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DE2014776A1 - Liquid carbon dioxide as coolant for natural gas - Google Patents

Liquid carbon dioxide as coolant for natural gas

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Publication number
DE2014776A1
DE2014776A1 DE19702014776 DE2014776A DE2014776A1 DE 2014776 A1 DE2014776 A1 DE 2014776A1 DE 19702014776 DE19702014776 DE 19702014776 DE 2014776 A DE2014776 A DE 2014776A DE 2014776 A1 DE2014776 A1 DE 2014776A1
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DE
Germany
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natural gas
carbon dioxide
methane
liquid
coolant
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE19702014776
Other languages
English (en)
Inventor
Rudolf Dipl.-Ing. Dr. 8000 München. P Becker
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
Priority to DE19702014776 priority Critical patent/DE2014776A1/de
Publication of DE2014776A1 publication Critical patent/DE2014776A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
20H776
5B9) H 70/23
Str/Kp 26.3.1970
Verwendung von flüssigem Kohlendioxid als Kälteträger beim Verflüssigen und Wiederverdampfen von Methan oder Erdgas.
Es ist bekannt, Erdgas vom Fundort in Pipelines an einen Verladeort zu befördern, es dort zu verflüssigen und in drucklosen, isolierten Behältern, die in Spezialschiffen fest verankert sind, zu den Verbrauchsländern zu transportieren. Dort wird das Erdgas unter Wärmezufuhr verdampft und in ein Lei-* tungsnetz eingespeist. Um die zur Verflüssigung des Erdgases benötigte Energie aufzubringen und gleichzeitig größere Investitionen am Verladeort zu vermeiden, 1st es weiter bekannt, das Erdgas im Verbrauchsland im Wärmeaustausch mit unter Druck stehendem Stickstoff zu verdampfen, den dabei verflüssigten
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Stickstoff zu entspannen und ihn in den gleichen Behältern, die zum Transport des flüssigen Erdgases in das Verbrauchsland gedient haben, an den Verladeort zu befördern, wo er im Wärmeaustausch mit Erdgas, welches sich dabei abkühlt und verflüssigt, verdampft und angewärmt wird. Flüssiger Stickstoff dient also als Kälteträger, mit dessen Hilfe die am Ort des Erdgasverbrauchers vom flüssig angelieferten Erdgas abgegebene Kälte an den Verladeort zurücktransportiert und dort wiederum auf weitere zu verflüssigende Erdgasmengen übertragen wird. Auch periodische Schwankungen im Erdgas- oder Methanverbrauch lassen sich auf diese Weise ausgleichen, indem nämlich in Zeiten erhöhten Bedarfs Erdgas oder Methan unter Verflüssigung von Stickstoff verdampft und in Zeiten geringen Bedarfs Erdgas oder Methan unter Verdampfung von Stickstoff verflüssigt wird.
Das geschilderte Verfahren besitzt, wie die der Erfindung zugrundeliegenden Berechnungen ergeben haben, den Nachteil, daß sich der Kälteinhalt des flüssigen Erdgases im Verbrauchsland nur unter großem Aufwand an Energie und Apparaturen für die Verflüssigung von Stickstoff nutzbar machen läßt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Möglichkeit zum Transport und/oder zur Lagerung von flüssigem Erdgas oder Methan zu schaffen, die es erlaubt, den Kälteinhalt dieser
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Flüssiggase besser auszunutzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verwendung von flüssigem Kohlendioxid als Kälteträger beim Verflüssigen und Wiederverdampfen von Methan oder ^rdgas zu deren Lagerung und/oder Transport. Um die Bildung von festem Kohlendloxid zu vermeiden, dürfen dabei, so lange Kohlendioxid in flüssiger Phase vorliegt, der Pripelpunktsdruck (5>2θ ata) und die Tripelpunktstemperatur (216,6 K) nicht unterschritten werden. Die Temperatur, auf die sich das Erdgas auf diese Weise abkühlen läßt, liegt somit wenig über 216,6 K, bei einem Ver- dampfungsdruck des Kohlendioxids' von 5*3 a^a also bei 217 K, bei einem Verdampf ungsdruck von 9 ata bei 2^0 K-.. Dabei soll der Druck, unter dem das Kohlendioxid transportiert wird, ebenso wie der Druck, unter dem es wieder verdampft wird, den Tripelpunktsdruck nur.möglichst wenig übersteigen, damit die "Rehälter nicht für einen zji hohen i)ruck ausgelegt sein müssen bzw. eine niedrigere Verdampfungstemperatur gewährleistet ist. .
