AT413600B

AT413600B - Verfahren zur verflüssigung eines erdgasstroms, enthaltend mindestens eine einfrierbare komponente

Info

Publication number: AT413600B
Application number: AT0908298A
Authority: AT
Original assignee: Exxonmobil Upstream Res Co
Priority date: 1997-07-01
Filing date: 1998-06-26
Publication date: 2006-04-15
Also published as: MY114067A; EP0993585A4; BR9810069A; ES2214919A1; RU2194930C2; AR015910A1; WO1999001706A1; CH694000A5; KR20010014370A; DK199901814A; DE19882493T1; SK178699A3; TNSN98117A1; JP2002508057A; BG63828B1; SE9904584L; RO120220B1; TR199903337T2; ATA908298A; IL133336A

Description

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Diese Erfindung betrifft ein Erdgasverflüssigungsverfahren und insbesondere ein Verfahren zur Herstellung von flüssigem Erdgas unter Druck (pressurized liquid natural gas, PLNG) aus einem Erdgasstrom, der mindestens eine einfrierbare Komponente enthält. 5 Wegen seiner sauberen Verbrennungsqualitäten und praktischen Verwendung wurde Erdgas in den letzten Jahren weithin verwendet. Viele Quellen von Erdgas befinden sich in entfernten Gebieten, in großen Entfernungen von den Handelsmärkten für das Gas. Manchmal steht eine Pipeline für den Transport von hergestelltem Erdgas zu einem Handelsmarkt zur Verfügung. Wenn der Transport mittels Pipeline nicht möglich ist, wird hergestelltes Erdgas oft zu verflüs-io sigtem Erdgas, welches als liquefied natural gas ("LNG") bezeichnet wird, für den Transport zum Markt verarbeitet.

Eine der unterscheidenden Merkmale einer LNG-Fabrik ist die große für die Fabrik erforderliche Kapitalinvestition. Die Einrichtung, die zur Verflüssigung von Erdgas verwendet wird, ist im 15 allgemeinen recht teuer. Die Verflüssigungsfabrik besteht aus mehreren Basissystemen, einschließlich Gasbehandlung zur Entfernung von Verunreinigungen, Verflüssigung, Kühlung, Energieversorgung und Lagerungs- und Schiffbeladungseinrichtungen. Während die Kosten einer LNG-Fabrik abhängig von der Lage der Fabrik weithin variieren können, kann ein typisches konventionelles LNG-Projekt von 5 bis 10 Milliarden US-Dollar kosten, einschließlich 20 Feldentwicklungskosten. Die Kühlungssysteme der Fabrik können bis zu 30 Prozent der Kosten ausmachen. LNG-Kühlungssysteme sind teuer, weil so viel Kühlung zur Verflüssigung von Erdgas notwendig ist. Ein typischer Erdgasstrom tritt bei Drucken von ungefähr 4.830 kPa (700 psia) bis ungefähr 25 7.600 kPa (1.100 psia) und Temperaturen von ungefähr 20°C bis ungefähr 40°C in eine LNG-

Fabrik ein. Erdgas, welches überwiegend Methan ist, kann nicht durch einfaches Erhöhen des Drucks verflüssigt werden, wie das der Fall bei schwereren Kohlenwasserstoffen ist, die für Energiezwecke verwendet werden. Die kritische Temperatur von Methan ist -82,5°C. Das bedeutet, daß Methan unabhängig vom angewendeten Druck nur unterhalb dieser Temperatur 30 verflüssigt werden kann. Da Erdgas eine Mischung von Gasen ist, verflüssigt es sich über einen Bereich von Temperaturen. Die kritische Temperatur von Erdgas ist zwischen ungefähr -85°C und -62°C. Typischerweise verflüssigen sich Erdgaszusammensetzungen bei Atmosphärendruck im Temperaturbereich zwischen ungefähr -165°C und -155°C. Da die Kühlungseinrichtung solch einen bedeutsamen Teil der LNG-Anlagekosten ausmacht, wurden beträchtliche 35 Anstrengungen unternommen, um die Kühlungskosten zu reduzieren.

Im Stand der Technik existieren viele Systeme zur Verflüssigung von Erdgas durch nacheinander folgendes Durchleiten des Gases bei einem erhöhten Druck durch eine Vielzahl von Kühlungsstufen, wobei das Gas allmählich auf niedrigere Temperaturen abgekühlt wird, bis sich das 40 Gas verflüssigt. Konventionelle Verflüssigung kühlt das Gas auf eine Temperatur von ungefähr -160°C bei oder nahe dem Atmosphärendruck. Kühlung wird im allgemeinen durch Wärmeaustausch mit einem oder mehreren Kühlmitteln wie Propan, Propylen, Ethan, Ethylen und Methan erreicht. Wenn auch viele Kühlungszyklen zur Verflüssigung von Erdgas verwendet wurden, sind die heute in LNG-Fabriken am häufigsten verwendeten die drei Typen: (1) "Kaskadenzyk-45 lus", der mehrere Einzelkomponenten-Kühlmittel in Wärmeaustauschern, die nacheinander angeordnet sind, zur Verringerung der Temperatur des Gases auf eine Verflüssigungstemperatur verwendet, (2) "Expanderzyklus", der das Gas von einem hohen Druck zu einem niedrigen Druck mit einer entsprechenden Verringerung der Temperatur expandiert, und (3) "Multikompo-nenten-Kühlungszyklus", der ein Multikomponenten-Kühlmittel in speziell konstruierten Austau-50 schern verwendet. Die meisten Erdgasverflüssigungszyklen verwenden Variationen oder Kombinationen dieser drei Basistypen.

In konventionellen LNG-Fabriken müssen Kohlendioxid, schwefelhaltige Verbindungen, wie Schwefelwasserstoff und andere saure Gase, n-Pentan und schwerere Kohlenwasserstoffe 55 einschließlich Benzol im wesentlichen herunter bis zu Teile-pro-Million (ppm)-Leveln aus der 3

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Erdgasverarbeitung entfernt werden. Manche dieser Verbindungen frieren ein, wobei Verstopfungsprobleme in der Verfahrenseinrichtung verursacht werden. Andere Verbindungen, wie die schwefelhaltigen, werden typischerweise entfernt, um Verkaufsvorschriften zu entsprechen. In einer konventionellen LNG-Fabrik ist eine Gasbehandlungseinrichtung zur Entfernung des 5 Kohlendioxids und der sauren Gase erforderlich. Die Gasbehandlungseinrichtung verwendet typischerweise einen chemischen und/oder physikalischen lösungsmittelregenerativen Prozeß und erfordert eine beträchtliche Kapitalinvestition. Außerdem sind die Betriebskosten hoch. Trockenbett-Dehydratisierungsmittel, wie Molekularsiebe, sind zur Entfernung des Wasserdampfes notwendig. Ein Waschkolonne und Fraktionierungseinrichtung werden zur Entfernung io der Kohlenwasserstoffe, die zur Verursachung von Verstopfungsproblemen neigen, verwendet. Quecksilber wird auch in einer konventionellen LNG-Fabrik entfernt, da es Defekte in der aus Aluminium hergestellten Einrichtung verursachen kann. Zusätzlich wird ein großer Teil des Stickstoffs, der im Erdgas vorliegen kann, nach der Verarbeitung entfernt, da Stickstoff während des Transports von konventionellem LNG nicht in der flüssigen Phase verbleibt und Stickstoff-15 dämpfe in LNG-Containern zum Zeitpunkt der Lieferung unerwünscht sind.

Es gibt einen andauernden Bedarf in der Industrie für einen verbesserten Prozeß zur Verflüssigung von Erdgas, das C02 in Konzentration enthält, die während des Verflüssigungsverfahrens ausfrieren würden und das gleichzeitig Energieanforderungen hat, die ökonomisch sind. 20

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung eines unter Druck gesetzten verflüssigten Erdgases (pressurized liquefied natural gas, PLNG), wobei der Erdgaseinsatzstrom eine einfrierbare Komponente enthält. Wenn sie auch typischerweise C02, H2S oder ein anderes saures Gas ist, kann die einfrierbare Komponente doch jede Komponente sein, die das 25 Potential zur Bildung von Feststoffen im Trennsystem hat.

