ersten Gruppe von Ausgestaltungen.
  • In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, die hier als "sechste Ausgestaltung" bezeichnet wird, wird als das erste Kältemittel ein Gemischkältemittel und als das zweite Kältemittel Stickstoff verwendet. Auch in dieser Ausgestaltung sind der erste und zweite Anteil Anteile eines ersten Kältemittels, nämlich des Gemischkältemittels, und bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit wird bei der Verdichtung eines zweiten Kältemittels, nämlich des Stickstoffs, verwendet.
  • Grundsätzlich kann in der sechsten Ausgestaltung, wie zuvor beispielsweise zur ersten Ausgestaltung erläutert, das Gemischkältemittel zumindest teilweise einem ersten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer ersten Flüssigfraktion und einer ersten Gasfraktion zumindest teilweise einer ersten Teilverflüssigung unterworfen werden. Die erste Gasfraktion kann zumindest teilweise dem zweiten Verdichtungsschritt und anschließend unter Erhalt einer zweiten Flüssigfraktion und einer zweiten Gasfraktion zumindest teilweise einer zweiten Teilverflüssigung unterworfen wird. Auch die weitere Behandlung kann identisch sein.
  • Der Stickstoff wird in der sechsten Ausgestaltung allgemein gesprochen einer Entspannung und einer Verdichtung unterworfen, wobei die Verdichtung des Stickstoffs unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Anteils des Gemischkältemittels geleisteten Arbeit erfolgt. Die Entspannung des Stickstoffs kann in der sechsten Ausgestaltung arbeitsleistend erfolgen, wobei bei der arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffs geleistete Arbeit ebenfalls bei der Verdichtung des Stickstoffs verwendet werden kann.
  • Der verdichtete Stickstoff wird nacheinander abgekühlt, einem ersten indirekten Wärmetausch unterworfen und dabei abgekühlt, der Entspannung unterworfen, einem zweiten indirekten Wärmetausch unterworfen und dabei erwärmt, danach dem ersten indirekten Wärmetausch unterworfen und dabei erwärmt, und wieder der Verdichtung zugeführt. In dem zweiten indirekten Wärmetausch wird dabei das der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung unterworfene Gas unterkühlt.
  • Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, hier als "siebte Ausgestaltung" bezeichnet, unterscheidet sich von der sechsten Ausgestaltung dadurch, dass die Verdichtung des Stickstoffs zweistufig in einem ersten und danach einem zweiten Verdichtungsschritt durchgeführt wird, wobei der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffs geleisteten Arbeit und der zweite Verdichtungsschritt unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Anteils des Gemischkältemittels geleisteten Arbeit erfolgt.
  • Die Erfindung erstreckt sich auch auf eine Anlage zum Verflüssigen eines Gases, wobei die Anlage Mittel aufweist, die dafür eingerichtet sind, das Gas im indirekten Wärmetausch mit einem Kältemittel einer Abkühlung zu unterwerfen und zumindest einen Teil des Kältemittels nach dem Wärmetausch mit dem Gas einer Verdichtung unter Verwendung eines Abwärme erzeugenden Antriebs und anschließend einer teilweisen oder vollständigen Verflüssigung zu unterwerfen. Die Anlage weist erfindungsgemäß Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, nach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung einen ersten Anteil des Kältemittels dem Wärmetausch mit dem Gas zu unterwerfen und einen zweiten Anteil des Kältemittels nacheinander einer Druckbeaufschlagung, einer Erwärmung unter Verwendung der Abwärme des Antriebs und einer arbeitsleistenden Entspannung zu unterwerfen und danach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung wieder zuzuführen.
  • Zu Merkmalen und Vorteilen einer entsprechenden Anlage, die vorteilhafterweise zur Durchführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung und beliebiger zuvor erläuterter Ausgestaltungen eingerichtet ist, sei auf die obigen Erläuterungen ausdrücklich verwiesen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, welche Anordnungen gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung veranschaulichen.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • Figur 1 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
    • Figur 2 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
    • Figur 3 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
    • Figur 4 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
    • Figur 5 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
    • Figur 6 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
    • Figur 7 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
    • Figur 7A veranschaulicht eine Variante des Verfahrens gemäß Figur 7.
    • Figur 8 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
    • Figur 9 veranschaulicht ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung.
  • In den Figuren sind einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen angegeben und werden der Übersichtlichkeit halber nicht wiederholt erläutert. Identische Elemente sind nicht in allen Figuren gesondert bezeichnet.
    • Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • In Figur 1 ist ein Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung anhand eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht.
  • Das Verfahren dient zur Verflüssigung eines Gases, das dem Verfahren in gasförmigem Zustand als Stoffstrom 1 zugeführt und in verflüssigter Form als Stoffstrom 2 bereitgestellt wird. Zur Verflüssigung dient hier ein insgesamt stark vereinfachter Wärmetauscher- bzw. Tieftemperaturteil 10. Zur Veranschaulichung der allgemeinen Anwendbarkeit ist der Wärmetauscherteil 10 stark vereinfacht dargestellt.
  • Kältemittel wird in Form eines erwärmten ("warmen") Kältemittelstroms W aus dem Wärmetauscherteil 10 ausgeführt. In einem Abscheider D1 wird verbliebenes Kondensat abgetrennt. Es folgt eine Verdichtung des Kältemittels des Stoffstroms W in einem ersten Verdichtungsschritt unter Verwendung eines Verdichters C1, der durch eine Gasturbine GT1 angetrieben wird. In der Gasturbine GT1 wird Luft eines Luftstroms A in einer nicht gesondert bezeichneten Verdichterstufe verdichtet und mit Brennstoff F in einer (nicht gezeigten) Brennkammer verbrannt. Heißgas wird in einer ebenfalls nicht gesondert bezeichneten Expansionsstufe entspannt und über einen Wärmetauscher E4 zur Wärmerückgewinnung ausgeführt. Es kann auch eine Hilfsfeuerung unter Verwendung weiteren Brennstoffs AF erfolgen.