Der Vorteil, den die Erfindung bietet, beruht darauf, daß das als Kälteträger verwendete flüssige Kohlendioxid einen hohen Siedepunkt besitzt, d.h. daß die Kondensationswärme des Kohlendloxids bei hoher Temperatur frei wird. Das bedeutet, daß
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bei hoher Temperatur eine große Kältemenge aufgenommen werden kann. Das Erdgas kann also einen größeren Teil seines Kälteinhalts bei höherer Temperatur abgeben und damit unter höherem Druck verdampft und «ngewärmt werden. Es steht somit unter höherem Druck für die Einspeisung in das Perngasnetz zur Verfügung. Hinzu kommt, daß die Verdampfungswärme von 1 1 flüssigem Kohlendioxid erheblich größer ist als die von 1 flüssigem Stickstoff, daß also bei Verwendung von flüssigem Kohlendioxid als Kä! teträger mehr Kälte je Volumen Flüssigkeit transportiert werden kann.
Um die Temperatur, auf die das zu verflüssigende Methan oder Erdgas Im Wärmeaustausch mit Kohlendioxid abgekühlt werden kann, noch weiter zu senken, ist es zweckmäßig, zum Verflüssigen von Methan oder Erdgas am Verladeort als kälteabgebendes Medium ein entspanntes Gemisch von flüssigem Kohlendioxid und einem Lösungsmittel zu verwenden.
Dem gleichen Ziel dient eine andere vorteilhafte Ausbildung des Erfindungsgedankens: Danach ist vorgesehen, zur weiteren abkühlung des im Wämreaustausch mit dem verdampfenden Kohlendioxid vorgekühlten Methans oder Erdgases die bei der arbeitsleistenden Entspannung des verdampften und erwärmten Kohlendioxids erzeugte Kälte zu verwenden.
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Mit Hilfe der geschilderten Verfahren gemäß der Erfindung läßt sich der Kältebedarf der Erdgasverflüssigung nur etwa nur Halfte decken. In Fortführung des Erfindungsgedankens verwendet man daher zur weiteren Abkühlung und Verflüssigung des im Wärmeaustausch mit Kohlendioxid vorgekühlten Methans oder Erdgases flüssigen Stickstoff als Kälteträger. Dabei wird am Ort des Erdgasverbrauchs etwa die Hälfte der Transportbehälter eines Tankschiffs mit flüssigem Kohlendioxid und. der Rest mit flüssigem Stickstoff gefüllt. Da flüssiges Kohlendioxid und flüssiger Stickstoff ein größeres spezifisches Gewicht haben als flüssiges Methan, ist beim Transport der.' Kälteträger.; kein Ballast erforderlich.
Eine andere bevorzugte AusfUhrungsform der Erfindung, die. ebenfalls zum Ziel hat, die bei Verwendung von flüssigem Kohlendioxid als Kälteträger zusätzlich^benötigte Kälte aufzubringen, besteht darin, daß man zum weiteren Abkühlen und Verflüssigen des im.Wärmeaustausch mit Kohlendioxid vorgekühlten Methans oder Erdgases die bei der Entspannung von unter Druck stehendem Erdgas erzeugte Kälte verwendet. Auch mit Hilfe eines Kältekreislaufes läßt sich der restliche Kältebedarf am Verladeort deckenj vorzugsweise dient dabei Stickstoff als Kältemittel. Diejenige Kältemenge, die dabei am Verbrauchsort beim Verdampfen und Anwärmen von Erdgas nicht auf das
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Kohlendioxid übertragen wird, kann in der üblichen V/eise durch Wärmeaustausch mit Wasser oder Luft vernichtet werden.
Die Erfindung wird nachstehend anhand dreier Verfahrensschemata beispielsweise erläutert.
Fig. 1 zeigt die Erdgasverdampfung im Verbrauchsland,
Pig. 2 die Erdgasverflüssigung am Verladeort unter Verwendung von flüssigem Kohlendioxid und flüssigem Stickstoff als Kälteträger.
Fig. 5 stellt die Erdgasverflüssigung unter Verdampfung von flüssigem Kohlendioxid in Gegenwart eines Lösungsmittels dar; die Restkälte wird dabei durch einen Kreislauf gedeckt, in dem das Erdgas selbst als Kältemittel dient.