Im erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Multikomponenteneinsatzstrom, enthaltend Methan und eine einfrierbare Komponente mit einer geringeren relativen Flüchtigkeit als der von Methan, in ein Trennsystem mit einem Einfrierbereich, der bei einem Druck über ungefähr 30 1.380 kPa (200 psia) und unter Festkörperbildungsbedingungen für die einfrierbare Komponen te arbeitet, und einem Destillationsbereich, der sich unter der Einfrierbereich befindet, eingeführt. Das Trennsystem, welches eine kontrollierte Einfrierzone (controlled freeze zone "CFZ") enthält, stellt einen methanreichen Dampfstrom und einen Flüssigstrom her, der reich an der einfrierbaren Komponente ist. Mindestens ein Teil des Dampfstroms wird zur Herstellung eines 35 methanreichen verflüssigten Stroms mit einer Temperatur über ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß das Flüssigprodukt an seinem oder unter seinem Blasenbildungspunkt ist, gekühlt. Ein erster Teil des verflüssigten Stroms wird als ein verflüssigter Produktstrom unter Druck (PLNG) aus dem Verfahren entnommen. Ein zweiter Teil des verflüssigten Stroms wird zum Trennsystem zurückgeführt, um für das Trennsystem eine Küh-40 lungsbetriebsweise bereitzustellen.

In einer Ausführungsform wird ein Dampfstrom aus einer oberen Region des Trennsystems entfernt und wird auf einen höheren Druck komprimiert und gekühlt. Der gekühlte komprimierte Strom wird dann zur Herstellung eines überwiegend flüssigen Stroms mittels einer Expansions-45 einrichtung expandiert. Ein erster Teil des Flüssigstroms wird als Rückflußstrom in das Trennsystem eingespeist und dabei für das Trennsystem eine Kühlung ohne Rückführung (open-loop) bereitgestellt, und ein zweiter Teil des Flüssigstroms wird als ein Produktstrom mit einer Temperatur über ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß das Flüssigprodukt an seinem oder unter seinem Blasenbildungspunkt ist, entnommen. 50

In einer anderen Ausführungsform wird ein Dampfstrom aus einer oberen Region des Trennsystems entnommen und mittels eines Kühlungssystems mit geschlossenem Kreislauf (closed-loop) gekühlt, um den methanreichen Dampfstrom zu verflüssigen und so eine Flüssigkeit mit einer Temperatur über ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreichend dafür ist, 55 daß das Flüssigprodukt an seinem oder unter seinem Blasenbildungspunkt ist, herzustellen. 4

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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl für die anfängliche Verflüssigung eines Erdgases an der Vorratsquelle zur Lagerung oder zum Transport verwendet werden als auch zur Wiederverflüssigung von Erdgasdämpfen, die während der Lagerung und Schiffbeladung freigesetzt werden. Es ist dementsprechend ein erfindungsgemäßes Ziel, ein verbessertes integ-5 riertes Verflüssigungs- und C02-Entfernungssystem für die Verflüssigung oder Wiederverflüssigung von Erdgas mit hohen C02 Konzentrationen (größer als ungefähr 5 %) bereitzustellen. Ein anderes erfindungsgemäßes Ziel ist die Bereitstellung eines verbesserten Verflüssigungssystems, wobei wesentlich weniger Kompressionsenergie als in Systemen des Standes der Technik erforderlich ist. Ein weiteres erfindungsgemäßes Ziel ist es, durch Halten der Verfahrens-io temperatur für das Gesamtverfahren über ungefähr -112°C, wodurch die Verfahrensausstattung aus weniger teuren Materialien hergestellt werden kann, als sie in einem konventionellen LNG-Verfahren erforderlich wären, in dem zumindest ein Teil des Verfahrens bei Temperaturen bis herunter zu -160°C arbeitet, ein effizienteres Verflüssigungsverfahren bereitzustellen. Die sehr niedrige Kühlungstemperatur des konventionellen LNG-Prozesses ist sehr teuer verglichen zur 15 relativ milden Kühlung, die bei der Herstellung von PLNG in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Praxis notwendig ist.

Die vorliegende Erfindung und ihre Vorteile sind besser verständlich unter Bezug auf die folgende ausführliche Beschreibung und die angefügten Figuren, welche schematische Flußdi-20 agramme repräsentativer erfindungsgemäßer Ausführungsformen sind.

Figur 1 ist eine schematische Darstellung eines Kryo-CFZ-Verfahrens, welche allgemein einen closed-loop Kühlungszyklus zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas unter Druck in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren illustriert. 25

Figur 2 ist eine schematische Darstellung eines Kryo-CFZ-Verfahrens, das allgemein einen open-loop Kühlungszyklus zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas unter Druck in Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren illustriert. 30 Figur 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, in welcher Kohlendioxid und Methan in einer Destillationskolonne mit einem CFZ, in welcher ein Kopfproduktstrom verflüssigtes Erdgas unter Druck ist und ein anderer Kopfproduktstrom Produktverkaufsgas ist, destillativ getrennt werden. 35 Die in den Figuren dargestellten Flußdiagramme stellen verschiedene Ausführungsformen der Praxis des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Die Figuren sollen andere Ausführungsformen, die sich aus normalen und zu erwartenden Modifizierungen dieser spezifischen Ausführungsform ergeben, nicht vom Bereich der Erfindung ausschließen. Verschiedene erforderliche Untersysteme wie Pumpen, Ventile, Flußstrommixer, Kontrollsysteme und Sensoren wurden zum 40 Zwecke der Einfachheit und Klarheit der Darstellung in den Figuren weggelassen.

Das erfindungsgemäße Verfahren trennt in einem Trennsystem einen Multikomponenteneinsatzstrom, enthaltend Methan und mindestens eine einfrierbare Komponente mit einer geringeren relativen Flüchtigkeit als der von Methan, destillativ, wobei das Trennsystem eine kontrol-45 lierte Einfrierzone (controlled freezing zone, "CFZ") enthält. Das Trennsystem stellt einen an Methan angereicherten Kopfdampfstrom her und ein Bodenrückstandsprodukt, das an der einfrierbaren Komponente angereichert ist. Mindestens ein Teil des Kopfdampfstroms wird dann zur Herstellung eines verflüssigten Erdgasprodukts mit einer Temperatur über ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß das Flüssigprodukt an seinem so oder unter seinem Blasenbildungspunkt ist, verflüssigt. Dieses Produkt wird hier manchmal als flüssiges Ergas unter Druck (pressurized liquid natural gas, "PLNG") bezeichnet. Ein anderer Teil dieses verflüssigten Kopfstroms wird als Rückflußstrom zum Trennsystem zurückgeführt.

Der Ausdruck "Blasenbildungspunkt" ist die Temperatur und der Druck, bei welchen sich eine 55 Flüssigkeit in Gas umzuwandeln beginnt. Wenn beispielsweise ein bestimmtes Volumen von 5

AT 413 600 B PLNG bei konstantem Druck gehalten wird, aber seine Temperatur erhöht wird, ist die Temperatur, bei welcher sich in dem PLNG Gasblasen zu bilden beginnen, der Blasenbildungspunkt. Ähnlich definiert dann, wenn ein bestimmtes Volumen von PLNG bei konstanter Temperatur gehalten wird, aber der Druck reduziert wird, der Druck, bei welchem sich Gas zu bilden be-5 ginnt, den Blasenbildungspunkt. Am Blasenbildungspunkt ist PLNG gesättigte Flüssigkeit. Vorzugsweise wird das PLNG nicht nur bis zu seinem Blasenbildungspunkt kondensiert, sondern weiter gekühlt, um die Flüssigkeit zu unterkühlen. Unterkühlung des PLNG reduziert die Menge von Verdampfungs-(boil-off)-dämpfen während seiner Lagerung, Transport und Handhabung. io Vor dieser Erfindung wurde es von den Fachleuten des Gebiets als sicher angenommen, daß CFZ ungewolltes C02 entfernen kann. Es wurde nicht erkannt, daß das CFZ-Verfahren in ein Verflüssigungsverfahren zur Herstellung von PLNG integriert werden kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist ökonomischer verwendbar, da das Verfahren weniger 15 Energie zur Verflüssigung des Erdgases erfordert als in der Vergangenheit verwendete Verfahren und die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Einrichtung kann aus weniger teuren Materialien hergestellt werden. Im Gegensatz dazu erfordern Verfahren des Standes der Technik, die LNG bei Atmosphärendrucken mit Temperaturen so niedrig wie -160°C herstellen, eine Einrichtung, die zum sicheren Betrieb aus teuren Materialien hergestellt ist. 20

In der erfindungsgemäßen Praxis wird die Energie, die zur Verflüssigung von Erdgas, welches beträchtliche Konzentrationen einer einfrierbaren Komponente wie C02 enthält, in großem Maße gegenüber den Energieanforderungen eines konventionellen Verfahrens zur Herstellung von LNG aus einem derartigen Erdgas reduziert. Die Reduktion der notwendigen Kühlungs-25 energie, die für das erfindungsgemäße Verfahren erforderlich ist, ergibt eine große Reduktion der Kapitalkosten, proportional niedrigere Betriebskosten und erhöhte Effizienz und Zuverlässigkeit, wodurch die Wirtschaftlichkeit der Herstellung von verflüssigtem Erdgas in großem Maße verbessert wird. 30 Bei den erfindungsgemäßen Betriebsdrucken und -temperaturen kann ungefähr 3 1/2 Gew.% Nickel im Röhrensystem und den Anlagen in den kältesten Betriebsbereichen des Verflüssigungsprozesses verwendet werden, während das teurere 9 Gew.% Nickel oder Aluminium im allgemeinen für die gleiche Einrichtung in einem konventionellen LNG-Verfahren erforderlich ist. Dies bedeutet eine weitere beträchtliche Kostenreduktion für das erfindungsgemäße Verfahren 35 im Vergleich zu LNG-Verfahren des Standes der Technik.

