DE102005010051A1

DE102005010051A1 - Verfahren zum Verdampfen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes

Info

Publication number: DE102005010051A1
Application number: DE102005010051A
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr. Bauer; Barbara Buttinger; Thomas Hecht; Rainer Sapper
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-07
Also published as: US20090008340A1; RU2007136600A; AU2006220062B2; AU2006220062A1; WO2006092261A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben des Wärmeaustausches zwischen wenigstens einem abzukühlenden und wenigstens einem zu verdampfenden, wenigstens zweikomponentigen Prozessstrom, wobei der dem Wärmeaustausch zugeführte, zu verdampfende Prozessstrom eine Aufwärtsverdampfung erfährt, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird zumindest dann, wenn der während der Verdampfung (E) erzeugte Gasanteil so gering ist, dass ein Mitführen des Flüssiganteiles des zu verdampfenden Prozessstromes (2, 5, 6, 10, 11) nicht mehr gewährleistet ist, dem zu verdampfenden Prozessstrom (2, 5, 6, 10, 11) vor der Zuführung in den Wärmeaustausch (E) und/oder zu Beginn des Wärmeaustausches (E) ein Gas, ein Gasgemisch, ein Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein ein- oder mehrkomponentiges Fluid, das bei der Vermischung mit dem zu verdampfenden Prozessstrom ein Gas bzw. Gasgemisch erzeugt, zugespeist (3, 3', 3'', 3''', 13), wobei die zugespeiste Menge zumindest so bemessen ist, dass ein Mitführen des Flüssiganteiles des zu verdampfenden Prozessstromes (2, 5, 6, 10, 11) gewährleistet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben des Wärmeaustausches zwischen wenigstens einem abzukühlenden und wenigstens einem zu verdampfenden, wenigstens zweikomponentigen Prozessstrom, wobei der dem Wärmeaustausch zugeführte, zu verdampfende Prozessstrom eine Aufwärtsverdampfung erfährt.

Bei einer Vielzahl unterschiedlichster Verfahren, wie beispielsweise der Erdgasverflüssigung, der Gewinnung von Olefinen, der Wasserstoff-Trennung im kalten Teil von Ethylenanlagen, in Wasserstoff- sowie Stickstoffwäschen, in Kondensataufbereitungsprozessen, etc., werden Gemische in Wärmetauschern verdampft. Hierbei kann diese Verdampfung von oben nach unten oder von unten nach oben ausgeführt werden; letzteres wird als sog. "Aufwärtsverdampfung" oder "stehende Verdampfung" bezeichnet. Als "Heizmedium" werden hierbei ein oder mehrere warme Prozessströme, die durch das verdampfende Gemisch abgekühlt werden, herangezogen.

Wird eine Aufwärtsverdampfung realisiert, kann die Flüssigkeit des verdampfenden Prozessstromes nur dann gleichmäßig in dem Wärmetauscher nach oben gefördert werden, wenn die bei der Verdampfung erzeugte Gasmenge ausreichend groß ist. Während des Anfahrens eines Prozesses bzw. während des Teillastbetriebes besteht jedoch immer die Gefahr, dass die in dem Wärmetauscher bei der Verdampfung erzeugte Gasmenge nicht ausreicht, um eine Anreicherung der schwereren Komponenten des zu verdampfenden Gemisches zu verhindern. Tritt dieser Effekt ein, kann der bzw. können die abzukühlenden Prozessströme nicht mehr ausreichend abgekühlt werden – der Wärmeaustauscher kann dann seine Aufgabe nicht mehr erfüllen. Man spricht in diesem Falle von einem "Einschlafen" des Wärmeaustauschers.

Ferner kann es bei einer zu geringen Gaslast bzw. -menge darüber hinaus zu einer ungleichmäßigen Durchströmung des Wärmetauschers kommen. Aufgrund dieser ungleichmäßigen Durchströmung verändern sich die Temperaturen innerhalb des Wärmetauschers und es kommt zu einem Anstieg der unerwünschten mechanischen Spannungen. In Extremfällen können die durch eine Ungleichverteilung induzierten Spannungserhöhungen so groß werden, dass daraus ein mechanisches Versagen des Wärmetauschers resultiert.

