CH703773A2 - A method for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction. - Google Patents

A method for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction. Download PDF

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CH703773A2 CH01475/11A CH14752011A CH703773A2 CH 703773 A2 CH703773 A2 CH 703773A2 CH 01475/11 A CH01475/11 A CH 01475/11A CH 14752011 A CH14752011 A CH 14752011A CH 703773 A2 CH703773 A2 CH 703773A2
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoffreichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf beschrieben, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt. Erfindungsgemäss erfolgt die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem wenigstens dreistufigen Wärmetauschprozess (E1a–E1c), wobei in dem ersten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1a) die Einsatzfraktion (1) gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff (9) so weit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung (D2) der schwereren Komponenten (2´) realisierbar ist, in dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1b) die von schwereren Komponenten befreite Einsatzfraktion (2) gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff (9) teilverflüssigt wird, und in dem dritten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1c) die Einsatzfraktion (2) gegen teilzuverdampfenden Stickstoff (8) verflüssigt wird.The invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction, preferably natural gas, against a nitrogen refrigeration cycle, cooling the feed fraction against gaseous nitrogen to be heated and liquefying the feed fraction against liquid nitrogen to be vaporized. According to the invention, the cooling and liquefaction of the feed fraction takes place in an at least three-stage heat exchange process (E1a-E1c), wherein in the first section of the heat exchange process (E1a) the feed fraction (1) is cooled against superheated gaseous nitrogen (9) so that a substantially complete separation (D2) of the heavier components (2 ') is feasible, in the second section of the heat exchange process (E1b), the heavier components freed feed fraction (2) is partially liquefied against overheated gaseous nitrogen (9), and in the third section of Heat exchange process (E1c) the feed fraction (2) against teilververdampfenden nitrogen (8) is liquefied.

Description

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt. The invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction, preferably natural gas, against a nitrogen refrigeration cycle, wherein the cooling of the feed fraction to be heated, gaseous nitrogen and the liquefaction of the feed fraction to be evaporated, liquid nitrogen.

[0002] Die Verflüssigung von Kohlenwasserstoff-reichen Gasen, insbesondere von Erdgasen, findet kommerziell in einem Kapazitätsbereich von 10 bis 30.000 Tonnen LNG pro Tag (tato) statt. Bei Anlagen mittlerer Kapazität - hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 300 und 3.000 tato LNG zu verstehen - und grosser Kapazität - hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 3.000 und 30.000 tato LNG zu verstehen - ist der Fachmann bestrebt, durch hohe Effizienz die Betriebskosten zu optimieren. Demgegenüber stehen bei kleineren Anlagen -hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 10 und 300 tato LNG zu verstehen - niedrige Investitionskosten im Vordergrund. Bei derartigen Anlagen ist der Investitionskostenanteil einer eigenen Kälteanlage, bei der als Arbeitsmittel bspw. Stickstoff oder ein Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisch zur Anwendung kommt, erheblich. Daher wird ggf. auf eine Kälteerzeugung in der Verflüssigungsanlage verzichtet und ein geeignetes Kältemittel importiert. Üblicherweise wird in diesem Fall flüssiger Stickstoff verwendet und nach seiner Nutzung als Kältemittel gasförmig an die Atmosphäre abgegeben. Sofern in der Nähe befindliche Luftzerlegungsanlagen ungenutzte Produktmengen an flüssigem Stickstoff kostengünstig zur Verfügung stellen können, ist dieses Konzept für kleine Verflüssigungsanlagen durchaus kommerziell sinnvoll. The liquefaction of hydrocarbon-rich gases, especially natural gas, takes place commercially in a capacity range of 10 to 30,000 tonnes LNG per day (tato) instead. For medium-capacity plants - this means liquefaction processes with a capacity of between 300 and 3,000 tpd LNG - and high capacity - which are liquefaction processes with a capacity of between 3,000 and 30,000 tpd LNG - the specialist strives to increase operating costs through high efficiency optimize. On the other hand, for smaller plants - this includes liquefaction processes with a capacity of between 10 and 300 tpd LNG - low investment costs are in the foreground. In such systems, the investment cost share of their own refrigeration system, in which, for example, nitrogen or a nitrogen-hydrocarbon mixture is used as a working medium, considerably. Therefore, if necessary, cooling in the liquefaction plant is dispensed with and a suitable refrigerant is imported. Typically, liquid nitrogen is used in this case and released after its use as a refrigerant gaseous to the atmosphere. If nearby air separation plants can inexpensively provide unused product quantities of liquid nitrogen, this concept makes quite commercial sense for small liquefaction plants.