Gemäß Fig. 1 steht das Erdgas flüssig und unter λtmosphärendruck in Leitung 1 zur Verfügung. Es wird in der Pumpe 2 auf 70 ata gefördert, wobei es sich geringfügig auf 115 K erwärmt. Im Wärmeaustauscher J5 gibt es einen Teil seines Kälteinhalts an den durch Leitung 5 ankommenden Stickstoff ab, der in einem nicht gezeichneten Kompressor auf 70 ata verdichtet worden ist. Das
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auf 216 K angewärmte Erdgas tritt nun in das kalte Ende des Wärmeaustauschers 4 ein, dem über das warme Ende durch Leitung 6 gasförmiges Kohlendioxid unter einem Druck von 25 ata zugeführt wird. Im Wärmeaustausch mit dem Erdgas wird das Kohlendioxid verflüssigt und auf 218 K unterkühlt, so daß es anschließend ohne nennenswerte Verdampfung im Ventil 7 auf den vorgesehenen Transportdruck von 5*5 ata entspannt werden kann. Dabei ist zu beachten, daß das Kohlendioxid nicht unter die Tripelpunktstemperatur abgekühlt wird. Dies läßt sieh in bekannter V/eise durch entsprechende Dimensionierung der Wärmeaustauseher und Abstimmung, der miteinander in Wärmeaustauschbeziehung stehenden Gasmengen erreichen.
Im Wärmeaustauscher 4 erfolgt gleichzeitig auch die Vorkühlung desStickstoffs, der anschließend den Wärmeaustauscher 3 passiert und diesen mit einer Temperatur von 120 K verläßt, um im Ventil 8 auf 1,3 a^a entspannt zu werden. Dabei sinkt die Temperatur auf 80 K. Im Abscheider 9 wird die Flüssigkeit gesammelt und über Leitung 10 zum Abfüllen in die Transportbehälter entnommen. Der beim Entspannen verdampfte Stickstoffanteil wird in den Wärmeaustauschern 3 und Λ angewärmt und wieder dem Stickstoffkompressor zugeführt.
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Gemäß Pig. 2 wird HpO-, HpS- und COp-freies Erdgas unter einem Druck von 50 ata durch Leitung 20 zugeführt, in den Wärmeaustauschern 21, 22, 23 und 24 auf 110 K gekühlt und im Ventil 25 auf 1,3 ata entspannt. Die dabei gewonnene Flüssigkeit steht zur Beförderung in die Transportbehälter zur Verfügung. Die Vorkühlung des Erdgases erfolgt durch Wärmeaustausch mit flüssigem Kohlendioxid, welches unter einem Druck von 5·5 ata durch Leitung 26 dem kalten Ende des Wärmeaus tauscher» 22 zugeführt wird. Es verdampft dort zunächst bei einer Temperatur von 218 K; die Temperatur des Erdgases am kalten Ende des Wärmeaustauschers 22 liegt dementsprechend bei 223 K. Das nunmehr gasförmige Kohlendioxid wird auf 250 K angewärmt, um in der Expansionsmaschine 27 auf 1,3 ata entspannt zu werden; dabei sinkt seine Temperatur auf 195 K, so daß das Erdgas im Wärmeaustauscher 23 auf 215 K abgekühlt werden kann. Das gasförmige Kohlendioxid wird schließlich in den Wärmeaustauschern 22 und 21 auf nahezu Umgebungstemperatur angewärmt.
Zur weiteren Abkühlung des Erdgases wird flüssiger Stickstoff als zweiter Kälteträger herangezogen. Er wird der Anlage über Leitung 28 mit Atmosphärendruck zugeführt und in der Pumpe 29 auf 20 ata gefördert, um mit einer Temperatur von 80 K in den Wärmeaustauscher 24 einzutreten. Hier gibt er
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seine Kälte an das zu verflüssigende Erdgas ab und erwärmt sich dabei auf I70 K. Anschließend wird er in der Expansionsmaschine 50 auf 1,5 ata entspannt und mit einer Temperatur von 108 K wieder in das kalte Ende des Wärmeaustauschers 24 eingeführt. Er durchströmt außerdem die Wärmeaustauscher25, 22. und 21, um die Anlage mit etwa Umgebungstemperatur zu verlassen. ■ -
Gemäß Fig. 5 steht in Leitung 50 wiederum vorgereinigtes Erdgas unter einem Druck von 50 ata zur Verfügung. Es wird in den Wärmeaustauschern 51, 52 und 55 auf eine Endtemperatur von 120 K abgekühlt und über das Ventil 54 in den Abscheider.55 entspannt. Dabei sinkt die Temperatur auf 110 K. Die gebildete Flüssigkeit wird über Leitung 56 den Transportbehältern zugeführt, der gasförmige Anteil tritt über Leitung 57 in das kalte Ende des Wärmeaustauschers 55 sin* um das im Wärmeaustausch mit verdampfendem COp vorgekühlte Erdgas zu verflüssigen. Das teilerwärmte entspannte Erdgas wird in den Wärmeaustauschern 52 und 5I weiter bis auf nahezu Umgebungs- ' temperatur angewärmt und über den Kompressor 58 in das zu verflüssigende Gas zurückgeführt.