Die erste Überlegung bei der Kryoverarbeitung von Erdgas ist die Verunreinigung. Der Roherdgas-Einsatzstoff, welcher für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet ist, kann Erdgas umfassen, welches aus einer Rohölquelle (assoziiertes Gas) oder aus einer Gasquelle (nichtasso-40 ziiertes Gas) erhalten wurde. Das Roherdgas enthält oft Wasser, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Butan, Kohlenwasserstoffe mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen, Schmutz, Eisensulfid, Wachs und Rohöl. Die Löslichkeiten dieser Verunreinigungen variieren mit Temperatur, Druck und Zusammensetzung. Bei Kryotemperaturen können C02, Wasser und andere Verunreinigungen Festkörper bilden, die die Durchflußpassagen in Kryowär-45 meaustauschern verstopfen können. Diese möglichen Schwierigkeiten können vermieden werden durch Entfernung solcher Verunreinigungen, wenn die Bedingungen innerhalb ihrer Reinkomponente, Festphasen-Temperatur-Druck-Phasengrenzen vorher kalkuliert werden. In der folgenden Beschreibung der Erfindung wird angenommen, daß der Erdgasstrom C02 enthält. Wenn der Erdgasstrom schwere Kohlenwasserstoffe enthält, die während der Verflüssigung so ausfrieren können, werden diese schweren Kohlenwasserstoffe mit dem C02 entfernt.

Ein erfindungsgemäßer Vorteil liegt darin, daß die wärmeren Betriebstemperaturen es dem Erdgas erlauben, höhere Konzentrationen von einfrierbaren Komponenten zu haben, als das in einem konventionellen LNG-Verfahren möglich wäre. Beispielsweise muß in einer konventionellen LNG-Fabrik, die LNG bei -160°C herstellt, das C02 unter ungefähr 50 ppm sein, um 55 6

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Ausfrierprobleme zu vermeiden. Im Gegensatz dazu kann durch Halten der Verfahrenstemperaturen über ungefähr -112°C das Erdgas C02 in so hohen Leveln wie ungefähr 1,4 Mol% C02 bei Temperaturen von -112°C und ungefähr 4,2 % bei -95°C enthalten, ohne Ausfrierprobleme beim erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahren zu verursachen. 5

Zusätzlich müssen mäßige Mengen an Stickstoff im Erdgas beim erfindungsgemäßen Verfahren nicht entfernt werden, da Stickstoff mit den verflüssigten Kohlenwasserstoffen bei den erfindungsgemäßen Betriebsdrucken und -temperaturen in der flüssigen Phase verbleibt. Die Möglichkeit, die zur Gasbehandlung und Stickstoffzurückhaltung erforderliche Ausstattung zu redu-io zieren oder in einigen Fällen wegzulassen, bedeutet beträchtliche technische und ökonomische Vorteile. Diese und andere erfindungsgemäße Vorteile werden besser unter Bezug auf den in den Figuren illustrierten Verflüssigungsprozeß verständlich.

Gemäß Fig. 1 gelangt ein Erdgaseinsatzstrom 10 bei einem Druck über ungefähr 3.100 kPa 15 (450 psia) und mehr bevorzugt über ungefähr 4.800 kPa (700 psia) und Temperaturen vor zugsweise zwischen ungefähr 0°C und 40°C in das System; verschiedene Drucke und Temperaturen können jedoch gewünschtenfalls verwendet werden, und das System kann entsprechend modifiziert werden. Wenn der Gasstrom 10 unter ungefähr 1.380 kPa (200 psia) ist, kann er mittels einer geeigneten Kompressionseinrichtung (nicht gezeigt), die einen oder mehrere 20 Kompressoren umfassen kann, unter Druck gesetzt werden. In dieser Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird angenommen, daß der Erdgasstrom 10 unter Verwendung konventioneller und wohlbekannter Verfahren (nicht gezeigt in Fig. 1) zur Entfernung von Wasser geeignet behandelt wurde, um einen "trockenen" Erdgasstrom herzustellen. 25 Einsatzstrom 10 wird durch Kühler 30 geleitet. Der Kühler 30 kann einen oder mehrere konventionelle Wärmeaustauscher enthalten, die den Erdgaseinsatzstrom auf Kryotemperaturen abkühlen, vorzugsweise herunter bis zu ungefähr -50°C bis -70°C und mehr bevorzugt auf Temperaturen gerade über der Verfestigungstemperatur von C02. Der Kühler 30 kann ein oder mehrere Wärmeaustauschsysteme umfassen, die durch konventionelle Kühlungssysteme gekühlt 30 werden, oder ein oder mehrere Expansionseinrichtungen wie Joule-Thompson-Ventile oder Turboexpander, einen oder mehrere Wärmeaustauscher, die Flüssigkeit aus dem unteren Bereich der Fraktionierungskolonne 31 als Kühlmittel verwenden, einen oder mehrere Wärmeaustauscher, die den Bodenrückstands-Produktstrom von Kolonne 31 als Kühlmittel verwenden, oder jede andere geeignete Kühlungsquelle. Das bevorzugte Kühlungssystem hängt ab von der 35 verfügbaren Abkühlungskühlung, Raumbeschränkung, wenn solche vorliegen, und Umwelt- und Sicherheitsüberlegungen. Die Fachleute können unter Berücksichtigung der Betriebsumstände des Verflüssigungsverfahrens ein geeignetes Kühlungssystem auswählen.

Der den Einsatzstoffkühler 30 verlassende gekühlte Strom 11 wird in eine Fraktionierungsko-40 lonne 31 mit einer kontrollierten Einfrierzone (controlled freeze zone, "CFZ") geleitet, welche ein spezieller Bereich zur Handhabung der Verfestigung und des Schmelzens von C02 ist. Der CFZ-Bereich, der die Verfestigung und das Schmelzen von C02 handhabt, enthält keine Packung oder Böden wie konventionelle Destillationskolonnen, stattdessen enthält er eine oder mehrere Sprühdüsen und einen Schmelzboden. Festes C02 bildet sich in der Gasphase in der 45 Destillationskolonne und fällt in die Flüssigkeit auf dem Schmelzboden. Im wesentlichen können alle sich bildenden Feststoffe auf den CFZ-Bereich begrenzt werden. Die Destillationskolonne 31 hat einen konventionellen Destillationsbereich unter dem CFZ-Bereich und vorzugsweise einen weiteren Destillationsbereich über dem CFZ-Bereich. Konstruktion und Betrieb einer Fraktionierungskolonne 31 sind den Fachleuten des Gebiets bekannt. Beispiele für CFZ-50 Konstruktionen sind in US-Patenten 4,533,372, 4,923,493, 5,062,270, 5,120,338 und 5,265,428 erläutert.