[0003] Aus Kostengründen kommen bei kleinen, Flüssig-Stickstoff-gekühlten Anlagen im Regelfall gelötete Aluminium-Plattenwärmetauscher zur Anwendung. Diese Apparate sind jedoch empfindlich gegenüber starken thermischen Belastungen, wie sie bspw. durch ein Überangebot an Kältemittel und/oder grossen Temperaturdifferenzen zwischen warmen und kalten Prozessströmen entstehen können. Die resultierenden mechanischen Spannungen können zu Schäden an diesen Apparaten führen. For cost reasons come in small, liquid nitrogen cooled systems usually soldered aluminum plate heat exchanger used. However, these apparatuses are sensitive to strong thermal loads, such as may arise, for example, due to an oversupply of refrigerant and / or large temperature differences between hot and cold process streams. The resulting mechanical stresses can cause damage to these devices.

[0004] Zusätzlich ist zu beachten, dass während des Betriebs des Verflüssigungsprozesses die Gefriertemperatur der Einsatzfraktion nicht unterschritten werden darf. Der Festpunkt von Methan liegt mit -182 °C deutlich über der atmosphärischen Siedetemperatur von Stickstoff, die -196 °C beträgt. Ein Einfrieren der Anlage verursacht immer eine unerwünschte Betriebsstörung und kann zudem bleibende Schäden zur Folge haben. In addition, it should be noted that during the operation of the liquefaction process, the freezing temperature of the feed fraction must not be exceeded. The fixed point of methane at -182 ° C is well above the atmospheric boiling point of nitrogen, which is -196 ° C. Freezing the system always causes an undesirable malfunction and can also cause permanent damage.

[0005] Ein gattungsgemässes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion ist aus dem US-Patent 5,390,499 bekannt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Anlagen kleiner Kapazität, wie sie eingangs erläutert wurden. Bei dem im US-Patent 5,390,499 beschriebenen Verflüssigungsverfahren wird das zu verflüssigende Gas in zwei separaten Wärmetauschern gegen Stickstoff gekühlt und verflüssigt. Hierbei wird der flüssige tiefsiedende Stickstoff im zweiten Wärmetauscher vollständig verdampft und bis zu einer Temperatur angewärmt, bei der aus dem zu verflüssigenden Gas mittels eines Abscheiders schwerere Rohgaskomponenten flüssig abgezogen werden können. Bei einer wie in dem US-Patent 5,390,499 beschriebenen Verfahrensführung kann jedoch die Stelle, an der der Stickstoff vollständig verdampft ist, je nach Last erheblich schwanken. Dies kann zu unerwünschten Prozessbedingungen führen, die die vorgenannten Nachteile zur Folge haben. A generic method for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction is known from US Patent 5,390,499. This method is particularly suitable for small capacity systems, as they were explained in the introduction. In the liquefaction process described in US Pat. No. 5,390,499, the gas to be liquefied is cooled and liquefied in two separate heat exchangers against nitrogen. Here, the liquid low-boiling nitrogen is completely evaporated in the second heat exchanger and heated to a temperature at which heavier crude gas components can be removed liquid from the gas to be liquefied by means of a separator. However, in a process regime as described in US Pat. No. 5,390,499, the point at which the nitrogen has completely evaporated may vary considerably depending on the load. This can lead to undesirable process conditions that result in the aforementioned disadvantages.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemässes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoffreichen Einsatzfraktion anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere ein Verfahren schafft, das robust gegen betriebliche Störungen und Schäden ist. The object of the present invention is to provide a generic method for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction, which avoids the aforementioned disadvantages and in particular provides a method that is robust against operational disturbances and damage.