  • Das im Verdichter C1 verdichtete Kältemittel wird in einem Wärmetauscher E1 abgekühlt, dabei teilkondensiert, und in einem Abscheider D2 einer Phasentrennung unterworfen. Die Gas- und die Flüssigphase werden in Form getrennter Stoffströme dem Wärmetauscherteil 10 zugeführt, wobei ein Teil der Flüssigphase als zuvor mehrfach entsprechend bezeichneter "erster Anteil" des Kältemittels dem Wärmetauscherteil 10 zugeführt wird und ein weiterer Teil entsprechend als "zweiter Anteil" in Form eines Stoffstroms R mittels einer Pumpe P1 druckerhöht, in einem Wärmetauscher E3 und danach in dem Wärmetauscher E4 erwärmt, sodann in einer Entspannungsmaschine X1 arbeitsleistend entspannt, durch den Wärmetauscher E3 geführt, und anschließend mit dem im Verdichter C1 verdichteten Kältemittel vor dessen Abkühlung vereinigt.
  • Mit der Entspannungsmaschine X1 ist ein Verdichter C2 über ein Getriebe G gekoppelt. Dem Verdichter C2 kann ein Gemischkältemittel in Form eines erwärmten Kältemittelstroms W1 aus dem Wärmetauscherteil 10 zugeführt werden, so dass auf diese Weise eine Nutzung der Abwärme der Gasturbine GT1 möglich ist. Die Figur 1 verwendet mit dem Kältemittelstrom W1 zusätzlich zu dem Kältemittel des Kältemittelstroms W ein weiteres Gemischkältemittel und betrifft damit einen DMR-Kreislauf. Die Verwendung eines derartigen weiteren Gemischkältemittels ist in allen nachfolgend erläuterten Ausgestaltungen der Erfindung ebenfalls möglich, auch wenn dort jeweils nur ein Gemischkältemittelkreislauf, ggf. mit Teilkreisläufen, veranschaulicht sein sollte.
  • In Figur 2 ist ein Verfahren gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung anhand eines schematischen Prozessflussdiagramms veranschaulicht. In Figur 2 ist dabei insbesondere der Wärmetauscherteil 10 näher veranschaulicht. Dieser umfasst insbesondere einen gewickelten Wärmetauscher 11 und einen Abscheider 12, deren Funktion weiter unten erläutert wird.
  • Der Kältemittelstrom W1 gemäß Figur 1 oder ein vergleichbarer Stoffstrom wird hier nicht bereitgestellt, so dass es sich in der konkreten Ausgestaltung um einen SMR-Kreislauf handelt. Der Kältemittelstrom W wird hier in einem ersten Verdichtungsschritt unter Verwendung eines Verdichters C1 und in einem zweiten Verdichtungsschritt unter Verwendung eines Verdichters C2 verdichtet, wobei der Antrieb des ersten Verdichters C1 mittels der Gasturbine GT1 und der Antrieb des zweiten Verdichters C2 mittels der bei der arbeitsleistenden Entspannung in der Entspannungsmaschine X1 geleisteten Arbeit erfolgt.
  • Der Stoffstrom W wird stromab des Abscheiders D1 in dem Verdichter C1 verdichtet und anschließend nach Abkühlung in einem Wärmetauscher E1 unter Erhalt einer ersten Flüssigfraktion und einer ersten Gasfraktion in einem Abscheider D2 einer Teilverflüssigung unterworfen. Die nicht gesondert bezeichnete erste Gasfraktion aus dem Abscheider D2 wird in dem zweiten Verdichter C2 verdichtet und anschließend nach Abkühlung in einem Wärmetauscher E2 unter Erhalt einer zweiten Flüssigfraktion und einer zweiten Gasfraktion in einem Abscheider D3 einer Teilverflüssigung unterworfen.
  • Die erste Flüssigfraktion aus dem Abscheider D2 wird teilweise in Form des Stoffstroms R behandelt wie bereits zuvor erläutert. Der Rest wird in Form eines nicht gesondert bezeichneten Stoffstroms, wie auch die zweite Gasfraktion aus dem Abscheider D2, dem gewickelten Wärmetauscher 11 zugeführt. Die genannten Kältemittelströme werden durch separate Wärmetauscherrohre geführt und abgekühlt.
  • Die nicht in Form des Stoffstroms R verwendete erste Flüssigfraktion aus dem Abscheider D2 wird dem Wärmetauscher 11 auf einem ersten Zwischentemperaturniveau unterhalb des entsprechenden Eintrittstemperaturniveaus entnommen, entspannt und mantelseitig wieder dem Wärmetauscher 11 zugeführt werden. Die zweite Gasfraktion kann dem Wärmetauscher ebenfalls auf dem ersten Zwischentemperaturniveau entnommen, entspannt und dabei teilverflüssigt werden, wobei aber eine Phasentrennung außerhalb des Wärmetauschers 11 in eine Flüssigphase und eine Gasphase in dem Abscheider 12 vorgenommen wird.
  • Die in dem Abscheider 12 gebildete Flüssigphase und die Gasphase werden getrennt voneinander auf dem ersten Zwischentemperaturniveau dem Wärmetauscher 11 wieder zugeführt und durch separate Wärmetauscherrohre weiter abgekühlt. Die Flüssigphase wird auf einem zweiten Zwischentemperaturniveau unterhalb des ersten Zwischentemperaturniveaus entnommen, entspannt und mantelseitig wieder dem Wärmetauscher 11 zugeführt. Die Gasphase wird auf einem dritten Zwischentemperaturniveau unterhalb des zweiten Zwischentemperaturniveaus entnommen, entspannt und ebenfalls mantelseitig wieder dem Wärmetauscher 11 zugeführt. Die auf diese Weise mantelseitig vereinigten Fluide werden in Form des Stoffstroms W wieder der Verdichtung zugeführt.
  • Der Stoffstrom R wird nach dessen arbeitsleistender Entspannung mit dem Kältemittel vereinigt, das in dem Verdichter C1 verdichtet wurde, bevor dieses für die erste Teilkondensation abgekühlt wird. Die zweite Flüssigfraktion aus dem Abscheider D3 wird über ein Ventil V1 entspannt und in den Abscheider D2 zurückgeführt.
  • In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht, die sich von der Ausgestaltung gemäß Figur 2 insbesondere dadurch unterscheidet, dass anstelle des gewickelten Rohrbündel-Wärmetauschers 11 ein gelöteter Platten-Wärmetauscher 13 vorgesehen ist.
  • Wie hier veranschaulicht, können der nicht in Form des Stoffstroms R verwendete Anteil der ersten Flüssigfraktion aus dem Abscheider D2 und die zweite Gasfraktion aus dem Abscheider D3 gemeinsam dem Wärmetauscher 13 zugeführt und in gemeinsamen Passagen abgekühlt werden. Eine Pumpe 14 fördert dabei den so verwendeten Anteil der ersten Flüssigfraktion auf den Druck der zweiten Gasfraktion, damit beide Fraktionen gemeinsam dem Wärmetauscher 13 zugespeist werden können. Nach einer Entnahme am kalten Ende kann eine Entspannung über ein Ventil 15 vorgenommen und das auf diese Weise weiter abgekühlte Kältemittel durch separate Passagen zurückgeführt und nach einer entsprechenden Erwärmung wieder in den Abscheider D1 eingespeist werden.