Bei verschiedenen Prozessen, wie beispielsweise Erdgasverflüssigungsprozessen, werden Gemischströme kondensiert und abgekühlt, indem ein anderes und/oder das gleiche Gemisch bei einem niedrigeren Druck verdampft wird. Auch bei diesen Prozessen können während des Anfahrvorganges unzulässige mechanische Spannungen aufgrund von zu großen Temperaturdifferenzen zwischen warmen und kalten Gemischen und/oder aufgrund einer zu schnellen Abkühlung der Gemische auftreten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das zu jedem Zeitpunkt ein Mitführen des Flüssiganteiles des zu verdampfenden Prozessstromes in ausreichender Menge gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest dann, wenn der während der Verdampfung erzeugte Gasanteil so gering ist, dass ein Mitführen des Flüssiganteiles des zu verdampfenden Prozessstromes nicht mehr gewährleistet ist, dem zu verdampfenden Prozessstrom vor der Zuführung in den Wärmeaustausch und/oder zu Beginn des Wärmeaustausches ein Gas, ein Gasgemisch, ein Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein ein- oder mehrkomponentiges Fluid, das bei der Vermischung mit dem zu verdampfenden Prozessstrom ein Gas bzw. Gasgemisch erzeugt, zugespeist wird, wobei die zugespeiste Menge zumindest so bemessen ist, dass ein Mitführen des Flüssiganteiles des zu verdampfenden Prozessstromes gewährleistet ist.

Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird nunmehr sichergestellt, dass auch während des Anfahr- sowie Teillastbetriebes ein Mitführen des Flüssiganteiles des zu verdampfenden Prozessstromes jederzeit gewährleistet ist. Eine mechanische Überbeanspruchung des Wärmetauschers kann somit wirkungsvoll verhindert werden. Auch das vorbeschriebene "Einschlafen" eines Wärmetauschers wird durch das erfindungsgemäße Verfahren verhindert.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass

– das dem zu verdampfenden Prozessstrom zugespeiste Gas, Gasgemisch, Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein- oder mehrkomponentiges Fluid aus dem zu verdampfenden Prozessstrom vor und/oder nach dessen Verdampfung abgezogen wird, und
– das dem zu verdampfenden Prozessstrom zugespeiste Gas, Gasgemisch, Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein- oder mehrkomponentiges Fluid eine zu dem zu verdampfenden Prozessstrom identische Zusammensetzung aufweist.