[0007] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem wenigstens dreistufigen Wärmetauschprozess erfolgt, wobei in dem ersten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die Einsatzfraktion gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff soweit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung der schwereren Komponenten realisierbar ist, in dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die von schwereren Komponenten befreite Einsatzfraktion gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff teilverflüssigt wird, und in dem dritten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die Einsatzfraktion gegen teilzuverdampfenden Stickstoff verflüssigt wird.To solve this problem, a method for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction is proposed, which is characterized in that the cooling and liquefaction of the feed fraction takes place in an at least three-stage heat exchange process, wherein, in the first section of the heat exchange process, the feed fraction is cooled to such an extent against superheated gaseous nitrogen that substantially complete separation of the heavier components is feasible, in the second section of the heat exchange process, the feed fraction freed from heavier components is partially liquefied against gaseous nitrogen to be superheated, and in the third section of the heat exchange process, the feed fraction is liquefied against partially vaporized nitrogen.

[0008] Unter dem Begriff «schwere Komponenten» seien nachfolgend Kohlenwasserstoffe ab Ethan zu verstehen. The term "heavy components" are to be understood below hydrocarbons from ethane.

[0009] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemässen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion sind dadurch gekennzeichnet, dass der dreistufige Wärmetauschprozess in einem oder mehreren Wärmetauschern realisiert wird, der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt wird, und der Siededruck des zu überhitzenden gasförmigen Stickstoffs auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt wird.Further advantageous embodiments of the inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction are characterized in that the three-stage heat exchange process is realized in one or more heat exchangers, the condensation pressure of the feed fraction freed from heavier components to values between 1 and 15 bara, preferably between 1 and 8 bara is set, and the boiling pressure of the gaseous nitrogen to be superheated is adjusted to values between 5 and 30 bara, preferably between 10 and 20 bara.

[0010] Das erfindungsgemässe Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. The inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction and further advantageous embodiments thereof will be explained in more detail with reference to the embodiment shown in FIG. 1.

[0011] Die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Einsatzfraktion wird über Leitung 1 einem Wärmetauscher E1 zugeführt. Dieser ist in drei Abschnitte bzw. Stufen a bis c aufgeteilt. Die Grenzen zwischen diesen Abschnitten bzw. Stufen sind durch die beiden gestrichelten Linien dargestellt. Im wärmsten Abschnitt a des Wärmetauschers E1 wird die Kohlenwasserstoff-reiche Einsatzfraktion gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff, der dem Wärmetauscher E1 über Leitung 9 zugeführt wird, soweit abgekühlt, dass in einem dem Wärmetauscher E1 nachgeschalteten Abscheider D2 eine Abtrennung der schweren Komponenten aus der Einsatzfraktion möglich ist. Dazu wird die abgekühlte Einsatzfraktion aus dem Wärmetauscher E1 über Leitung 1 ́ dem Abscheider D2 zugeführt. Aus dessen Sumpf werden über Leitung 2 ́, in der ein Ventil VI vorgesehen ist, die unerwünschten, schweren Komponenten in flüssiger Form abgezogen und aus dem Prozess abgegeben. The hydrocarbon-rich feed fraction to be liquefied is fed via line 1 to a heat exchanger E1. This is divided into three sections or stages a to c. The boundaries between these sections or steps are represented by the two dashed lines. In the warmest section a of the heat exchanger E1, the hydrocarbon-rich feed fraction against superheated gaseous nitrogen which is fed to the heat exchanger E1 via line 9, cooled so far that in a downstream of the heat exchanger E1 separator D2, a separation of the heavy components from the feed fraction is possible , For this purpose, the cooled feed fraction from the heat exchanger E1 via line 1 to the separator D2 is supplied. From the bottom of the unwanted, heavy components are withdrawn in liquid form and discharged from the process via line 2, in which a valve VI is provided.

[0012] Anstelle des in der Fig. 1dargestellten Abscheiders D2 kann eine Rektifizierkolonne zur Anwendung kommen, die eine schärfere Abtrennung schwerer Komponenten bzw. höherer Kohlenwasserstoffe aus der Einsatzfraktion zu erreichen. Instead of the separator D2 shown in FIG. 1, a rectification column may be used which achieves a sharper separation of heavy components or higher hydrocarbons from the feed fraction.