Ein C02-reicher Strom 12 verläßt den Boden der Kolonne 31. Das flüssige Bodenprodukt wird in einem Nachverdampfer (Reboiler) 35 erhitzt und ein Teil wird zum unteren Bereich der Kolonne 55 31 als nachverdampfter Dampf zurückgeführt. Der verbleibende Teil (Strom 13) verläßt das 7

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Verfahren als C02-reiches Produkt. Ein methanreicher Strom 14 verläßt die Spitze der Kolonne 31 und gelangt durch einen Wärmeaustauscher 32, der durch Strom 17 gekühlt wird, der mit einem konventionellen closed-loop Kühlungssystem 33 verbunden ist. Ein Einzel-, Multikomponenten- oder Kaskaden-Kühlungssystem kann verwendet werden. Ein Kaskaden-5 Kühlungssystem würde mindestens zwei closed-loop Kühlungszyklen umfassen. Das closed-loop Kühlungssystem kann als Kühlmittel Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Stickstoff verwenden. Vorzugsweise verwendet das closed-loop Kühlungssystem Propan als überwiegendes Kühlmittel. Wenn auch Fig. 1 nur einen Wärmeaustauscher 32 zeigt, können in der erfindungsgemäßen Praxis mehrere Wärmeaustauscher zur io Kühlung des Dampfstroms 14 in mehreren Stufen verwendet werden. Wärmeaustauscher 32 kondensiert vorzugsweise im wesentlichen den gesamten Dampfstrom 14 zu einer Flüssigkeit. Der den Wärmeaustauscher verlassende Strom 19 hat eine Temperatur über ungefähr -112°C und einen Druck, der ausreichend dafür ist, daß das flüssige Produkt an seinem oder unter seinem Blasenbildungspunkt ist. Ein erster Teil des Flüssigstroms 19 wird als Strom 20 zu einer 15 geeigneten Lagervorrichtung 34, wie einem stationären Lagerungstank oder einem Transportmittel, wie einem PLNG-Schiff, einem Lastwagen oder Schienenfahrzeug geführt, um das PLNG bei einer Temperatur über ungefähr -112°C und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß das Flüssigprodukt an seinem oder unter seinem Blasenbildungspunkt ist, einzuschließen. Ein zweiter Teil des Flüssigstroms 19 wird als Strom 21 zur Trennkolonne 31 zurückgeführt, um 20 Kühlung für die Trennkolonne 31 bereitzustellen. Die relativen Anteile der Ströme 20 und 21 hängen von der Zusammensetzung des Einsatzgases 10, von den Betriebsbedingungen der Trennkolonne 31 und den gewünschten Produktspezifikationen ab.

Bei der Lagerung, dem Transport und der Handhabung des verflüssigten Erdgases kann eine 25 beträchtliche Menge von "boil-off" existieren, wobei die Dämpfe aus der Verdampfung von verflüssigtem Erdgas stammen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann fakultativ methanreichen boil-off Dampf wieder verflüssigen. Gemäß Fig. 1 kann boil-off Dampfstrom 16 fakultativ vor der Kühlung mit Wärmeaustauscher 32 in den Dampfstrom 14 eingeleitet werden. Der boil-off Dampfstrom 16 sollte an oder nahe dem Druck des Dampfstroms 14 sein, in welchen der 30 boil-off Dampf eingeleitet wird. Abhängig vom Druck des boil-off Dampfes kann die Notwendigkeit bestehen, den Druck des boil-off Dampfes mittels eines oder mehrerer Kompressoren oder Expander (nicht in den Figuren gezeigt) anzupassen, um den Druck an dem Punkt, an dem der boil-off Dampf in das Verflüssigungsverfahren eintritt, anzupassen. 35 Ein kleinerer Teil des Dampfstroms 14 kann fakultativ aus dem Verfahren als Brennstoff (Strom 15) entfernt werden, um einen Teil der Energie bereitzustellen, die zum Antrieb der Kompressoren und Pumpen im Verflüssigungsprozeß notwendig ist. Dieser Brennstoff kann fakultativ als Kühlquelle, die zur Kühlung des Einsatzstroms 10 beiträgt, verwendet werden. 40 Fig. 2 illustriert in schematischer Form eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in welcher open-loop Kühlung verwendet wird, um Kühlung für die Trennkolonne 51 bereitzustellen und um PLNG herzustellen. Gemäß Fig. 2 wird ein Multikomponentengasstrom 50, enthaltend Methan und Kohlendioxid, der dehydratisiert und durch eine geeignete Kühlungsquelle (nicht gezeigt in Fig. 2) gekühlt worden war, in eine CFZ-Kolonne 51 eingespeist, die im wesent-45 liehen die gleiche Konstruktion wie Trennkolonne 31 von Fig. 1 hat. Diese Ausführungsform beherrscht wirksam das Potential für die Bildung von Festkörpern beim Verflüssigungsprozeß, indem Einsatzstrom 64 direkt in CFZ-Kolonne 51 eingespeist wird.

Die Temperatur des In CFZ-Kolonne 51 eingespeisten Gases ist vorzugsweise über der Verfes-50 tigungstemperatur von C02. Ein methanreicher Dampfstrom 52 verläßt den Kopf von CFZ-Kolonne 51 und ein Kohlendioxid-angereicherter Strom 53 verläßt den Boden der CFZ-Kolonne 51. Das flüssige Bodenprodukt wird in einem Reboiler 65 erhitzt und ein Teil wird als nachverdampfter Dampf zum unteren Bereich der CFZ-Kolonne 51 zurückgeführt. Der verbleibende Teil (Strom 54) verläßt das Verfahren als C02-reiches flüssiges Produkt. 55 8

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Ein erster Teil des Kopfstroms 52 wird als Strom 64 zur CFZ-Kolonne 51 zurückrefluxiert, um für die CFZ-Kolonne 51 eine open-loop Kühlung bereitzustellen. Ein zweiter Teil des Kopfstroms 52 wird als PLNG-Produktstrom bei einem Druck, der bei oder nahe dem Betriebsdruck der CFZ-Kolonne 51 und bei einer Temperatur über ungefähr -112°C (-170°F) ist, entnommen (Strom 5 63). Ein dritter Teil des Kopfstroms 52 kann fakultativ für die Verwendung als Verkaufgas ent nommen werden (Strom 59) oder weiterverarbeitet werden.

Die grundlegenden Komponenten der open-loop Kühlung in dieser Ausführungsform umfassen die Kompression des die Spitze der CFZ-Kolonne 51 verlassenden Kopfstroms 52 mittels eines io oder mehrerer Kompressoren 57, die Kühlung des komprimierten Gases mit einem oder mehreren Kühlern 58, die Zuleitung mindestens eines Teils des gekühlten Gases (Strom 61) zu einem oder mehreren Expansionsvorrichtungen 62 zur Verringerung des Druckes des Gasstroms und zur Kühlung desselben, und Einspeisung eines Teils (Strom 64) des gekühlten, expandierten Stroms in die CFZ-Kolonne 51. Die Refluxierung eines Teils des Kopfstroms 52 durch dieses 15 Verfahren stellt für CFZ-Kolonne 51 eine open-loop Kühlung bereit. Strom 60 wird vorzugsweise durch Wärmeaustauscher 55 gekühlt, der auch den Kopfstrom 52 erwärmt. Der Druck von Strom 64 wird vorzugsweise durch Regelung der durch Kompressor 57 erreichten Kompressionsstärke kontrolliert, geregelt, um sicherzustellen, daß die Fluiddrucke der Ströme 60, 61 und 64 hoch genug sind, um die Bildung von Festkörpern zu verhindern. Die Rückführung mindes-20 tens eines Teils des Kopfdampfstroms 52 zum oberen Bereich der Kolonne 51 als durch open-loop Kühlung kondensierte Flüssigkeit stellt ebenso Rückfluß zu Kolonne 51 bereit. CFZ-Kolonne 51 hat einen konventionellen Destillationsbereich unter dem CFZ-Bereich und möglicherweise einen weiteren Destillationsbereich über dem CFZ-Bereich. Der CFZ-Bereich 25 handhabt jede Bildung und Schmelzen von C02-Feststoffen. Während des Anfahrens kann der gesamte Strom 64 direkt zum CFZ-Bereich geführt werden. Wenn Strom 64 magerer an den Festkörperbildnern wird, kann mehr von Strom 64 in den Destillationsbereich der Kolonne über dem CFZ-Bereich eingespeist werden. 30 Fig. 3 illustriert in schematischer Form eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform, in welcher das erfindungsgemäße Verfahren sowohl PLNG als auch Verkaufsgas als Produktströme produziert. In dieser Ausführungsform sind die Kopfproduktströme 50 % PLNG (Strom 126) und 50 % Verkaufsgas (Strom 110). Zusätzliches PLNG, bis zu 100 %, kann jedoch hergestellt werden, indem zusätzliche Kühlung entweder vom Wärmeaustausch mit kälteren Flui-35 den oder vom zusätzlichen Druckabfall am Expander durch die Installation von zusätzlicher Kompression und von Nachkühlern bereitgestellt wird. Genauso kann weniger PLNG hergestellt werden, indem weniger gekühlt wird.