Im Hinblick auf die Temperaturen des zu verdampfenden Prozessstrom sowie des zuzuspeisenden Gases, Gasgemisches, Gas/Flüssigkeitsgemisches und/oder ein- oder mehrkomponentiges Fluides gilt, dass diese entweder (annähernd) gleich oder unterschiedlich sein können. Hierbei sind (annähernd) gleiche Temperaturen vorteilhaft bei kleinen Temperaturdifferenzen innerhalb des Apparates bzw. Wärmetauschers, da dadurch die effektive treibende Temperaturdifferenz nicht reduziert wird. Insbesondere während des Anfahrens können jedoch große Temperaturdifferenzen zwischen dem/den warmen und kalten Verfahrensströmen auftreten, die zu zusätzlichen mechanischen Spannungen im Apparat führen. Durch Zuspeisung eines warmen Gasstromes in den zu verdampfenden Verfahrensstrom wird die Temperaturdifferenz und damit die mechanische Spannung reduziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand der in den 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
In den 1 bis 5 dargestellt ist jeweils ein Wärmetauscher E, bei dem es sich vorzugsweise um einen stehenden Rohr/Mantel-Wärmetauscher, einen Plattentauscher und/oder einen gewickelten Wärmetauscher handelt.
Diesem Wärmetauscher E wird über Leitung 1 ein abzukühlender ein- oder mehrkomponentiger Prozessstrom zugeführt, der nach erfolgter Abkühlung und ggf. (Teil)Kondensation im Wärmetauscher E aus diesem über die Leitung 1' abgezogen wird.
Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen wird der zu verdampfende Prozessstrom über Leitung 2 dem Wärmetauscher E zugeführt und nach erfolgter Verdampfung aus diesem über Leitung 2' abgezogen.
Gemäß der in der 1 dargestellten Ausführungsform kann dem zu verdampfenden Prozessstrom in der Leitung 2 nunmehr erfindungsgemäß über die Leitung 3 ein Gas, Gasgemisch, Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein ein- oder mehrkomponentiges Fluid zugespeist werden. Diese Verfahrensführung wird vorzugsweise dann gewählt, wenn für die 2-Phasen-Einspeisung in den Apparat bzw. Wärmetauscher E keine 2-Phasen-Verteilung benötigt wird.
Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform erfolgt die vorbeschriebene Zuspeisung über die Leitung 3' zu Beginn des Wärmeaustausches zwischen dem zu verdampfenden Prozessstrom 2 und dem abzukühlenden Prozessstrom 1. Diese Verfahrensführung bringt insbesondere dann Vorteile mit sich, wenn der zu verdampfende Prozessstrom 2 einen geringen Gasanteil aufweist und der zugespeiste Strom 3' über eine separate Vorrichtung im Apparat bzw. Wärmetauscher E mit dem zu verdampfenden Prozessstrom 2 zusammengeführt wird.
Wie bereits erwähnt, kann das dem zu verdampfenden Prozessstrom zugeführte Gas, Gasgemisch, Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein- oder mehrkomponentige Fluid eine zu dem zu verdampfenden Prozessstrom identische Zusammensetzung oder aber eine andere, für den jeweiligen Anwendungsfall geeignete Zusammensetzung aufweisen.
In den 3 und 4 dargestellt sind zwei weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen der zu verdampfende Prozessstrom über Leitung 4 einem Abscheider D zugeführt und in diesem einer Phasentrennung unterworfen wird. Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung 5 eine Flüssigfraktion und über Leitung 6 aus dem Kopf des Abscheiders D eine gasförmige Fraktion abgezogen. Im Eintrittsbereich des Wärmetauschers E werden diese beiden Fraktionen wiedervereinigt und nach erfolgtem Durchgang durch den Wärmetauscher E über Leitung 7 abgezogen. Diese Verfahrensführung der Phasentrennung und anschließender Wiedervereinigung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn sich die Zusammensetzungen des zuzuspeisenden Stromes bzw. Fluides 3'' und des zu verdampfenden Verfahrensstromes ähneln, so dass bei der Zusammenführung der vorgenannten Verfahrensströme kein zusätzliches Gas erzeugt wird. Diese Verfahrensführung hat den Vorteil, dass der Abscheider D kleiner dimensioniert werden kann.
Die erfindungsgemäße Zuspeisung eines Gases, Gasgemisches, Gas/Flüssigkeitsgemisches und/oder ein- oder mehrkomponentigen Fluids erfolgt nunmehr über die Leitung 3'' in die am Kopf des Abscheider D über Leitung 6 abgezogene Gasphase – wie diese in der 3 dargestellt ist – oder über Leitung 3''' in den zu verdampfende Prozessstrom, bevor er der Phasentrennung D zugeführt wird.
Die in der 4 dargestellte Verfahrensführung hat insbesondere dann Vorteile, wenn die Verfahrensströme 4 und 3''' eine große Temperaturdifferenz und/oder sehr unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, da bei dieser Verfahrensführung bereits vor der Phasentrennung im Abscheider D eine gute Durchmischung der beiden vorgenannten Verfahrensströme 4 und 3''' realisiert werden kann.
In der 5 dargestellt ist eine weitere Ausführungsform, wie sie beispielsweise im Rahmen eines Erdgasverflüssigungsprozesses zur Anwendung kommt.
Hierbei wird der später zu verdampfende Prozessstrom, der dem Wärmetauscher E über Leitung 8 zugeführt wird, zunächst in diesem abgekühlt und teilkondensiert. Anschließend wird er über Leitung 9 aus dem Wärmetauscher E abgezogen, im Ventil a kälteleistend entspannt und im Abscheider D einer Phasentrennung unterworfen.
Wie bereits anhand der in den 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert, wird aus dem Sumpf des Abscheider D über Leitung 10 eine Flüssigfraktion und aus dem Kopf des Abscheiders D über Leitung 11 eine gasförmige Fraktion abgezogen und dem Wärmetauscher E gemeinsam zugeführt und wieder vereinigt. Der teilverdampfte vereinigte Prozessstrom wird anschließend über Leitung 12 aus dem Wärmetauscher E abgezogen.
Über Leitung 13 wird erfindungsgemäß ein Teilstrom des über Leitung 8 dem Wärmetauscher E zugeführten Prozessstromes abgezogen, im Ventil b entspannt und dem abgekühlten Prozessstrom in der Leitung 9 vor der Phasentrennung D zugemischt.
Denkbar ist ferner, dass ein in der 5 nicht dargestellte Abscheider in der Leitung 8 vorgesehen ist, in dem der abzukühlende Prozessstrom vor der Zuführung in den Wärmetauscher E einer Phasentrennung unterworfen wird. Während die in der Phasentrennung gewonnene Flüssigfraktion zur Gänze dem Wärmetauscher E zum Zwecke der Abkühlung zugeführt wird, wird ein Teilstrom der am Kopf der Phasentrennung gewonnenen gasförmigen Fraktion über Leitung 13 und Entspannungsventil b – wie in der 5 dargestellt – dem Prozessstrom in der Leitung 9 vor der Phasentrennung D zugeführt.