[0013] Am Kopf des Abscheiders D2 wird über Leitung 2 die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion abgezogen und dem zweiten Abschnitt b des Wärmetauschers E1 zugeführt. In diesem wird die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff 9 teilverflüssigt. Anschliessend erfolgt in der dritten Stufe c des Wärmetauschers E1 die vollständige Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen teilzuverdampfenden Stickstoff, der dem Wärmetauscher E1 über die Leitung 8 zugeführt wird. At the top of the separator D2, the feed fraction freed from heavy components is withdrawn via line 2 and fed to the second section b of the heat exchanger E1. In this, the freed from heavy components feed fraction is partially liquefied against overheated gaseous nitrogen 9. Subsequently, in the third stage c of the heat exchanger E1, the complete liquefaction of the feed fraction against teilzuverdampfenden nitrogen, which is supplied to the heat exchanger E1 via the line 8.

[0014] Die verflüssigte Einsatzfraktion wird nach Durchgang durch den Wärmetauscher E1 über Leitung 3, in der ein Regelventil V3 angeordnet ist, einem Speicherbehälter D4 zugeführt. Aus diesem kann das verflüssigte Produkt (LNG) über Leitung 4 abgegeben werden. Das Regelventil V3 dient der Entspannung der verflüssigten Einsatzfraktion auf den Produktabgabedruck, der mindestens annähernd dem Atmosphärendruck entspricht. The liquefied feed fraction is supplied to a storage tank D4 after passing through the heat exchanger E1 via line 3, in which a control valve V3 is arranged. From this, the liquefied product (LNG) can be discharged via line 4. The control valve V3 serves to relax the liquefied feed fraction to the product discharge pressure, which corresponds at least approximately to the atmospheric pressure.

[0015] Sofern der Stickstoff im dritten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 bei einem Druck von mehr als 15 bara verdampft wird, ist seine Siedetemperatur nicht mehr tief genug, um die verflüssigte Einsatzfraktion soweit zu unterkühlen, dass eine Ausgasung nach einer Entspannung im Regelventil V3 verhindert werden kann. In diesem Fall wird das im Speicherbehälter D4 entstehende Boil-off-Gas vorteilhafterweise über Leitung 5 abgezogen, im Verdichter C3 verdichtet und der von schweren Komponenten befreiten Einsatzfraktion 2 vor deren Verflüssigung wieder zugeführt und im Wärmetauscher E1 rückverflüssigt. Diese Verfahrensführung ist insbesondere bei einer nennenswerten Zwischenlagerung des LNG Produktes in einem atmosphärischen Flachbodentank D4 zu wählen, da somit auch das anfallende Boil-off-Gas verarbeitet wird. If the nitrogen in the third section c of the heat exchanger E1 is evaporated at a pressure of more than 15 bara, its boiling temperature is no longer deep enough to subcool the liquefied feed fraction so far that prevents outgassing after a relaxation in the control valve V3 can be. In this case, the resulting in the storage tank D4 boil-off gas is advantageously withdrawn via line 5, compressed in the compressor C3 and freed of heavy components feed fraction 2 fed back before their liquefaction and reliquefied in the heat exchanger E1. This procedure is to be chosen in particular for a significant intermediate storage of the LNG product in an atmospheric flat-bottom tank D4, since thus the resulting boil-off gas is processed.

[0016] Der für die Kältebereitstellung erforderliche Stickstoff wird dem Verflüssigungsprozess über Leitung 6 zugeführt. In vorteilhafter Weise ist ein Pufferbehälter D3 vorgesehen, der dem Ausgleich von Mengenschwankungen der zu verflüssigenden Einsatzfraktion und/oder des Kältemittels Stickstoff dient. Mittels einer Pumpe PI wird flüssiger Stickstoff in der erforderlichen Menge über Leitung 7 einem Abscheider Dl zugeführt. Aus dem Sumpf des Abscheiders D1 wird siedender Stickstoff entnommen und über Leitung 8 durch den kältesten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 geführt. Der dabei teilweise verdampfte Stickstoff wird anschliessend über Leitung 8 ́ erneut dem Abscheider D1 zugeführt. The nitrogen required for the provision of cold air is fed to the liquefaction process via line 6. Advantageously, a buffer container D3 is provided which serves to compensate for volume fluctuations of the feed fraction to be liquefied and / or the refrigerant nitrogen. By means of a pump PI liquid nitrogen is supplied in the required amount via line 7 to a separator Dl. From the bottom of the separator D1 boiling nitrogen is removed and passed through line 8 through the coldest section c of the heat exchanger E1. The partially vaporized nitrogen is then fed via line 8 again to the separator D1.