Gemäß Fig. 3 wird angenommen, daß Erdgaseinsatzstrom 101 über 5 Mol% C02 enthält und 40 im wesentlichen frei von Wasser ist, um zu verhindern, daß Ausfrierungen und Hydratbildung im Verfahren auftreten. Nach der Dehydration wird der Einsatzstrom gekühlt, Druck abgelassen und er in Destillationskolonne 190, die bei einem Druck im Bereich von ungefähr 1.379 kPa (200 psia) bis ungefähr 4.482 kPa (650 psia) arbeitet, eingespeist. Die Destillationskolonne 190, die einen CFZ-Bereich hat, der der Trennkolonne 31 von Fig. 1 ähnelt, trennt den Einsatzstoff in 45 ein methanangereichertes Dampfkopfprodukt und ein kohlendioxidangereichertes flüssiges Bodenrückstandsprodukt. In der erfindungsgemäßen Praxis hat die Destillationskolonne 190 mindestens zwei und vorzugsweise drei getrennte Bereiche: einen Destillationsbereich 193, eine kontrollierte Ausfrierzone (controlled freeze zone, CFZ) 192 über dem Destillationsbereich 193 und fakultativ einen oberen Destillationsbereich 191. 50

In diesem Beispiel wird der Turmeinsatzstoff in den oberen Teil des Destillationsbereichs 193 durch Strom 105 eingeführt, wo er typische Destillation erfährt. Die Destillationsbereiche 191 und 193 enthalten Böden und/oder Packungen und stellen den notwendigen Kontakt zwischen nach unten fallenden Flüssigkeiten und aufsteigenden Dämpfen sicher. Die leichteren Dämpfe 55 verlassen den Destillationsbereich 193 und gelangen in die kontrollierte Einfrierzone 192. Ein- g

ΑΤ 413 600 B mal in die kontrollierte Einfrierzone 192 gelangt, treten die Dämpfe in Kontakt mit der Flüssigkeit (versprühter flüssiger Rückfluß aus der Einfrierzone), der aus den Düsen oder Sprühdüsenaggregaten 194 austritt. Die Dämpfe gelangen dann weiter durch den oberen Destillationsbereich 191. Zur effektiven Abtrennung von C02 aus dem Erdgasstrom in Kolonne 190 ist Kühlung 5 erforderlich, um Flüssigkeitsverkehr in den oberen Bereichen der Kolonne 190 sicherzustellen. In der Praxis dieser Ausführungsform wird Kühlung für den oberen Bereich der Kolonne 190 durch open-loop Kühlung bereitgestellt.

In der Ausführungsform von Fig. 3 wird das ankommende Einsatzgas in zwei Ströme geteilt: io Strom 102 und Strom 103. Strom 102 wird in einem oder mehreren Wärmeaustauschern gekühlt. In diesem Beispiel werden drei Wärmeaustauscher 130, 131, 132 verwendet, um Strom 102 zu kühlen und als Reboiler zu dienen und so den Destillationsbereich 193 der Kolonne 190 zu erhitzen. Strom 103 wird durch einen oder mehrere Wärmeaustauscher gekühlt, die in Wärmeaustausch mit einem der Bodenproduktströme von Kolonne 190 stehen. Fig. 3 zeigt zwei 15 Wärmeaustauscher 133 und 141, welche Bodenrückstandsprodukte erwärmen, die die Kolonne 190 verlassen. Die Anzahl der Wärmeaustauscher zur Einsatzstromkühlung hängt jedoch von einer Anzahl von Faktoren ab, die Einlaßgasflußrate, Einlaßgaszusammensetzung, Einsatzstofftemperatur und Wärmeaustauschanforderungen einschließen, aber nicht darauf beschränkt sind. Wenn dies auch nicht in Fig. 3 gezeigt ist, kann der Einsatzstrom 101 fakultativ durch 20 einen Prozeßstrom, der die Spitze der Säule 190 verläßt, gekühlt werden. Als andere Möglichkeit kann der Einsatzstrom 101 zumindest teilweise durch konventionelle Kühlungssysteme wie closed-loop Einzelkomponenten- oder Multikomponenten-Kühlungssysteme gekühlt werden.

Ströme 102 und 103 werden wieder zusammengeführt und der zusammengeführte Strom wird 25 durch eine geeignete Expansionseinrichtung, wie ein Joule-Thomson-Ventil 150 geleitet, auf ungefähr den Betriebsdruck der Trennkolonne 190. Alternativ kann ein Turboexpander anstelle des Joule-Thomson-Ventils 150 verwendet werden. Die Flashexpansion durch Ventil 150 ergibt einen kalten expandierten Strom 105, der zum oberen Teil des Destillationsbereichs 193 geführt wird, an einem Punkt, wo die Temperatur vorzugsweise hoch genug ist, um ein Einfrieren von 30 C02 zu vermeiden.

Kopfdampfstrom 106 aus der Trennkolonne 190 gelangt durch Wärmeaustauscher 145, welcher den Dampfstrom 106 erwärmt. Der erwärmte Dampfstrom (Strom 107) wird durch Einstufen-Kompression oder eine Vielstufen-Kompressorkolonne wieder komprimiert. In diesem Beispiel 35 gelangt Strom 107 nacheinander durch zwei konventionelle Kompressoren 160 und 161. Nach jedem Kompressionsschritt wird Strom 107 durch Nachkühler 138 und 139 gekühlt, vorzugsweise unter Verwendung von Umgebungsluft oder Wasser als Kühlmedium. Die Kompression und Kühlung von Strom 107 ergibt ein Gas, welches für den Verkauf zu einer Erdgas-Pipeline oder weiterer Verarbeitung verwendet werden kann. Die Kompression von Dampfstrom 107 wird 40 üblicherweise mindestens bis zu einem Druck erfolgen, der Pipeline-Anforderungen genügt.

Ein Teil von Strom 107 kann, nachdem er durch Kompressor 160 gelangt ist, fakultativ für die Verwendung als Brennstoff für die Gasverarbeitungsfabrik entnommen werden (Strom 128). Ein anderer Teil von Strom 107 wird nach Durchleitung durch Nachkühler 139 als Verkaufsgas 45 entnommen (Strom 110). Der verbleibende Teil von Strom 107 wird als Strom 108 zu den Wärmeaustauschern 140, 136 und 137 geführt. Strom 108 wird in Wärmeaustauschern 136 und 137 mit Kühlfluiden aus Strom 124, die aus dem Boden der Kolonne 190 austreten, gekühlt. Strom 108 wird dann weiter gekühlt in Wärmeaustauscher 145 durch Wärmeaustausch mit Kopfdampfstrom 106, was in der Erwärmung von Strom 106 resultiert. Strom 108 wird dann so mittels einer geeigneten Expansionsvorrichtung, wie Expander 158, auf näherungsweise den Betriebsdruck von Kolonne 190 druckexpandiert. Strom 108 teilt sich dann auf, ein Teil wird als PLNG-Produkt (Strom 126) bei einer Temperatur über ungefähr -112°C und einem Druck über ungefähr 1.380 kPa (200 psia) für Lagerung oder Transport weitergeleitet. Der andere Teil (Strom 109) gelangt in die Trennkolonne 190. Der Enddruck von Kompressor 161 wird gesteu-55 ert, um einen Druck zu erreichen, der hoch genug ist, daß der Druckabfall über den Expander 1 0

AT 413 600 B 158 ausreichend Kühlung bereitstellt, um sicherzustellen, daß Ströme 109 und 126 überwiegend flüssig und angereichert an Methan sind. Um zusätzliches PLNG herzustellen (Strom 126) kann zusätzliche Kompression nach Kompressor 160 und vor Wärmeaustauscher 136 installiert werden. Um das Verfahren anzufahren, wird Strom 109 vorzugsweise durch Strom 109A einge-5 speist und direkt in den CFZ-Bereich 192 durch Sprühdüse 194 eingesprüht. Nach Anfahren des Verfahren kann Strom 109 eingespeist werden (Strom 109B) in den oberen Bereich 191 der Trennkolonne 190.

Ein C02-angereicherter Flüssigproduktstrom 115 verläßt den Boden der Kolonne 190. Strom io 115 wird in zwei Teile unterteilt, Strom 116 und Strom 117. Strom 116 erreicht durch eine geeignete Ausdehnungsvorrichtung, wie ein Joule-Thomson-Ventil 153, einen niedrigeren Druck. Der das Ventil 153 verlassende Strom 124 wird dann in Wärmeaustauscher 136 erwärmt und Strom 124 gelangt durch ein weiteres Joule-Thomson-Ventil 154 und einen weiteren Wärmeaustauscher 137. Der resultierende Strom 125 wird dann mit Dampfstrom 120 von Separator 15 181 vereinigt.