  • In Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung veranschaulicht, in der insbesondere der zuvor in dem Verdichter C1 durchgeführte erste Verdichtungsschritt abweichend ausgestaltet ist und unter Verwendung von zwei Verdichterstufen (einer ersten Verdichterstufe C1A und einer zweiten Verdichterstufe C1B) durchgeführt wird. Diese werden hier gemeinsam von der Gasturbine GT1 angetrieben.
  • Es werden ferner drei Wärmetauscher 16, 17, 18 verwendet, die jeweils als gewickelte Wärmetauscher ausgebildet sind. Es handelt sich hierbei in Richtung einer absteigenden Temperatur des zu verflüssigenden Gases 1 im hier verwendeten Sprachgebrauch um einen ersten Wärmetauscher 16, einen zweiten Wärmetauscher 17 und einen dritten Wärmetauscher 18. Der erste Wärmetauscher 16 kann ggf. entfallen, wie oben ausführlich erläutert.
  • Der ersten Verdichterstufe C1A werden entsprechend verdampfte Kältemittelströme aus dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher 16, 17 zugeführt und dort verdichtet. Der zweiten Verdichterstufe C1B wird ein verdampfter Kältemittelstrom aus dem dritten Wärmetauscher 18 zugeführt und dort verdichtet. Stromab der Verdichterstufen erfolgt jeweils eine Nachkühlung. Der zuvor mehrfach angesprochene erste und zweite Anteil des Kältemittels werden aus dem in der ersten Verdichterstufe C1A verdichteten Fluid, das zusätzlich zu dem genannten auch weiteres Kältemittel umfassen kann, gebildet, welches dem auch hier mit D2 bezeichneten Abscheider entnommen wird.
  • Der erste Anteil wird zunächst rohrseitig durch den ersten Wärmetauscher 16 geführt und dort abgekühlt. Ein Teilstrom kann stromab des ersten Wärmetauschers 16 entspannt und mantelseitig in den ersten Wärmetauscher 16 eingespeist werden. Der nicht entspannte Rest des ersten Anteils des Kältemittels kann zur Bildung eines weiteren Teilstroms verwendet werden, der in einem separaten Wärmetauscher E5 zur Kühlung des in der zweiten Verdichterstufe C1B des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Fluids verwendet und danach der ersten Verdichterstufe C1A des ersten Verdichtungsschritts zugespeist werden kann. Ein von dem ersten Anteil auch hiernach verbleibender Rest wird zunächst rohrseitig durch den zweiten Wärmetauscher 17 geführt und in diesem abgekühlt. Dieser Rest kann nun stromab des zweiten Wärmetauschers 17 entspannt und mantelseitig in den zweiten Wärmetauscher 17 eingespeist werden.
  • Der zweite Anteil des Kältemittels kann im Wesentlichen wie zuvor erläutert in Form des Stoffstroms R behandelt und insbesondere dem in der ersten Verdichterstufe C1A des ersten Verdichtungsschritts verdichteten Kältemittel zugespeist werden, bevor dieses weiter abgekühlt und kondensiert wird. Er wird auf dieser Weise im Kreis geführt.
  • Das in der zweiten Verdichterstufe C1B des ersten Verdichtungsschritts verdichtete Kältemittel kann insbesondere dem zweiten Verdichtungsschritt mit dem Verdichter C2 zugeführt und dort grundsätzlich wie zu der ersten Ausgestaltung erläutert verdichtet werden. Das entsprechend verdichtete Kältemittel wird in einem weiteren Wärmetauscher E6 abgekühlt und zunächst zur weiteren Abkühlung rohrseitig durch den ersten bis dritten Wärmetauscher 16, 17, 18 geführt. Stromab des letzteren wird dieser Kältemittelanteil entspannt und mantelseitig in den dritten Wärmetauscher 18 eingespeist.
  • Eine nochmals weitere bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in Figur 5 veranschaulicht. Diese umfasst, dass der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung von zwei Verdichtern durchgeführt wird, die hier der besseren Vergleichbarkeit halber wie zuvor mit C1A und C1B bezeichnet sind, aber nun von zwei getrennten, Abwärme liefernden Antrieben (Gasturbinen) GT1A und GT1B angetrieben werden. Entsprechend sind die zuvor einfach vorhandenen Wärmetauscher E3 und E4 nun in Form der Wärmetauscher E3A, E3B und E4A, E4B doppelt vorhanden Der zweite Anteil des Kältemittels, der letztlich in Form des Stoffstroms R arbeitsleistend entspannt wird, wird in dieser Ausgestaltung zuvor mit der Abwärme beider Antriebe GT1A und GT1B erwärmt.
  • Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, ist in Figur 6 veranschaulicht und ist in Form eines mit einem Reinstoffkältemittel vorgekühlten Gemischkreislauf-(z.B. C3MR-) Prozesses ausgeführt.
  • Die Verdichtung eines Reinstoffkältemittels (hier beispielhaft als Propan C3H8 veranschaulicht) in einem Vorkühlkreislauf wird hier in einem ersten Verdichter C1A vorgenommen und die Verdichtung eines Gemischkältemittels in einem Gemischkältemittelkreislauf erfolgt unter Verwendung eines zweiten Verdichters C1B und eines dritten Verdichters C2. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit wird zum Antrieb des dritten Verdichters C2 genutzt. Der erste und der zweite Verdichter C1A, C1B werden von zwei getrennten Antrieben angetrieben, wobei es sich nur bei dem Antrieb des zweiten Verdichters C1B um einen Abwärme (zumindest in nennenswertem und nutzbarem Umfang) liefernden Antrieb wie eine Gasturbine GT1 handelt. Der Antrieb des ersten Verdichters C1A kann beispielsweise unter Erzeugung deutlich geringerer (und nicht nutzbarer) Abwärmemengen mittels eines Motors M erfolgen.
  • Abweichend zu den zuvor erläuterten Ausgestaltungen werden zur Abkühlung des zu verflüssigenden Gases 1 ein gelöteter Platten-Wärmetauscher 19 zusätzlich zu einem gewickelten Wärmetauscher 11 eingesetzt. Das Kältemittel des Reinstoffkreislaufs wird in mehreren Teilströmen, die insbesondere gegen das Gemischkältemittel aus dem zweiten Verdichtungsschritt, erwärmt und verdampft werden und damit das Gemischkältemittel vorkühlen, dem ersten Verdichter C1A zugeführt und dort verdichtet. Nach einer anschließenden Abkühlung und Verflüssigung werden auch hier der erste und der zweite Anteil des Kältemittels gebildet. Der erste Anteil wird zunächst unterkühlt, anschließend gegen das Gemischkältemittel aus dem zweiten Verdichter erwärmt und verdampft, und wieder dem ersten Verdichter C1A zugeführt. Der zweite Anteil R wird wie bereits zuvor erwähnt behandelt und dabei mit der Abwärme des Antriebs des zweiten Verdichters erwärmt.