[0017] Sofern der noch zu beschreibende Rückverflüssigungsprozess betrieben wird, kann zumindest zeitweise die Kälteerzeugung durch die Rückverflüssigung des Stickstoffs den Kältebedarf der Erdgasverflüssigung übersteigen. Ein dadurch entstehendes Überangebot an flüssigem Stickstoff kann über Leitung 8‘‘ und Ventil V6 in den Pufferbehälter D3 abgegeben werden. If the re-liquefaction process to be described is still being operated, the refrigeration by the re-liquefaction of the nitrogen can at least temporarily exceed the refrigeration requirement of the natural gas liquefaction. A resulting oversupply of liquid nitrogen can be discharged via line 8 '' and valve V6 in the buffer tank D3.

[0018] Am Kopf des Abscheiders Dl wird über Leitung 9 gasförmiger Stickstoff abgezogen und dem mittleren Abschnitt b des Wärmetauschers E1 zugeführt. Im Gegenstrom zu der abzukühlenden und teilzuverflüssigenden Einsatzfraktion 2 wird der gasförmige Stickstoff durch den zweiten und ersten Abschnitt des Wärmetauschers E1 geführt und dabei angewärmt sowie überhitzt. Der überhitzte Stickstoff wird anschliessend über die Leitungsabschnitte 10 und 11 aus dem Prozess abgezogen. At the top of the separator Dl gaseous nitrogen is withdrawn via line 9 and fed to the central portion b of the heat exchanger E1. In countercurrent to the cooled and teilzuverflüssigenden feed fraction 2, the gaseous nitrogen is passed through the second and first section of the heat exchanger E1 and thereby warmed and overheated. The superheated nitrogen is then withdrawn via the line sections 10 and 11 from the process.

[0019] Mittels des Regelventils V4 kann der Siededruck des zu überhitzenden gasförmigen Stickstoffs 9 geregelt werden. In vorteilhafter Weise wird dieser Siededruck auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt. By means of the control valve V4, the boiling pressure of the superheated gaseous nitrogen 9 can be controlled. This boiling pressure is advantageously set to values between 5 and 30 bara, preferably between 10 and 20 bara.

[0020] In analoger Weise kann mittels des Regelventils V2 der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion 2 geregelt werden. Dieser Kondensationsdruck wird vorzugsweise auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt. In an analogous manner, the condensation pressure of the freed from heavier components feed fraction 2 can be controlled by means of the control valve V2. This condensation pressure is preferably set to values between 1 and 15 bara, preferably between 1 and 8 bara.

[0021] Mittels der Regelventile V2 und/oder V4 kann somit das Temperaturprofil im dritten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 kontrolliert werden. Während mittels des Regelventils V2 der Kondensationsdruck der Einsatzfraktion im Abschnitt zwischen den Regelventilen V2 und V3 festgelegt wird, wird mittels des Regelventils V4 der Siededruck des Stickstoffs im Abscheider D1 und dem dritten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 geregelt. Aufgrund der vorbeschriebenen Aufteilung des Wärmetauschprozesses in einen zweiten und dritten Abschnitt und mit der Phasentrennung im Abscheider Dl kann nunmehr exakt festgelegt werden, in welchem Abschnitt des Wärmetauschers E1 eine (Teil-)Verdampfung bzw. Überhitzung des Stickstoffes stattfindet. By means of the control valves V2 and / or V4 thus the temperature profile in the third section c of the heat exchanger E1 can be controlled. While the condensation pressure of the feed fraction is set in the section between the control valves V2 and V3 by means of the control valve V2, the boiling pressure of the nitrogen in the separator D1 and the third section c of the heat exchanger E1 is regulated by means of the control valve V4. Due to the above-described division of the heat exchange process into a second and third section and with the phase separation in the separator Dl can now be exactly determined in which section of the heat exchanger E1 takes place (partial) evaporation or overheating of the nitrogen.