Strom 117 wird mittels einer geeigneten Expansionsvorrichtung wie einem Expansionsventil 151 expandiert und durch Wärmeaustauscher 133 geleitet, wobei Einsatzstrom 103 gekühlt wird. Strom 117 wird dann zum Separator 180, einer konventionellen Gas-Flüssig-20 Trennvorrichtung geleitet. Dampf von Separator 180 (Strom 118) gelangt durch einen oder mehrere Kompressoren und Hochdruckpumpen, um den Druck zu erhöhen. Fig. 3 zeigt eine Serie von zwei Kompressoren 164 und 165 und Pumpe 166 mit konventionellen Kühlern 143 und 144. Der die Pumpe 166 verlassende Produktstrom 122 in der Serie hat einen Druck und eine Temperatur, die geeignet sind für die Injektion in eine unterirdische Formation. 25

Den Separator 180 durch Strom 119 verlassende Flüssigprodukte werden durch eine Expansionsvorrichtung wie ein Expansionsventil 152 geführt und dann durch Wärmeaustauscher 141 geleitet, der in Wärmeaustauscherbeziehung mit Einsatzstrom 103 steht, wodurch Einsatzstrom 103 weiter gekühlt wird. Strom 119 wird dann zu Separator 181, einer konventionellen Gas-30 Flüssigkeit-Trennvorrichtung, geleitet. Dämpfe von Separator 181 (Strom 120) werden zu einem Kompressor 163 gefolgt von einem konventionellen Nachkühler 142 geleitet. Strom 120 wird dann mit Strom 118 vereinigt. Jedes in Strom 121 vorliegende Kondensat kann durch konventionelle Flash- oder Stabilisierungsverfahren wiedergewonnen werden und kann dann verkauft, verbrannt oder als Brennstoff verwendet werden. 35

Wenn auch die in den Fig. 1 bis 3 illustrierten Trennsysteme nur eine Destillationskolonne haben (Kolonne 31 von Fig. 1, Kolonne 51 von Fig. 2 und Kolonne 190 von Fig. 3), können die erfindungsgemäßen Trennsysteme zwei oder mehr Destillationskolonnen umfassen. Um beispielsweise die Höhe der Kolonne 190 in Fig. 3 zu reduzieren, kann es wünschenswert sein, die 40 Kolonne 190 in zwei oder mehr Kolonnen (nicht gezeigt in den Figuren) aufzuspalten. Die erste Kolonne enthält zwei Bereiche, einen Destillationsbereich und eine kontrollierte Einfrierzone über dem Destillationsbereich, und die zweite Kolonne enthält einen Destillationsbereich, welcher die gleiche Funktion wie Bereich 191 in Fig. 3 ausübt. Ein Multikomponenteneinsatzstrom wird in die erste Destillationskolonne eingespeist. Die flüssigen Bodenrückstände der zweiten 45 Kolonne werden in die Einfrierzone der ersten Kolonne eingespeist. Das Dampfkopfprodukt der ersten Kolonne wird in die untere Region der zweiten Kolonne eingespeist. Die zweite Kolonne hat den gleichen open-loop Kühlungszyklus wie der in Fig. 3 für Kolonne 190 gezeigte. Ein Dampfstrom von der zweiten Destillationskolonne wird entnommen, gekühlt und ein Teil davon zur oberen Region der zweiten Trennkolonne zurückfließen gelassen. 50

Beispiele

Simulierte Massen- und Energiebilanzen wurden durchgeführt, um die in Fig. 1 und Fig. 3 gezeigten Ausführungsformen zu erläutern und Tabellen 1 bzw. 2 unten erläutern die Resultate. 55 Für die in Tabelle 1 präsentierten Daten wurde angenommen, daß der Kopfproduktstrom 100 % 1 1

AT 413 600 B PLNG war (Strom 20 von Fig. 1) und das Kühlungssystem war ein Kaskaden-Propan-Ethylen-System. Für die in Tabelle 2 präsentierten Daten wurde angenommen, daß die Kopfproduktströme 50 % PLNG (Strom 126 von Fig. 3) und 50 % Verkaufsgas (Strom 110 von Fig. 3) waren. 5

Die Daten wurden unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Prozeßsimulationsprogramms mit dem Namen HYSYS® (erhältlich von Hyprotech Ltd. von Calgary, Kanada) erhalten; andere im Handel erhältliche Prozeßsimulationsprogramme können jedoch zur Entwicklung der Daten verwendet werden, einschließlich beispielsweise HYSIM®, PROII® und io ASPEN PLUS®, welche den Leuten mit durchschnittlichen Kenntnissen im Fachgebiet vertraut sind. Die in den Tabellen präsentierten Daten werden geboten, um ein besseres Verständnis der in den Fig. 1 und 3 gezeigten Ausführungsformen zu erreichen, aber die Erfindung darf nicht als ohne Notwendigkeit darauf beschränkt angesehen werden. Die Temperaturen und Flußraten sollen nicht als Beschränkungen der Erfindung angesehen werden, welche viele 15 Variationen in Temperaturen und Flußraten im Hinblick auf die Lehre hierin haben kann.

Eine zusätzliche Prozeßsimulation wurde unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Basisflußschemas durchgeführt (unter Verwendung der gleichen Einsatzstromzusammensetzung und Temperatur wie der, die zum Erhalt der Daten in Tabelle 1 verwendet wurden) zur Herstellung 20 von konventionellen LNG bei einem Druck nahe Atmosphärendruck und einer Temperatur von -161 °C (-258°F). Das CFZ/konventionelle LNG-Verfahren erfordert beträchtlich mehr Kühlung als das in Fig. 1 abgebildete CFZ/PLNG-Verfahren. Um die zur Herstellung von LNG bei einer Temperatur von -161°C erforderliche Kühlung zu erhalten, muß das Kühlungssystem von einem Propan/Ethylen-Kaskadensystem zu einem Propan/Ethylen/Methan-Kaskadensystem erweitert 25 werden. Zusätzlich würde die Notwendigkeit bestehen, Strom 20 unter Verwendung des Methans weiter zu kühlen und den Produktdruck unter Verwendung eines Flüssigexpanders oder Joule-Thomson-Ventils zu verringern, um ein LNG-Produkt am oder nahe am Atmosphärendruck herzustellen. Wegen der niedrigen Temperaturen muß das C02 in dem LNG entfernt werden auf ungefähr 50 ppm, um Betriebsprobleme im Zusammenhang mit dem Ausfrieren von 30 C02 im Verfahren zu vermeiden, anstelle der 2 % C02 wie im CFZ/PLNG-Verfahren, das in

Fig. 1 dargestellt ist.

Tabelle 3 zeigt einen Vergleich der Erfordernisse an die Kühlmittelkompression für das konventionelle LNG-Verfahren und das im Simulationsbeispiel des vorhergehenden Paragraphen 35 beschriebene PLNG-Verfahren. Wie in Tabelle 3 gezeigt, war die gesamte erforderliche Kühlmittelkompressionsenergie zur Herstellung von konventionellem LNG 67 % höher als zur Herstellung von PLNG in Übereinstimmung mit der erfindungsgemäßen Praxis.

Ein Fachmann, insbesondere einer der den Vorteil der Lehre dieses Patents hat, wird viele 40 Modifizierungen und Variationen zu den spezifischen oben offenbarten Verfahren erkennen. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Temperaturen und Drucken in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden, abhängig von der Gesamtkonstruktion des Systems und der Zusammensetzung des Einsatzgases. Ebenso kann die Einsatzgas-Kühlungskolonne ergänzt oder rekonfiguriert werden, abhängig von den Gesamtkonstruktionsanforderungen, um optimale 45 und effiziente Wärmeaustauschanforderungen zu erfüllen. Zusätzlich können bestimmte Prozeßschritte geschaffen werden, indem Vorrichtungen hinzugefügt werden, die austauschbar mit den gezeigten Vorrichtungen sind. Zum Beispiel kann Trennung und Kühlung in einer einzigen Vorrichtung erfolgen. Wie oben diskutiert, sollten die spezifisch offenbarten Ausführungsformen und Beispiele nicht dahingehend verstanden werden, daß sie den Bereich der Erfindung, der so durch die unten aufgeführten Ansprüche und ihre Äquivalente bestimmt sein soll, beschränken oder eingrenzen. 55 Γ ΑΤ 413 600 Β 5 10 15 20 25 Η Φ Η Η Φ Η 30 1Α \ Ν ΑD Vi Φ 4JΜ Φ Ή ΗΟ) Φ -U β Η 35 40 45 50

