Die Herstellung von verflüssigtem Erdgas (liquefied natural gas = LNG) wird durch Kühlen und Kondensieren eines Beschickungsgasstroms gegen mehrere Kältemittelströme, die durch umlaufende Kälteerzeugungssysteme bereitgestellt werden; erreicht. Das Kühlen der Erdgasbeschickung erfolgt durch verschiedene Kühlzyklen wie den bekannten Kaskadenzyklus, in dem die Kälte durch drei unterschiedliche Kälteerzeugungskreise erzeugt wird. Ein solcher Kaskadenzyklus verwendet Methan-, Ethylen- und Propanzyklen nacheinander, um auf drei unterschiedlichen Temperaturniveaus Kälte zu erzeugen. Ein anderer bekannter Kälteerzeugungszyklus verwendet einen mit Propan vorgekühlten Zyklus mit gemischten Kältemitteln, in dem ein Multikomponentengemisch aus Kältemitteln Kälte über einen ausgewählten Temperaturbereich erzeugt. Das gemischte Kältemittel kann Kohlenwasserstoffe wie Methan, Ethan, Propan und andere leichte Kohlenwasserstoffe sowie auch Stickstoff enthalten. Versionen dieses effizienten Kälteerzeugungssystems werden in vielen LNG-Anlagen auf der ganzen Welt verwendet.

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

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

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

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

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

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

Das deutsche Patent DE 24 40 215 offenbart ein Verfahren zur Verflüssigung von Stickstoffgas. Dieses verwendet ein erstes Kälteerzeugungssystem, umfassend einen umlaufenden Kälteerzeugungskreislauf und ein zweites Kälteerzeugungssystem, das die Kälte durch Kaltexpandieren eines unter Druck gesetzten gasförmigen Stroms erzeugt. Das erste Kälteerzeugungssystem verwendet ein Kältemittel, das komprimiert, gekühlt und in eine erste Dampfkomponente und eine zweite Dampfkomponente getrennt wird, welche beide beim gleichen Druck expandiert werden, um Kälte in einem ersten Temperaturbereich zu erzeugen.

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

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

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

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

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

Das erste Kälteerzeugungssystem wird betrieben durch:

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

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

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

1 ist ein schematisches Fließdiagramm eines beispielhaften Verfahrens.

2 ist ein schematisches Fließdiagramm einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Sie verwendet einen zusätzlichen flüssigen gemischten Kältemittelstrom im Dampfrekompressions-Kälteerzeugungkreislauf.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Die Kälte, die zum Kühlen des Erdgases von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von etwa –100°C erforderlich ist, wird durch einen Multikomponenten-Kälteerzeugungskreislauf der vorstehend beschriebenen Art erzeugt. Der Strom 146 ist das gemischte Kältemittel mit hohem Druck, das bei Umgebungstemperatur und einem typischen Druck von etwa 38 bara in den Wärmetauscher 106 eintritt. Das Kältemittel wird in den Wärmetauschern 106 und 122 auf eine Temperatur von etwa –100°C gekühlt und tritt als Strom 148 aus. Der Strom 148 wird in dieser Ausführungsform in zwei Teile geteilt. Bei einem kleinerer Teil, typischerweise etwa 4 %, wird der Druck adiabatisch auf etwa 100 bara verringert. Dann wird er als Strom 149 in den Wärmetauscher 150 eingeleitet, um wie nachstehend beschrieben zusätzliche Kühlung zur Verfügung zu stellen. Auch beim größeren Teil des Kältemittels, dem Strom 124, wird der Druck adiabatisch auf einen typischen Wert von etwa 10 bara verringert. Dann wird er in das kalte Ende des Wärmetauschers 106 eingeleitet. Das Kältemittel fließt nach unten und verdampft im Inneren 109 des Wärmetauscher 106 und tritt mit etwas weniger als Umgebungstemperatur als Strom 152 aus. Der Strom 152 wird dann wieder mit dem kleineren Strom 154 kombiniert, der im Wärmetauscher 150 verdampft und auf nahezu Umgebungstemperatur erwärmt wurde. Der kombinierte Strom 156 mit niedrigem Druck wird dann im zwischengekühlten Mehrstufenkompressor 158 wieder auf den Enddruck von etwa 38 bara komprimiert. Im Zwischenkühler des Kompressors kann sich Flüssigkeit bilden, und diese Flüssigkeit wird abgetrennt und wieder mit dem Hauptstrom 160 kombiniert, der an der Endstufe der Kompression austritt. Dann wird der kombinierte Strom wieder auf Umgebungstmperatur gekühlt, um den Strom 146 zu ergeben.