[0022] Durch die Aufteilung des Wärmetauschprozesses E1 in drei Abschnitte a bis c kann zuverlässig ausgeschlossen werden, dass die Phasengrenze zwischen flüssigem und gasförmigem Kältemittel innerhalb des Wärmetauschers E1 wandert und dadurch unerwünschte thermische und mechanische Spannungen innerhalb des Wärmetauschers E1 bewirkt werden. By dividing the heat exchange process E1 in three sections a to c can be reliably ruled out that the phase boundary between liquid and gaseous refrigerant migrates within the heat exchanger E1 and thereby undesirable thermal and mechanical stresses within the heat exchanger E1 are effected.

[0023] Sofern der Stickstoffsiededruck (pN2) und der Rohgaskondensationsdruck (pRG) nach der Ungleichung pRG (bara) ≥ 0,3 pN2(bara) - 1 gewählt werden, wird eine thermische Überlastung des Wärmetauschers E1 durch unzulässig hohe Temperaturdifferenzen sicher vermieden. If the nitrogen boil pressure (pN2) and the crude gas condensation pressure (pRG) according to the inequality pRG (bara) ≥ 0.3 pN2 (bara) - 1 are selected, a thermal overload of the heat exchanger E1 is reliably avoided by unacceptably high temperature differences.

[0024] Durch die Begrenzung des Siededrucks des flüssigen Stickstoffs im dritten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 und des Abscheiders Dl auf mindestens 5 bara - die zugehörige Siedetemperatur beträgt -179 °C - kann sicher verhindert werden, dass im Wärmetauscher E1 eine Temperatur unterhalb der Gefriertemperatur von Methan auftritt. Somit sind Betriebsprobleme und ggf. Schäden durch Feststoffbildung ausgeschlossen. By limiting the boiling pressure of the liquid nitrogen in the third section c of the heat exchanger E1 and the separator Dl to at least 5 bara - the associated boiling temperature is -179 ° C - can be reliably prevented that in the heat exchanger E1, a temperature below the freezing temperature of methane occurs. Thus, operational problems and possibly damage due to solid formation are excluded.

[0025] Der über Leitung 10 aus dem Wärmetauscher E1 abgezogene überhitzte Stickstoff kann alternativ zu einer Abführung über Leitung 11 zumindest teilweise rückverflüssigt werden. Dazu wird der Stickstoff über die Leitungsabschnitte 12 und 13 einer Verdichtung zugeführt - in der Figur dargestellt durch eine zweistufige Verdichtereinheit C1/C2, wobei jeder Verdichtereinheit ein Wärmetauscher E3 bzw. E4 nachgeschaltet ist - und anschliessend über Leitung 14 einem Wärmetauscher E2 zugeführt. In diesem wird der Stickstoff rückverflüssigt und sodann über Leitung 15 dem Abscheider Dl zugeführt. Eine Druckregulierung des Verdichters C2 erfolgt über das Regelventil V5. Zum Zwecke der Kältebereitstellung im Wärmetauscher E2 wird über Leitung 16 ein Teilstrom des verdichteten Stickstoffstromes abgezogen, vorzugsweise mehrstufig entspannt - dargestellt durch die Gasexpander X1 und X2 - und anschliessend über Leitung 17 im Gegenstrom zu dem zu verflüssigenden Stickstoffström durch den Wärmetauscher E2 geführt. Die Wellen der Verdichter C1 und C2 sind vorzugsweise mit den Wellen der Gasexpander X2 und X1 gekoppelt. The withdrawn via line 10 from the heat exchanger E1 superheated nitrogen can be reliquefied at least partially as an alternative to a discharge via line 11. For this purpose, the nitrogen is supplied via the line sections 12 and 13 to a compression - shown in the figure by a two-stage compressor unit C1 / C2, each compressor unit is followed by a heat exchanger E3 and E4 - and then fed via line 14 to a heat exchanger E2. In this, the nitrogen is reliquefied and then fed via line 15 to the separator Dl. A pressure regulation of the compressor C2 via the control valve V5. For the purpose of providing cold in the heat exchanger E2 a partial stream of the compressed nitrogen stream is withdrawn via line 16, preferably multi-stage relaxed - represented by the gas expander X1 and X2 - and then passed through line 17 in countercurrent to the nitrogen stream to be liquefied by the heat exchanger E2. The shafts of the compressors C1 and C2 are preferably coupled to the shafts of the gas expander X2 and X1.