  • Das Gemischkältemittel wird nach seiner Vorkühlung mit dem Kältemittel des Reinstoffkältemittelkreislaufs in dem gewickelten Wärmetauscher 11 rohrseitig weiter abgekühlt. Stromab hiervon wird es entspannt und mantelseitig dem gewickelten Wärmetauscher 11 zugeführt. Nach einer Entnahme aus dem gewickelten Wärmetauscher 11 und entsprechender Erwärmung wird eine weitere Erwärmung in dem gelöteten Platten-Wärmetauscher 19 durchgeführt und es erfolgt anschließend eine Verdichtung in dem zweiten und dritten Verdichter C1B und C2.
  • Eine Variante der soeben erläuterten Ausgestaltung ist in Figur 7 veranschaulicht, Diese umfasst, dass der erste und der zweite Verdichter C1A, C1B über einen gemeinsamen, Abwärme produzierenden Antrieb GT1 angetrieben werden.
  • Wiederum eine Variante der in Figur 7 veranschaulichten Ausgestaltung, die aber ohne weiteres auch als eine Variante beispielsweise der in Figur 6 dargestellten Ausgestaltung oder einer anderen Ausführungsform der Erfindung realisiert sein kann, ist in Figur 7A dargestellt. Hier wird ein Teilstrom R' des Kältemittelstroms R nicht durch den Wärmetauscher E3 geführt, sondern durch einen Wärmetauscher E4', der stromab des Wärmetauschers E4 im Turbinenabgasstrom der Gasturbine GT1 angeordnet ist. Wie in Form gestrichelter, aber nicht gesondert bezeichneter Stoffströme und Wärmetauscher dargestellt, kann die Vorkühlung des Kältemittels auch abweichend ausgestaltet sein und insbesondere weniger Wärmetauscherstufen umfassen als zuvor dargestellt.
  • In allen Fällen kann bei der arbeitsleistenden Entspannung geleistete Arbeit bei der Verdichtung eines weiteren Kältemittels verwendet werden, mit dem das Gas der Abkühlung im indirekten Wärmetausch unterworfen wird. Dies kann beispielsweise bei der Verwendung eines mit einem Reinstoffkältemittel vorgekühlten Gemischkältemittelkreislaufs der Fall sein, oder in weiteren Varianten der Erfindung, die in den Figuren 8 und 9 veranschaulicht sind. In diesen werden weitere gelötete Platten-Wärmetauscher 19A und 19B verwendet, die unter Verwendung eines Stickstoffkreislaufs betrieben werden.
  • Die Behandlung des Gemischkältemittels ergibt sich direkt aus den Figuren 8 und 9 und den vorstehenden Erläuterungen und erfolgt im Wesentlichen analog wie beispielsweise in Figur 3, wobei aber hier die Verdichter C1 und C2 unter Verwendung der Gasturbine GT1 betrieben werden.
  • Der Stickstoff des Stickstoffkreislaufs wird in der Ausgestaltung gemäß Figur 8 in einer Entspannungsmaschine X2 und einer Verdichtung in einem Verdichter C3 unterworfen, wobei die Verdichtung des Stickstoffs unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Anteils des Gemischkältemittels geleisteten Arbeit in der Entspannungsmaschine X1 erfolgt. Die Entspannung des Stickstoffs erfolgt arbeitsleistend in einer Entspannungsmaschine X2, wobei bei der arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffs geleistete Arbeit ebenfalls bei der Verdichtung des Stickstoffs verwendet wird. Die Entspannungsmaschinen X1 und X2 sowie der Verdichter C3 sind hier mechanisch gekoppelt.
  • Der verdichtete Stickstoff wird nacheinander abgekühlt, einem ersten indirekten Wärmetausch in dem Wärmetauscher 19B unterworfen und dabei abgekühlt, der Entspannung unterworfen, einem zweiten indirekten Wärmetausch in dem Wärmetauscher 19A unterworfen und dabei erwärmt, danach wieder dem ersten indirekten Wärmetausch in dem Wärmetauscher 19B unterworfen und dabei erwärmt, und wieder der Verdichtung zugeführt. In dem zweiten indirekten Wärmetausch in dem Wärmetauscher 19A wird dabei das zuvor der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung unterworfene Gas unterkühlt. Zur Nachkühlung des Stickstoffs in dem Stickstoffkreislauf stromab des Verdichters C3 ist ein Wärmetauscher E7 vorgesehen.
  • In der Ausgestaltung gemäß Figur 9, die ansonsten im Wesentlichen der Ausgestaltung der Figur 8 entspricht, erfolgt die Verdichtung des Stickstoffs zweistufig in einem ersten und danach einem zweiten Verdichtungsschritt in Verdichtern C3 und C4, wobei der erste Verdichtungsschritt unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des Stickstoffs in einer Entspannungsmaschine X1 geleisteten Arbeit und der zweite Verdichtungsschritt unter Verwendung der bei der arbeitsleistenden Entspannung des zweiten Anteils des Gemischkältemittels in einer Entspannungsmaschine X2 geleisteten Arbeit erfolgt. In dieser Ausgestaltung sind die Entspannungsmaschine X1 und der Verdichter C4 einerseits und die Entspannungsmaschine X2 und der Verdichter C3 andererseits gekoppelt.
  • Die vorstehend beschriebene Erfindung und ihre erläuterten und insbesondere in den Figuren dargestellten Ausgestaltungen werden nachfolgend nochmals mit anderen Worten beschrieben. Die nachfolgend verwendeten Begriffe können synonym mit den vorstehend verwendeten Begriffen für die jeweils damit bezeichneten Verfahrensschritte, Einrichtungen und Medien stehen. Die nachfolgenden Erläuterungen beschreiben denselben Erfindungsgedanken mit entsprechenden vorteilhaften Weiterbildungen wie die obigen Erläuterungen in zumindest teilweise abweichender Formulierung.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zum Erfassen bzw.Rückgewinnen von Abwärme dar, die in einem Gasverflüssigungsprozess erzeugt wird, umfassend das Verflüssigen eines Gases durch einen Wärmeaustauschprozess unter Verwendung eines Kältemittelfluids, das Verdichten des verbrauchten Kältemittelfluids aus dem Verflüssigungsprozess durch ein Verfahren, das überschüssige Wärme erzeugt, das Verflüssigen zumindest eines Teils des verdichteten Kältemittelfluids, das Pumpen eines Teils des verflüssigten verdichteten Kältemittelfluids auf einen höheren Druck, das Erwärmen des Teils des verflüssigten verdichteten verdichteten Kältemittelfluids mit höherem Druck durch Aufnahme der überschüssigen Wärme, die durch die Verdichtung des verbrauchten Kältemittelfluids erzeugt wird, wodurch der Teil des verdichteten Kältemittelfluids mit höherem Druck überhitzt wird, und das Verwenden des überhitzten verdichteten Kältemittelfluids in einer arbeitsleistenden Entspannung.
  • Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gilt für ein Erdgasverflüssigungsverfahren mit mindestens einem Verdichter, der im Kältemittelkreislauf für den kryogenen Prozess der Erdgasverflüssigung eingesetzt wird. Die vorliegendene Erfindung verwendet einen Verdichter im Kältemittelkreislauf, wobei der Verdichter von einer Gasturbine oder einer ähnlichen Energiequelle angetrieben wird, die bei der Erzeugung von Leistung zum Betrieb des Verdichters Abwärme erzeugt. Die vorliegendene Erfindung verwendet einen Arbeitsexpander, wobei der Fluidkreislauf für den Arbeitsexpander verwendet wird, um die Abwärme der Gasturbine oder einer ähnlichen Leistungsquelle aufzunehmen, die den Verdichter im Kältemittelkreislauf antreibt. Entsprechend der Erfindung wird der Fluidkreislauf für den Arbeitsexpander sowohl unter Druck gesetzt als auch erwärmt, damit der Fluidkreislauf die im Abgasstrom der Gasturbine vorhandene Abwärme oder andere Abwärme der Leistungsquelle, die den Verdichter im Kältekreislauf antreibt, aufnehmen kann. Das dabei entstehende überhitzte Fluid, das aus dem Rückgewinnungsprozess für die Abwärmeenergie entsteht, wird dann als Energiequelle für den Antrieb des Arbeitsexpanders verwendet.
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung wird das im Fluidkreislauf für den Arbeitsexpander verwendete Fluid auch für den Kältemittelkreislauf verwendet. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird zusätzlich ein zweiter Verdichter im Kältemittelkreislauf eingesetzt, wobei der zweite Verdichter durch den Arbeitsexpander angetrieben wird. Dementsprechend wird erfindungsgemäß das Kältemittelfluid, das im kryogenen Prozess zur Verflüssigung für Erdgas verwendet wird, auch zum Aufnehmen von Abwärme verwendet, die zum Antreiben des ersten Verdichters erzeugt wird, um Leistung zum Antreiben des Arbeitsexpanders bereitzustellen, der wiederum den zweiten Verdichter antreibt, um das Kältemittelfluid weiter zu verdichten. Dementsprechend bietet diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung Vorteile gegenüber anderen Systemen zur Erfassung von Abwärmeenergie. So erfordert die vorliegenden Erfindung weder die Einführung zusätzlicher Arbeitsflüssigkeiten, wie z.B. Wasser, noch die Zugabe anderer Flüssigkeiten (z.B. Dampf, Ammoniak, Propan, etc.) in geschlossenen Kreisläufen.
  • In einem nicht veranschaulichten Erdgasverflüssigungsprozess gemäß dem Stand der Technik, bei dem ein einzelnes Gemischkältemittel (SMR) mit einem zweistufigen SMR-Verdichtungsprozess verwendet wird, kann vorgesehen sein, dass zwei Verdichter C1 und C2 von einer einzigen Gasturbine GT1 angetrieben werden. Dabei führt ein kryogener Teil des Prozesses die Verflüssigung des Erdgases durch einen Wärmeaustauschprozess mit einem gemischten Kältemittel durch. Im Erdgasverflüssigungsprozess wird das gemischte Kältemittel verdichtet, gekühlt und teilweise verflüssigt, bevor es im kryogenen Prozess recycelt wird. In einem Behälter D1 kann gemischtes Kältemittel, das durch den kryogenen Teil abgegeben wird, gesammelt werden, welches dann in den ersten Verdichter C1 und den Wärmetauscher E1 geleitet wird. In einem entsprechenden zweistufigen Verdichtungsprozess wird der flüssige Anteil des ersten Verdichters C1 und eines Wärmetauschers E1 in einem Speicher Behälter D2 gesammelt, wobei der Dampfanteil des ersten Verdichters C1 über den zweiten Verdichter C2 und einen Wärmetauscher E2 in die zweite Stufe des Prozesses eingespeist wird. Der resultierende Anteil wird aus dem zweiten Verdichter C2 und dem Wärmetauscher E2 vereinigt und in einem Behälter D3 gesammelt. Die beiden in den Behältern D2 und D3 gesammelten Fraktionen können in den kryogenen Teil eingespeist werden, um den Verflüssigungsprozess von Erdgas durch einen Wärmetauschprozess durchzuführen.
  • Abbildung 2 stellt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in einem Erdgasverflüssigungsprozess dar, in der ein einzelnes gemischtes Kältemittel (SMR) mit einem zweistufigen SMR-Verdichtungsprozess verwendet wird. In Figur 2 wird der zweite Verdichter C2 von einem Arbeitsexpander X1 anstelle einer Gasturbine angetrieben. Der Arbeitsexpander X1 wird von überhitztem Fluid angetrieben, das von einem Wärmetauscher E4 zugeführt wird. Die vom Arbeitsexpander X1 abgegebene Flüssigkeit wird durch einen Economizer bzw. Abwärmetauscher E3 gekühlt und dann mit dem vom ersten Verdichter C1 erzeugten Kältemittel vereinigt. Die vereinigten Flüssigkeiten werden dann durch einen Wärmetauscher E1 oder dergleichen weiter gekühlt und in einem Behälter D2 gesammelt. Ein Teil der im Behälter D2 gesammelten kombinierten Flüssigkeiten wird dann von der Pumpe P1 zum Wärmetauscher E3 gefördert. Das in den Abwärmetauscher E3 gepumpte gekühlte Fluid wird erwärmt und anschließend in den Wärmetauscher E4 geleitet. Der Wärmetauscher E4 ist in Fluidverbindung mit dem warmen Abgas der Gasturbine GT1, die den ersten Verdichter C1 antreibt. Dabei nutzt der Wärmetauscher E4 die Wärme aus dem Abgas der Gasturbine GT1, um die dem Wärmetauscher E4 zugeführte erwärmte Flüssigkeit aus dem Abwärmetauscher E3 zu überhitzen. Das überhitzte Fluid aus dem Wärmetauscher E4 wird dann in den Arbeitsexpander X1 geleitet, um den zweiten Verdichter C2 anzutreiben.