Im Gegenströmer 52 findet der Wärmeaustausch mit verdampfendem Kohlendioxid statts Das flüssige Kohlendioxid gelangt durch
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Leitung 59 mit einem Druck von 6 ata und einer Temperatur von 220 ν in einen Behälter 60, in den gleichzeitig durch Leitung 61 Methanol eingespeist wird. Bei 62 wird ein Gemisch aus 80 - 90 % Methanol und 20 - 10 % Kohlendioxid entnommen und im Wärmeaustauscher 63 auf I75 K, d.h. so tief gekühlt, daß bei der anschließenden Entspannung auf 1,3 ata im Ventil 64 praktisch kein Kohlendioxid frei wird. Die Anwesenheit des Lösungsmittels verhindert dabei das Ausscheiden von festem Kohlendioxid. Ein kleiner Teil des entspannten Kohlendioxid-Methanol-Gemisehes wird über Leitung 65 abgezweigt und zur Kühlung des noch unter Druck stehenden Gemisches durch den Wärmeaustauscher 63 geführt. Die Hauptmenge tritt über Leitung 66 in das kalte Ende des Wärmeaustauschers 52 ein. Hier wird das Kohlendioxid durch Wärmeaufnahme aus dem Erdgas mit steigender Temperatur aus der Lösung ausgetrieben. Die Lösung erwärmt sich dabei von 175 K auf 220 K, das Erdgas wird auf I80 K abgekühlt. Das Gemisch aus gasförmigem Kohlendioxid und im wesentlichen flüssigem Methanol gelangt vom warmen Ende des Wärmeaustauschers 52 in den Abscheider 67, dem auch das im Austauscher 63 angewärmte Gemisch zugeleitet wird. Die mit Kohlendioxid bei 1,3 ata gesättigte Losung wird durch die Pumpe 68 wieder auf 6 ata gefördert und auf dem Mischturm aufgegeben. Das aus dem Abscheider 67 gasförmig abziehende Kohlendioxid
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."2QU776
durchströmt den Wärmeaustauscher 51 und verläßt ihn-etwa ' mit Umgebungstemperatur. -
6 Patentansprüche
3 Blatt Zeichnungen
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Claims (6)

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(H 589) H 70/23
Str/Κρ 26.5.I97O
Patentansprüche
(1.)Verwendung von flüssigem Kohlendioxid als Kälteträger beim Verflüssigen und Wiederverdampfen von Methan oder Erdgas zu deren Lagerung und/oder Transport.
2. Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Verflüssigen von Methan oder Erdgas am Verladeort als kälteabgebendes Medium ein entspanntes Gemisch von flüssigem Kohlendioxid und einem Lösungsmittel verwendet.
3- Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur weiteren Abkühlung des im Wärmeaustausch mit verdampfendem Kohlendioxid vorgekühlten Methans oder Erdgases die bei der arbeitsleistenden Entspannung des verdampften und erwärmten Kohlendioxids erzeugte Kälte verwendet.
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4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man zum weiteren Abkühlen und· Verflüssigen des im Wärmeaustausch mit Kohlendioxid vorgekühlten Methans oder Erdgases flüssigen Stickstoff als Kälteträger verwendet.
5. Verwendung nach'einem der Ansprüche 1 bis 3* dadurch gekennzeichnet, daß man zum weiteren Abkühlen und Verflüssigen des im Wärmeaustausch mit Kohlendioxid vorgekühlten Methans oder Erdgases die bei derEntspannung von unter Druck stehendem Erdgas erzeugte Kälte verwendet.
6. Verwendung nach einem oder Ansprüche 1 bid 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zum weiteren Abkühlen und Verflüssigen des, im Wärmeaustausch mit Kohlendioxid vorgekühlten Methans oder Erdgases einen Kältekreislauf mit Stickstoff als Kältemittel verwendet.
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