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

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

2 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in der der gemischte Hochdruck-Kältemittelstrom 146 in die flüssigen und dampfförmigen Unterströme 500 und 501 getrennt wird.

Der dampfförmige Strom 501 wird auf etwa –100°C gekühlt, im Wesentlichen verflüssigt und sein Druck auf einen niedrigen Wert von etwa 3 bara verringert. Dann wird er als Strom 503 verwendet, um Kälte zu erzeugen. Der flüssige Strom 500 wird auf etwa 30°C gekühlt, auf einen Zwischendruck von etwa 9 bara entspannt und als Strom 502 verwendet, um Kälte zu erzeugen. Ein kleinerer Teil des gekühlten Dampfstroms 505 wird als Strom 504 verwendet, um, wie bereits beschrieben, zusätzliche Kälte für die Wärmetauscher 150 zu erzeugen.

Die beiden verdampften gemischten Niederdruck-Kältemittelströme werden kombiniert, um den Strom 506 zu bilden, der dann bei einer Temperatur von etwa –30°C kalt auf einen Zwischendruck von etwa 9 bara komprimiert und mit dem verdampften Strom 507 mit mittlerem Druck kombiniert wird. Das resultierende Gemisch wird dann weiter auf einen Enddruck von etwa 50 bara komprimiert. In dieser Ausführungsform wird Flüssigkeit im Zwischenkühler des Kompressors gebildet, und diese Flüssigkeit wird wieder mit dem Hauptstrom kombiniert, der aus der endgültigen Kompressionsstufe austritt.

Gegebenenfalls könnte der gemischte Stickstoffstrom 510 gekühlt werden, ehe er in den Wärmetauscher 150 eintritt, indem man den unterkühlten flüssigen Kältemittelstrom 511 (nicht gezeigt) einsetzt. Der Druck eines Teils des Stroms 511 könnte verringert und dieser verdampft werden, um den Strom 510 durch indirekten Wärmeaustausch zu kühlen. Alternativ könnte der Strom 510 mit anderen Prozessströmen im Wärmetauscher gekühlt werden, der durch den verdampfenden Kältemittelstrom 502 gekühlt wird.

Die vorstehend anhand einer Ausführungsform beschriebene und in 2 veranschaulichte Erfindung kann viele verschiedene Wärmetauschervorrichtungen in den Kälteerzeugungskreisläufen verwenden, darunter Wärmetauscher vom Typ gewundene Spiralen, Platten-Lamellen, Gehäuse und Röhre, sowie der Kesseltyp. Je nach der spezifischen Anwendung können auch Kombinationen dieser Wärmetauschertypen verwendet werden. Beispielsweise können in 1 alle vier Wärmetauscher 106, 122, 128 und 150 Wärmetauscher in Form einer gewundenen Spirale sein. Alternativ können die Wärmetauscher 106, 122 und 128 Wärmetauscher in Form einer gewundenen Spirale und der Wärmetauscher 150 ein Wärmetauscher in Platten-Lamellenform gemäß 1 sein.

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

Die wesentlichen Eigenschaften der Erfindung sind in der vorstehenden Offenbarung vollständig beschrieben. Ein Fachmann wird die Erfindung verstehen und verschiedene Abwandlungen daran vornehmen können, ohne den Rahmen und die Äquivalente der folgenden Ansprüche zu verlassen.