[0026] Sofern der vorbeschriebene Rückverflüssigungsprozess betrieben wird, ist es vorteilhaft, dem Wärmetauscher E1 über Leitung 9 nur die Menge an gasförmigem Stickstoff zuzuführen, die für eine kleine positive Temperaturdifferenz von ca. 3 °C zwischen den Strömen 1 und 10 am warmen Ende des Wärmetauschers E1 erforderlich ist. Die überschiessende Menge an kaltem, gasförmigen Stickstoff wird über Leitung 9 ́ anteilig zur Rückverflüssigung im Wärmetauscher E2 verwendet. If the above-described Rückverflüssigungsprozess is operated, it is advantageous to supply the heat exchanger E1 via line 9 only the amount of gaseous nitrogen, for a small positive temperature difference of about 3 ° C between the streams 1 and 10 at the warm end of Heat exchanger E1 is required. The excess amount of cold, gaseous nitrogen is used via line 9 in proportion to the re-liquefaction in the heat exchanger E2.

[0027] Grundsätzlich kann der Verflüssigungsprozess mittels «importiertem» Stickstoff - in diesem Falle wird der überhitzte Stickstoff aus dem Wärmetauscher E1 über die Leitungsabschnitte 10 und 11 abgezogen -, mittels rückverflüssigtem Stickstoff oder durch eine beliebige Kombination beider Betriebsarten erfolgen. In principle, the liquefaction process by means of "imported" nitrogen - in this case, the superheated nitrogen is withdrawn from the heat exchanger E1 via the line sections 10 and 11 - done by means of re-liquefied nitrogen or by any combination of both modes.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoffreichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt, dadurch gekennzeichnet, – dass die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem wenigstens dreistufigen Wärmetauschprozess (E1a – E1c) erfolgt, – wobei in dem ersten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1a) die Einsatzfraktion (1) gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff (9) soweit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung (D2) der schwereren Komponenten (2 ́) realisierbar ist, – in dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1b) die von schwereren Komponenten befreite Einsatzfraktion (2) gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff (9) teilverflüssigt wird, und – in dem dritten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1c) die Einsatzfraktion (2) gegen teilzuverdampfenden Stickstoff (8) verflüssigt wird.1. A process for liquefying a hydrocarbon-rich feed fraction, preferably of natural gas, against a nitrogen refrigeration cycle, wherein the cooling of the feed fraction to be heated against gaseous nitrogen and the liquefaction of the feed fraction takes place against to be evaporated, liquid nitrogen, characterized That the cooling and liquefaction of the feed fraction takes place in an at least three-stage heat exchange process (E1a-E1c), Wherein, in the first section of the heat exchange process (E1a), the feed fraction (1) is cooled sufficiently against superheated gaseous nitrogen (9) so that a substantially complete separation (D2) of the heavier components (2) can be realized, - In the second section of the heat exchange process (E1b) freed from heavier components feed fraction (2) is partially liquefied to be overheated gaseous nitrogen (9), and - In the third section of the heat exchange process (E1c) the feed fraction (2) is liquefied against teilzuverdampfenden nitrogen (8). 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dreistufige Wärmetauschprozess (E1a – E1c) in einem oder mehreren Wärmetauschern realisiert wird.2. The method according to claim 1, characterized in that the three-stage heat exchange process (E1a - E1c) is realized in one or more heat exchangers. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion (2) auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt wird (V2).3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the condensation pressure of the freed from heavier components feed fraction (2) is set to values between 1 and 15 bara, preferably between 1 and 8 bara (V2). 4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Siededruck des zu überhitzenden gasförmigen Stickstoffs (9) auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt wird (V4).4. The method according to any one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that the boiling pressure of the gaseous nitrogen to be reheated (9) to values between 5 and 30 bara, preferably between 10 and 20 bara is set (V4).
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