Φ4 10 10 ιη r· t" γ* Γ-' Κ * α 10 10 γΗ ο η- Γ" ο Γ' CÄP Φ Φ 01 01 σι 01 γΗ 0 S (Ν γΗ Η 01 ιη ο ο ο ο ο «k «k «k «k •k η ·* υ Η Η ιη 10 φ φ φ φ Γ* r· 01 01 Λ \ ο ο ο ο ο ο ο ο γΗ ο ο ο ο ο ο ο ο 0 00 C0 γ- η ο ο ιη ιη S * Μ 1 01 01 <Μ ο φ φ 01 φ λ ο ο Φ φ 10 10 φ φ 44 Η Η γ4 ι-1 JJ Ε m Λ CQ ιη ιη 10 *4* •4* φ* ΗΙ φ (I) γ-Ί ο ο ιη m Φ* φ* φ 10 ο 0 00 ω 10 φ* Φ φ φ Φ1 S • σι 01 ιη 10 Ο ο φ Γ- 01 Φ4 ιη φ φ φ γ4 X ο ο Μ φ 10 ΓΟ Φ ΓΟ 4» *. Μ Α ιη ο φ φ φ φ Φ φ 3 10 Γ- γΗ Φ φ ΓΟ Φ ΓΟ U 1 γΗ ι-4 Η Η (0 1 1 1 1 Μ Φ §* ΓΟ ο γ·* 01 ο 10 10 10 <ΰ Εη U 00 10 r» V Φ4 φ Φ4 Φ*" Φ4 ιΗ ιη 1 1 1 σι 1 σ\ ι σι ι σι 1 Φ γΗ ο ο ο ιη ιη ιη ιη 10 ιη ιη ιη Φ4 φ* φ· φ* Μ W ο. 01 φ* Φ4 φ4 φ* φ· φ* φ* Ο β Q Φ· η η φ φ φ φ φ φ 10 ο ο ο 10 10 10 10 Α Γ- γΗ γΗ «Η Ο ο ο Ο X 10 φ φ φ ΓΟ ΓΟ φ Φ σι σι •Η ‘Η α CQ α α Φ *3 =3 η ιΗ Η <0 Α Α σι σι σι σι σι Λ Ν^ \ •Η •Η -Η •Η •Η 0* 44 44 <η η 44 01 01 α Οι Ο, Οι m 0) & Ο (0 03 ε & ε »3 «3 ε *3 3 φ Φ φ Η γΗ φ «Η rH γΗ Ρ Ω Ω Α Α Ω tij Α Α ε 0 ο Η Φ Φ φ· 01 Ο Η JJ Η γΗ Η Η Η γΗ Φ Φ CQ 55

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 1 4

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AT 413 600 B N ß 01 01 n »H Φ ω in vo rH dp H 0) Ν' CN Ν' CN « • Cs *W n< n o CO 10 UH Ή CO CO rH t- o s C5 CO o CN Ai § r~ •Ν' rH dP CU Ν' 01 n· • o • O Φ 's tu U 10 o Γ- O *H ω m H tH oi k φ rH ß « rH (U c CN cs ro ro dp ts fcO 0 •rl Jj io 01 CT\ H io n< CN IO tU o ß o N* o Ul IO Φ CN 10 H <71 H > H rH ß 0 Ai N ß o o rH H Φ in o ro 00 dp k CN 10 o 00 Φ • • • • r- UH IO N* N< 10 UH N< N< H o •H H Q e* P o o O £ IO Ol in dp - s Ol • Ν' * o N* • O (D •H Φ N Du α 115 41 r- in H o rH 2 ß ω rH rH Φ c o o rH H dp 0 «H 01 CO m Du U -H 4-J ß CN CN o IO o • Ν' ro • CN Γ ιο Φ IO CO rH io rH > H CN ß 0 Ai C rH Φ O φ Φ rH HJ H jj φ 4J φ k CO k u 4J <0 CO Φ JUJ -rl u •H Q) *H •H e -H ß rH k O iH £ rH ε Φ rH ft rH r~i Ä rH u m 6 Ä cd ß A *3 Ä 0 U o 3 ft 4J Φ *3 Ai «3 CQ 10 Ai ή k Ai ß Ai C3 ß rH N. ß 0 ß Φ ß Φ •H <u N •H m (0 i—1 (0 k tu 03 ft Jß ft φ 4J u 0) φ 0 A 4-> ε 4-> •rl 4-> k k u Φ o ε ε ß ε ft ft ω s Ai (tf rH 0 (0 f= C3 A3 > CQ o Φ »3 <D O dp 01 55

Claims

15 AT 413 600 B Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung einer unter Druck gesetzten methanreichen Flüssigkeit aus einem Multikomponenteneinsatzstrom, enthaltend Methan und eine einfrierbare Kompo- 5 nente mit einer geringeren relativen Flüchtigkeit als der von Methan, umfassend: (a) Einführung des Multikomponenteneinsatzstroms in ein Trennsystem mit einem Einfrierbereich, der bei einem Druck über ungefähr 1.380 kPa (200 psia) und unter Festkörperbildungsbedingungen für die einfrierbare Komponente arbeitet und einem Destillationsbereich, der unter dem Einfrierbereich angebracht ist, wobei das Trennsystem einen me- io thanreichen Dampfstrom und einen Flüssigstrom, der reich an der einfrierbaren Kompo nente ist, herstellt; (b) Kühlung mindestens eines Teils dieses Dampfstroms zur Herstellung eines methanreichen verflüssigten Stroms mit einer Temperatur über ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß das flüssige Produkt an oder unter seinem Blasenbil- 15 dungspunkt ist; (c) Entnahme eines ersten Teils des verflüssigten Stroms von Schritt (b) als methanreicher verflüssigter Produktstrom; und (d) Einführung eines zweiten Teils des verflüssigten Stroms von Schritt (b) in das Trennsystem zur Bereitstellung von Kühlung für das Trennsystem. 20

2. Verfahren von Anspruch 1, das weiter die Einleitung des verflüssigten Produktstroms zu einer Lagervorrichtung für die Lagerung bei einer Temperatur über -112°C (-170°F) umfaßt.

3. Verfahren von Anspruch 1, wobei der Kühlschritt (b) weiter die Schritte der Kompression 25 des Dampfstroms zu einem Hochdruckstrom, Kühlung mindestens eines Teils des kompri mierten Stroms in einem Wärmeaustauscher und Ausdehnung des gekühlten komprimierten Stroms auf einen niedrigen Druck, wobei der komprimierte Strom weiter zur Herstellung eines methanreichen verflüssigten Stroms mit einer Temperatur über ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß das flüssige Produkt an oder un- 30 ter seinem Blasenbildungspunkt vorliegt, gekühlt wird, umfaßt.

4. Verfahren von Anspruch 3, wobei die Kühlung des komprimierten Stroms im Wärmeaustauscher durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Dampfstrom von Schritt (a) erfolgt.

5. Verfahren von Anspruch 3, das weiter die Kühlung des durch das Trennsystem hergestell ten Flüssigstroms durch Druckexpansion und die Verwendung des expandierten gekühlten Flüssigstroms zur Kühlung des komprimierten Stroms mittels indirektem Wärmeaustausch umfaßt.

6. Verfahren von Anspruch 3, welches weiter die Steuerung des Drucks des komprimierten Stroms und des Drucks des expandierten Stroms zur Verhinderung der Bildung von Festkörpern in dem zweiten Teil des in das Trennsystem eingeführten verflüssigten Stroms umfaßt.

7. Verfahren von Anspruch 1, wobei das Trennsystem von Schritt (a) eine erste Destillations kolonne und eine zweite Destillationskolonne umfaßt, wobei die erste Destillationskolonne einen Destillationsbereich und eine Einfrierzone über dem Destillationsbereich umfaßt und die zweite Destillationskolonne einen Destillationsbereich umfaßt, weiter umfassend die Schritte der Einführung des Multikomponenteneinsatzstroms von Schritt (a) in die erste so Destillationskolonne, Einspeisung eines Kopfdampfstroms aus der Einfrierzone zu einer unteren Region der zweiten Destillationskolonne, Entnahme eines Dampfstroms aus der zweiten Destillationskolonne und Kühlung des Dampfstroms in Übereinstimmung mit Schritt (b), Einspeisung des zweiten Teils des verflüssigten Stroms von Schritt (d) zur oberen Region der zweiten Trennkolonne, Entnahme eines flüssigen Bodenstroms aus der 55 zweiten Destillationskolonne und Einspeisung des flüssigen Bodenstroms zur Einfrierzone 16 AT 413 600 B der ersten Destillationskolonne.

8. Verfahren von Anspruch 1, wobei das Trennsystem einen ersten Destillationsbereich umfaßt, einen zweiten Destillationsbereich unter dem ersten Destillationsbereich und eine Ein- 5 frierzone zwischen den ersten und zweiten Destillationsbereichen, wobei der zweite Teil des verflüssigten Stroms von Schritt (d) in den ersten Destillationsbereich eingeführt wird.

9. Verfahren von Anspruch 1, wobei die Kühlung des Dampfstroms in Schritt (b) in einem Wärmeaustauscher, der durch ein Kühlungssystem mit geschlossenem Kreislauf (closed- io loop) gekühlt wird, erfolgt.