  • In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der kryogene Teil mit Wickelwärmetauschern (CWHEs), gelöteten Platten-Wärmetauschern (PFHEs) oder einer Kombination davon ausgelegt werden. Abbildung 3 ist beispielsweise eine Veranschaulichung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Einzel-Gemischkältemittel-(SMR-)Konfiguration unter Verwendung von gelöteten Platten-Wärmetauschern (PFHEs) im kryogenen Teil.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung, die in Figur 1 dargestellt ist, wird ein Teilstrom von 30 bis 90 Vol.-% des austretenden Flüssigkeitsbehälters D2 mittels der Pumpe P1 auf das mindestens Dreifache des Drucks im Speicher D2 gepumpt. Der Hochdruckstrom der Pumpe P1 wird dann von einem Abwärmetauscher E3 erwärmt und dem Überhitzer E4 zugeführt. Der Überhitzer E4 gewinnt die Abwärme aus dem Abgasstrom der Gasturbine GT1 und erwärmt den Hochdruckstrom aus dem Abwärmetauscher E3 auf mindestens 180 °C, vorzugsweise mindestens 200 °C. Das heiße Gas aus dem Überhitzer E4 wird dann in den Arbeitsexpander X1 eingespeist und auf einen Druck reduziert, der leicht über dem Betriebsdruck des Speichers D2 liegt. In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Druck des den Arbeitsexpander X1 verlassenden Stroms hoch genug, um den Druckabfall in den Wärmetauschern E3 und E1 zu überwinden, die noch auf den Druck in D2 treffen. Der aus dem Arbeitsexpander X1 austretende Strom wird dann gekühlt und zumindest teilweise durch den Economizer E3 und den Wärmetauscher E1 kondensiert und anschließend in den Speicher D2 zurückgeführt. Die vom Arbeitsexpander X1 erzeugte Wellenleistung wird verwendet, um den Verdichter C2 anzutreiben, um das Kältemittel zu verdichten, das dann in den kryogenen Teil des Prozesses eingespeist wird.
  • Wie zu der in Figur 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung erläutert, führt das Druckverhältnis von mindestens dem Dreifachen des Saugdrucks im Behälter D2, das durch die Pumpe P1 erzeugt wird, zu einem ähnlichen, nur geringfügig niedrigeren Druckverhältnis im Arbeitsleistenden X1, das ein bevorzugter Arbeitsbereich für einen arbeitsleistenden Expander ist. Darüber hinaus kann der Eingangsdruck des Arbeitsexpanders X1 unter einem Druck von 100 bar gehalten werden, was eine kostengünstige mechanische Konstruktion ermöglicht. Darüber hinaus sorgt der von der Pumpe P1 erzeugte erhöhte Druck dafür, dass der Arbeitsexpander X1 einen Eingangsdruck erhält, der deutlich über dem kritischen Druck des Fluids liegt, und vermeidet so Zweiphaseneffekte innerhalb des Fluids. In Ausführungsformen der in den Abbildungen 1 bis 9 dargestellten Erfindung wird das Kältemittel im Prozess für zwei Prozesse verwendet, den Erdgasverflüssigungsprozess im kryogenen Bereich und den Prozess der Rückgewinnung der von der Gasturbine erzeugten Abwärme zum Antreiben des Kältemittelverdichtungsprozesses. Weitere Verbesserungen können an der vorliegenden Erfindung vorgenommen werden, um die Leistung der vorliegenden Erfindung zu verbessern. So könnte beispielsweise die Leistung des Arbeitsexpanders X1 durch Zusatzfeuerung einer zusätzlichen Wärmequelle in die Rauchgaskanäle der Gasturbine GT1 erhöht werden. Die vom arbeitsleistenden Expander X1 durchgeführte arbeitsleistende Entspannung kann in aufeinanderfolgende Schritte aufgeteilt werden, mit oder ohne die Notwendigkeit, das Arbeitsfluid nach Belieben erneut zu erwärmen.
  • In anderen Ausführungsformen der Erfindung könnte die vom Arbeitsexpander X1 erzeugte Wellenleistung zum Antreiben anderer Prozesse verwendet werden, wie beispielsweise eines Stromerzeugers, einer Speisegasverdichtung, einer endständigen Flashgasverdichtung, einer beliebigen Art von Kältemittelverdichtung oder einer anderen Dienstleistung, die Strom benötigt.
  • Das gesamte Kühlsystem wird mindestens ein Kältemittel aufweisen, das entweder aus einer reinen Komponente oder einem Gemisch von Komponenten besteht, wobei das Kältemittel in einer Ausführungsform der Erfindung bei Umgebungstemperatur zumindest teilweise kondensiert werden kann. In einer Ausführungsform der Erfindung könnten die zulässigen Kältemittelkomponenten Stickstoff und leichte paraffinische oder olefinische Kohlenwasserstoffe von C1 bis C5 (wie CH4, C2H4, C2H6, C2H6, C3H6, C3H8, iC4H10, nC4H10, nC4H10, iC5H12, nC5H12, nC5H12, etc.) beinhalten. Das Kühlsystem kann auch mehr als einen Kreislauf beinhalten, wobei die zusätzlichen Kreisläufe reine Kältemittelkreisläufe und/oder gemischte Kältemittelkreisläufe und/oder Gasentspannungskreisläufe sind.
  • Abbildung 4 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer dualen gemischten Kältemittelkonfiguration (DMR) mit drei Wickelwärmetauschern (CWHEs) im kryogenen Bereich und einer einzelnen Gasturbine GT1, die für beide Gemischkältemittelkreisläufe verwendet wird. Wie in Figur 6 dargestellt, entkoppelt die Konfiguration einen Hochdruckverdichter C2 von den Niederdruckverdichtern C1A, C1B, die von einer gemeinsamen Welle angetrieben werden, welcher von der Gasturbine GT1 angetrieben wird. Diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erübrigt auch die Notwendigkeit eines Getriebes, das erforderlich wäre, um den Verdichter C2 mit einem höheren Druck und einer höheren Betriebsdrehzahl zu betreiben, wenn der Verdichter C2 eine ähnliche Kapazität wie der Verdichter C1A oder C1B aufweist.
  • Abbildung 5 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer dualen Gemischkältemittelkonfiguration (DMR) mit drei Wickelwärmetauschern (CWHEs) im kryogenen Teil, wobei die Verdichter C1A und C1B von unabhängigen Gasturbinen GT1A und GT1B angetrieben werden, wobei die Abwärme der beiden Gasturbinen GT1A und GT1B in den Wärmetauschern E4A und E4B verwendet wird, um die in den Arbeitsmaschinen X1 eingespeiste Flüssigkeit zu überhitzen. Ein Vorteil der Ausführungsform der in Figur 5 dargestellten Erfindung ist die Fähigkeit, eine höhere Leistung des Arbeitsexpanders X1 zum Antreiben des Verdichters C2 zu erreichen.
  • Abbildung 6 ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer C3MR-Konfiguration (propanvorgekühltes gemischtes Kältemittel) mit einem einzelnen Wickelwärmetauscher (CWHEs) im kryogenen Teil. In Abbildung 8 werden die Kompressoren C1A und C1B durch unabhängige Leistungsmechanismen angetrieben, wobei die Abwärme der Gasturbine GT1, die den Kompressor C1B antreibt, zur Überhitzung des dem Arbeitsexpander X1 zugeführten Fluids verwendet wird. Die in Figur 8 dargestellte Ausführungsform würde ein geeignetes Fluid, wie Propan, Propylen oder andere Kohlenwasserstoffe, für den Vorkühlprozess verwenden. Alternativ, wie in Abbildung 7 dargestellt, können die Verdichter C1A und C1B von einer gemeinsamen Gasturbine GT1 angetrieben werden.