Claims

Verfahren zum Betreiben des Wärmeaustausches zwischen wenigstens einem abzukühlenden und wenigstens einem zu verdampfenden, wenigstens zweikomponentigen Prozessstrom, wobei der dem Wärmeaustausch zugeführte, zu verdampfende Prozessstrom eine Aufwärtsverdampfung erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest dann, wenn der während der Verdampfung (E) erzeugte Gasanteil so gering ist, dass ein Mitführen des Flüssiganteiles des zu verdampfenden Prozessstromes (2, 5, 6, 10, 11) nicht mehr gewährleistet ist, dem zu verdampfenden Prozessstrom (2, 5, 6, 10, 11) vor der Zuführung in den Wärmeaustausch (E) und/oder zu Beginn des Wärmeaustausches (E) ein Gas, ein Gasgemisch, ein Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein ein- oder mehrkomponentiges Fluid, das bei der Vermischung mit dem zu verdampfenden Prozessstrom ein Gas bzw. Gasgemisch erzeugt, zugespeist wird (3, 3', 3'', 3''', 13), wobei die zugespeiste Menge zumindest so bemessen ist, dass ein Mitführen des Flüssiganteiles des zu verdampfenden Prozessstromes (2, 5, 6, 10, 11) gewährleistet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch (E) in einem stehenden Rohr/Mantel-Wärmetauscher, Plattentauscher und/oder gewickelten Wärmetauscher erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dem zu verdampfenden Prozessstrom (2, 5, 6, 10, 11) zugespeiste Gas, Gasgemisch, Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein- oder mehrkomponentiges Fluid (3, 3', 3'', 3''', 13) aus dem zu verdampfenden Prozessstrom (2, 5, 6, 10, 11) vor und/oder nach dessen Verdampfung (E) abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das dem zu verdampfenden Prozessstrom (2, 5, 6, 10, 11) zugespeiste Gas, Gasgemisch, Gas/Flüssigkeitsgemisch und/oder ein- oder mehrkomponentiges Fluid (3, 3', 3'', 3''', 13) eine zu dem zu verdampfenden Prozessstrom (2, 5, 6, 10, 11) identische Zusammensetzung aufweist.