10. Verfahren von Anspruch 9, wobei das closed-loop Kühlungssystem Propan als überwiegendes Kühlmittel hat.

11. Verfahren von Anspruch 9, wobei das closed-loop Kühlungssystem ein Kühlmittel hat, das Methan, Ethan, Propan, Butan, Pentan, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Stickstoff umfaßt.

12. Verfahren von Anspruch 1, das weiter vor Schritt (b) die Zuführung eines Verdampfungs- 20 (boil-off) gases, das aus der Verdampfung eines methanreichen verflüssigten Gases resul tiert, umfaßt.

13. Verfahren von Anspruch 1, wobei die Verflüssigung des Gasstroms unter Verwendung von zwei closed-loop Kühlungszyklen in Kaskadenanordnung durchgeführt wird. 25

14. Verfahren von Anspruch 1, wobei der Multikomponentengasstrom von Schritt (b) einen Druck über 3.100 kPa (450 psia) hat.

15. Verfahren von Anspruch 1, wobei die einfrierbare Komponente Kohlendioxid ist. 30

16. Verfahren von Anspruch 1, wobei der Kühlschritt (b) weiter die Schritte der Kompression des Dampfstroms zu einem komprimierten Strom, Kühlung mindestens eines Teils des komprimierten Stroms in einem Wärmeaustauscher, Entnahme eines ersten Teils des gekühlten komprimierten Stroms als Produktgasstrom und Expandierung eines zweiten Teils 35 des gekühlten komprimierten Stroms auf einen niedrigeren Druck, wobei der komprimierte Strom weiter zur Herstellung eines methanreichen verflüssigten Stroms mit einer Temperatur über ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß das Flüssigprodukt an oder unter seinem Blasenbildungspunkt ist, gekühlt wird, umfaßt.

17. Verfahren zur Trennung eines Multikomponenteneinsatzstroms, umfassend mindestens Methan und mindestens eine einfrierbare Komponente mit einer geringeren relativen Flüchtigkeit als der von Methan, zur Herstellung eines an Methan angereicherten Flüssigprodukts, umfassend: (a) Einführung des Multikomponenteneinsatzstroms in ein Trennsystem, wobei das Trenn-45 system unter Festkörperbildungsbedingungen für die einfrierbare Komponente arbeitet; (b) Entnahme eines Dampfstroms von einer oberen Region des Trennsystems; (c) Kompression des Dampfstroms zu einem Hochdruckstrom; (d) Kühlung mindestens eines Teils des komprimierten Stroms unter Verwendung der im Dampfstrom von Schritt (b) verfügbaren Kühlung; so (e) Expandierung des gekühlten komprimierten Stroms, um den komprimierten Strom wei ter zu kühlen, wobei der expandierte Strom vorwiegend flüssig ist; (f) Einspeisung mindestens eines Teils des expandierten Stroms zu einer oberen Region des Trennsystems, um für das Trennsystem Kühlung bereitzustellen; und (g) Wiedergewinnung eines an Methan angereicherten Flüssigproduktstroms aus dem ex- 55 pandierten Strom. 1 7 AT 413 600 B

18. Verfahren von Anspruch 17, das weiter die Wiedergewinnung eines Teils des komprimierten Gasstroms von Schritt (c) und Kühlung des verbleibenden Teils des Dampfstroms in Übereinstimmung mit Schritt (d) umfaßt.

19. Verfahren von Anspruch 17, wobei der Dampfstrom von Schritt (b) vor der Kompression in Schritt (c) erwärmt wird.

20. Verfahren von Anspruch 17, wobei das Trennsystem einen ersten Destillationsbereich, einen zweiten Destillationsbereich unter dem ersten Destillationsbereich und eine Einfrier- io zone zwischen den ersten und zweiten Destillationsbereichen umfaßt, wobei der expandierte Flüssigstrom in den ersten Destillationsbereich eingeführt wird.

21. Verfahren von Anspruch 20, wobei der Multikomponenteneinsatzstrom unter dem ersten Destillationsbereich eingeführt wird. 15

22. Verfahren von Anspruch 17, das weiter die Entfernung von Flüssigkeit aus dem Trennsystem, Kühlung der Flüssigkeit durch eine Druckexpansionsvorrichtung und mindestens teilweises Verdampfen der Flüssigkeit durch Wärmeaustausch mit dem komprimierten Strom von Schritt (c) umfaßt. 20

23. Verfahren von Anspruch 17, das weiter die Entfernung von an der einfrierbaren Komponente angereicherter Flüssigkeit aus dem Trennsystem, Kühlung der an einfrierbarer Komponente angereicherten Flüssigkeit durch eine Druckexpansionsvorrichtung und Kühlung des Multikomponenteneinsatzstroms durch Wärmeaustausch mit der expandierten, an einfrier- 25 barer Komponente angereicherten Flüssigkeit, bevor er in das Trennsystem gelangt, um faßt.

24. Verfahren von Anspruch 17, das weiter die Kühlung des Multikomponentenstroms durch eine Expansionsvorrichtung, bevor er in das Trennsystem gelangt, umfaßt. 30

25. Verfahren von Anspruch 17, wobei der Druck des Hochdruckstroms von Schritt (c) und der Druck des expandierten Stroms (e) kontrolliert werden, um die Festkörperbildung in dem Strom, der in Schritt (f) in das Trennsystem eingespeist wird, zu verhindern.

26. Verfahren von Anspruch 17, wobei der wiedergewonnene flüssige Produktstrom von Schritt (g) einen Druck über ungefähr 1.380 kPa (200 psia) hat.

27. Verfahren zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas bei einem Druck über ungefähr 1.380 kPa (200 psia) aus einem Multikomponenteneinsatzstrom, enthaltend Methan und 40 eine einfrierbare Komponente mit einer geringeren relativen Flüchtigkeit als der von Me than, umfassend: (a) Einführung des Multikomponenteneinsatzstroms in ein Trennsystem, wobei das Trennsystem unter Festkörperbildungsbedingungen für die einfrierbare Komponente arbeitet; (b) Entnahme eines Dampfstroms aus einer oberen Region des Trennsystems; 45 (c) Komprimierung des Dampfstroms zu einem Hochdruckstrom; (d) Kühlung mindestens eines Teils des komprimierten Stroms unter Verwendung der in dem Dampfstrom von Schritt (b) verfügbaren Kühlung; (e) Expandierung des gekühlten komprimierten Stroms, um den komprimierten Strom weiter zu kühlen, wobei der expandierte Strom bei einem Druck über ungefähr 1.380 kPa so (200 psia) überwiegend flüssig ist; (f) Einspeisung mindestens eines Teils des expandierten Stroms zu einem oberen Teil des Trennsystems, um für das Trennsystem Kühlung bereitzustellen; und (g) Wiedergewinnung eines an Methan angereicherten flüssigen Produktstroms aus dem expandierten Strom bei einem Druck über ungefähr 1.380 kPa (200 psia). 55 1 8 AT 413 600 B

28. Verfahren zur Verflüssigung eines Multikomponentenstroms, umfassend Methan und mindestens eine einfrierbare Komponente zur Herstellung einer methanreichen Flüssigkeit mit einer Temperatur über ungefähr -112°C und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß die Flüssigkeit an oder unter ihrem Blasenbildungspunkt ist, umfassend die Schritte von: 5 (a) Einführung des Multikomponenteneinsatzstroms mit einem Druck über ungefähr 1.380 kPa (200 psia) in ein Trennsystem, das unter Festkörperbildungsbedingungen für die einfrierbare Komponente arbeitet, um einen methanreichen Dampfstrom und einen Flüssigstrom, der reich an der Komponente ist, die sich in dem Trennsystem verfestigte, bereitzustellen; io (b) Verflüssigung des Dampfstroms durch ein closed-loop-Kühlungssystem zur Herstellung einer methanreichen Flüssigkeit mit einer Temperatur über ungefähr -112°C und einem Druck, der ausreichend dafür ist, daß die Flüssigkeit an oder unter ihrem Blasenbildungspunkt ist; und (c) Einführung der methanreichen Flüssigkeit in ein Lagerbehältnis zur Lagerung bei einer 15 Temperatur über-112°C.

29. Verfahren von Anspruch 28, wobei die Verflüssigung des Einsatzstroms mit einem closed-loop Kühlungssystem durchgeführt wird.

30. Verfahren von Anspruch 28, wobei vor der Verflüssigung des Einsatzstroms weiter eine Vereinigung eines boil-off Gases, das aus der Verdampfung von verflüssigtem Erdgas resultiert, mit dem Dampfstrom aus dem Trennsystem umfaßt ist. 25 Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 30 35 40 45 50 55