  • In anderen Ausführungsformen der Erfindung, in denen das Kühlsystem mehr als einen Kreislauf beinhaltet, können die zusätzlichen Kreisläufe reine Kältemittelkreisläufe, gemischte Kältemittelkreisläufe und/oder Gasexpansionskreisläufe sein. Darüber hinaus können in anderen Konfigurationen eine oder mehrere Gasturbinen parallel oder in Serie betrieben werden. Die Abbildungen 8 und 9 veranschaulichen beispielsweise eine alternative Anwendung der vorliegenden Erfindung für einen Gasverflüssigungsprozess mit einem zweistufigen kryogenen Verfahren. In den in den Figuren 8 und 9 dargestellten Ausführungsformen wird ein Gemischkältemittelkreislauf zur Vorkühlung und Verflüssigung und ein Gasexpansionsprozess zur Unterkühlung des Erdgases in separaten Stufen des kryogenen Prozesses verwendet.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Gases (1), wobei das Gas im indirekten Wärmetausch (11, 13, 16 - 18) mit einem Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes einer Abkühlung und Verflüssigung unterworfen wird und zumindest ein Teil des Kältemittels nach dem Wärmetausch mit dem Gas einer Verdichtung (C1, C1A, C1B) unter Verwendung eines Abwärme erzeugenden Antriebs (GT1, GT1A, GT1B) sowie einer teilweisen oder vollständigen Verflüssigung (E1) unterworfen wird, und nach der teilweisen oder vollständigen Verflüssigung ein erster Anteil des Kältemittels dem Wärmetausch mit dem Gas unterworfen wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Anteil des Kältemittels (R) nacheinander einer Druckbeaufschlagung (P1), einer Erwärmung (E4, E4A, E4B) unter Verwendung der Abwärme des Antriebs (GT1, GT1A, GT1B) und einer arbeitsleistenden Entspannung (X1) unterworfen und danach dem Kältemittelkreislauf wieder zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein Gemischkältemittel in einem oder mehreren Gemischkältemittelkreisläufen als das Kältemittel verwendet wird und/oder bei dem Erdgas oder ein unter Verwendung von Erdgas gebildetes Gasgemisch als das Gas (1) verwendet wird und/oder bei dem eine Gasturbine als der Abwärme erzeugende Antrieb (GT1, GT1A, GT1B) verwendet wird.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem bei der arbeitsleistenden Entspannung (X1) geleistete Arbeit zusätzlich zu dem Antrieb (GT1, GT1A, GT1B) bei der Verdichtung desselben Kältemittels verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem die Verdichtung des Kältemittels einen ersten Verdichtungsschritt auf ein erstes Druckniveau (C1, C1A, C1B) und einen zweiten Verdichtungsschritt auf ein zweites Druckniveau (C2) oberhalb des ersten Druckniveaus umfasst, wobei der Antrieb (GT1, GT1A, GT1B) in dem ersten Verdichtungsschritt und die bei der arbeitsleistenden Entspannung (X1) geleistete Arbeit in dem zweiten Verdichtungsschritt verwendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der erste und zweite Anteil jeweils Anteile eines ersten Kältemittels sind und bei dem bei der arbeitsleistenden Entspannung (X1) geleistete Arbeit bei der Verdichtung eines zweiten Kältemittels verwendet wird, wobei das erste Kältemittel ein Reinstoffkältemittel und das zweite Kältemittel ein Gemischkältemittel ist, oder wobei das erste Kältemittel ein Gemischkältemittel und das zweite Kältemittel Stickstoff ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Kältemittel zumindest teilweise dem ersten Verdichtungsschritt (C1, C1A, C1B) und anschließend unter Erhalt einer ersten Flüssigfraktion und einer ersten Gasfraktion zumindest teilweise einer ersten Teilverflüssigung (E1) unterworfen wird, wobei die erste Gasfraktion zumindest teilweise dem zweiten Verdichtungsschritt (C2) und anschließend unter Erhalt einer zweiten Flüssigfraktion und einer zweiten Gasfraktion zumindest teilweise einer zweiten Teilverflüssigung (E2) unterworfen wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der zweite Anteil des Kältemittels (R) nach dessen arbeitsleistender Entspannung (X1) zumindest teilweise mit dem Kältemittel oder einem Teil hiervon vereinigt wird, bevor dieses oder dieser einer Abkühlung (E1) für die erste Teilverflüssigung unterworfen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, bei dem der zweite Anteil des Kältemittels (R) vor dessen arbeitsleistender Entspannung zumindest teilweise einem indirekten Wärmetausch (E3) mit dem zweiten Anteil des Kältemittels oder einem Teil hiervon unterworfen wird, nachdem dieser der arbeitsleistender Entspannung unterworfen wurde und bevor dieser mit der ersten Gasfraktion vereinigt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem die zweite Flüssigfraktion zumindest teilweise entspannt (V1) und mit dem in dem ersten Verdichtungsschritt (C1, C1A, C1B) verdichteten Kältemittel vereinigt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem für die Abkühlung und Verflüssigung des Gases (1) im indirekten Wärmetausch (11, 13, 16 - 18) mit dem Kältemittel ein Wärmetauscher mit mehreren Abschnitten oder mehrere Wärmetauscher verwendet werden, worin der erste Anteil des Kältemittels und die zweite Gasfraktion oder Teile hiervon auf unterschiedliche Temperaturniveaus weiter abgekühlt und nach einer Entspannung wieder erwärmt werden.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem bei der arbeitsleistenden Entspannung (X1) geleistete Arbeit zusätzlich zu dem Antrieb (GT1, GT1A, GT1B) bei der Verdichtung eines weiteren Kältemittels verwendet wird, mit dem das Gas (1) der Abkühlung und Verflüssigung im indirekten Wärmetausch (11, 13, 16 - 18) unterworfen wird.
EP20713167.3A 2019-04-01 2020-03-12 Verfahren zum verflüssigen eines gases Active EP3948122B1 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB1904525.1A GB2582763A (en) 2019-04-01 2019-04-01 Method and device for the recovery of waste energy from refrigerant compression systems used in gas liquefaction processes
EP19020458.6A EP3719425A1 (de) 2019-04-01 2019-08-02 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases
PCT/EP2020/025127 WO2020200516A1 (de) 2019-04-01 2020-03-12 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases

Publications (3)

Publication Number Publication Date
EP3948122A1 EP3948122A1 (de) 2022-02-09
EP3948122C0 EP3948122C0 (de) 2026-02-25
EP3948122B1 true EP3948122B1 (de) 2026-02-25

Family

ID=66443005

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19020458.6A Withdrawn EP3719425A1 (de) 2019-04-01 2019-08-02 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases
EP20713167.3A Active EP3948122B1 (de) 2019-04-01 2020-03-12 Verfahren zum verflüssigen eines gases

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP19020458.6A Withdrawn EP3719425A1 (de) 2019-04-01 2019-08-02 Verfahren und anlage zum verflüssigen eines gases

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20220170695A1 (de)
EP (2) EP3719425A1 (de)
CN (1) CN113710978A (de)
AU (1) AU2020255798B2 (de)
GB (1) GB2582763A (de)
WO (1) WO2020200516A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4332063A1 (de) * 2022-09-02 2024-03-06 Linde GmbH Verfahren und anlage zur herstellung von ammoniak

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4970867A (en) * 1989-08-21 1990-11-20 Air Products And Chemicals, Inc. Liquefaction of natural gas using process-loaded expanders
US6308531B1 (en) * 1999-10-12 2001-10-30 Air Products And Chemicals, Inc. Hybrid cycle for the production of liquefied natural gas
US6691531B1 (en) * 2002-10-07 2004-02-17 Conocophillips Company Driver and compressor system for natural gas liquefaction
AU2003258212B2 (en) * 2003-06-05 2009-03-19 Fluor Technologies Corporation Liquefied natural gas regasification configuration and method
US20080216510A1 (en) * 2006-08-22 2008-09-11 David Vandor Combined Cycle System For Gas Turbines and Reciprocating Engines and a Method for the Use of Air as Working Fluid in Combined Cycle Power Plants
US8464551B2 (en) * 2008-11-18 2013-06-18 Air Products And Chemicals, Inc. Liquefaction method and system
US20100147024A1 (en) * 2008-12-12 2010-06-17 Air Products And Chemicals, Inc. Alternative pre-cooling arrangement
AU2010222763A1 (en) * 2009-03-09 2011-09-22 Bp Alternative Energy International Limited Separation of carbon dioxide and hydrogen
DE102009018248A1 (de) * 2009-04-21 2010-10-28 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion
GB2479940B (en) * 2010-04-30 2012-09-05 Costain Oil Gas & Process Ltd Process and apparatus for the liquefaction of natural gas
CN102374153B (zh) * 2010-08-19 2014-04-02 大连冷星企业有限公司 螺杆式与活塞式混合双级压缩机组及中间容器
US10443927B2 (en) * 2015-09-09 2019-10-15 Black & Veatch Holding Company Mixed refrigerant distributed chilling scheme
DE102016000393A1 (de) * 2015-10-01 2017-04-06 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion
CA3003614A1 (en) * 2015-11-06 2017-05-11 Fluor Technologies Corporation Systems and methods for lng refrigeration and liquefaction
GB2547927B (en) * 2016-03-03 2018-05-23 Rolls Royce Plc Supercritical fluid heat engine
CN106091574B (zh) * 2016-06-02 2018-10-30 成都深冷液化设备股份有限公司 一种带压缩热回收的气体液化装置及其液化方法
FR3053770B1 (fr) * 2016-07-06 2019-07-19 Saipem S.P.A. Procede de liquefaction de gaz naturel et de recuperation d'eventuels liquides du gaz naturel comprenant un cycle refrigerant semi-ouvert au gaz naturel et deux cycles refrigerant fermes au gaz refrigerant

Also Published As

Publication number Publication date
GB2582763A (en) 2020-10-07
WO2020200516A1 (de) 2020-10-08
EP3948122C0 (de) 2026-02-25
EP3719425A1 (de) 2020-10-07
AU2020255798B2 (en) 2025-10-23
EP3948122A1 (de) 2022-02-09
CN113710978A (zh) 2021-11-26
WO2020200516A8 (de) 2021-11-25
AU2020255798A1 (en) 2021-10-28
US20220170695A1 (en) 2022-06-02
GB201904525D0 (en) 2019-05-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102008005978B4 (de) Niedertemperaturkraftwerk und Verfahren zum Betreiben eines thermodynamischen Zyklus
DE69000702T2 (de) Erdgasverfluessigung mit hilfe einer prozessbelasteten expansionsmaschine.
DE69935087T2 (de) Einlassluftkühlung für Gas-Dampf Kombikraftwerk
DE60017951T2 (de) Hybridkreislauf zur Herstellung von flüssigem Erdgas
DE69313022T2 (de) Verflüssigungsverfahren
DE60016536T2 (de) Gasverflüssigungsverfahren durch partiel Kondensation von gemischtem Kältemittel bei zwischengelagerten Temperaturen
DE2524179A1 (de) Verfahren und anlage zur kuehlung eines gasgemisches
EP3129613B1 (de) Verfahren und anlage zum speichern und rückgewinnen von energie
EP2880267B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie
DE2158614A1 (de) Kombiniertes Kühlsystem für mehrstufige Kühlungen
EP2867599A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie
EP2634383A1 (de) Verfahren und Anordnung zur Speicherung von Energie
DE3706733A1 (de) Gastrennungsverfahren mit einzeldestillationskolonne
EP2835507B1 (de) Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Energieerzeugungsanlage
EP2880268A2 (de) Verfahren und vorrichtung zur erzeugung elektrischer energie
DE10226596A1 (de) Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes mit gleichzeitiger Gewinnung einer C3+-reichen Fraktion mit hoher Ausbeute
EP2199671A1 (de) Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von Wasserdampf
DE10119761A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Verflüssigung von Erdgas
EP3948122B1 (de) Verfahren zum verflüssigen eines gases
DE10055202A1 (de) Dampfkraft-/Arbeitsprozeß mit erhöhtem mechanischen Wirkungsgrad für die Elektroenergiegewinnung im Kreisprozeß sowie Anordnung zu seiner Durchführung
DE69808087T2 (de) Zweistufiges kaltekreislauf mit multikomponent kaltemittel
DE602004006465T2 (de) Verfahren zur Behandlung von Rauchgasen
DE102012020469A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Methan aus einem Synthesegas
DE102012110579B4 (de) Anlage und Verfahren zur Erzeugung von Prozessdampf
DE2638084A1 (de) Verfahren zur isentropen expansion von gasen

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20210928

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)
GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: GRANT OF PATENT IS INTENDED

INTG Intention to grant announced

Effective date: 20250922

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE PATENT HAS BEEN GRANTED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

REG Reference to a national code

Ref country code: CH

Ref legal event code: F10

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: U-0-0-F10-F00 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

Effective date: 20260225

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R096

Ref document number: 502020012740

Country of ref document: DE

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: LANGUAGE OF EP DOCUMENT: GERMAN

U01 Request for unitary effect filed

Effective date: 20260311

U07 Unitary effect registered

Designated state(s): AT BE BG DE DK EE FI FR IT LT LU LV MT NL PT RO SE SI

Effective date: 20260317