DE102005010055A1

DE102005010055A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes

Info

Publication number: DE102005010055A1
Application number: DE102005010055A
Authority: DE
Inventors: Hans Dr. Schmidt
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: NO20075003L; RU2007136598A; EP1864062A1; CN101189483A; WO2006094675A1; CA2600027A1; AU2006222325B2; AU2006222325A1; BRPI0609292A2; US20090205366A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, beschrieben, wobei DOLLAR A - die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (X, X') im Wärmetausch (E) gegen ein drei- oder mehrkomponentiges Kältemittelgemisch erfolgt, DOLLAR A - eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist, DOLLAR A - eine der Komponenten Propan, Propylen oder ein C¶4¶-Kohlenwasserstoff ist, DOLLAR A - eine der Komponenten C¶2¶H¶4¶ ist, DOLLAR A - die Verdichtung des Kältemittelgemischstromes (4, 7) mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung (C1, C2) erfolgt, DOLLAR A - vor der Abkühlung (E) und kälteleistenden Entspannung (a, b, c) des Kältemittelgemisches eine Auftrennung (D) des Kältemittelgemisches in eine höher siedende (5) und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion (2) erfolgt und DOLLAR A - die höher siedende (5) und die tiefer siedende Kältemittelfraktion (2) nach ihren kälteleistenden Entspannungen (a, b, c) am warmen Ende des Wärmetausches (E) auf unterschiedlichen Drücken der Verdichtung (C1, C2) zugeführt werden (4, 7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes.
Erdgasverflüssigungsanlagen werden entweder als sog. LNG-Baseload-Anlagen – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie – oder als sog. Peak Shaving Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfs – ausgelegt.
Größere LNG-Anlagen werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, die aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Diese Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als Expander-Kreisläufe und ermöglichen relativ niedrige spezifische Energieverbräuche.

Aus der DE-A 102 09 799 ist ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, bekannt, gemäß dem die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen einen zweikomponentigen Kältemittelgemischstrom erfolgt; hierbei ist die eine Komponente ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, während die andere Komponente ein schwerer Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Propan oder Propylen, ist. Vor der Abkühlung und kälteleistenden Entspannung dieser Komponenten erfolgt eine Auftrennung des Kältemittelgemisches in eine höher siedende und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion.

Von Nachteil bei der in der DE-A 102 09 799 beschriebenen Verfahrensweise ist, dass das Vorsehen von zwei Kältemittelkomponenten zu verhältnismäßig großen Temperaturdifferenzen in den Wärmetauschern führen kann. Diese Temperaturdifferenzen wiederum erfordern entsprechend hohe Verdichterleistungen.

Aus der US-A 6,347,531 ist ein ähnliches Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bekannt. Bei diesem wird das Niederdruck-Kältemittel durch den Kreislaufverdichter kalt angesaugt. Sog. kaltansaugende Verdichter haben jedoch den Nachteil, dass sie im Betrieb, insbesondere während des An- und Abfahrens, umständlicher als nicht-kaltansaugende Verdichter zu betreiben sind. Des Weiteren ist bei dem in der US-A 6,347,531 beschriebenen Verflüssigungsverfahren von Nachteil, dass das Kältemittel auf einem Zwischendruck teilverflüssigt wird, woraus ein größerer apparativer Aufwand resultiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und darüber hinaus die Realisierung eines niedrigeren spezifischen Energiebedarfes ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vorgeschlagen, wobei

– die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen ein drei- oder mehrkomponentiges Kältemittelgemisch erfolgt,
– eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist,
– eine der Komponenten Propan, Propylen oder ein C₄-Kohlenwasserstoff ist,
– eine der Komponenten C₂H₄ oder C₂H₆ ist,
– die Verdichtung des Kältemittelgemischstromes mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung erfolgt,
– vor der Abkühlung und kälteleistenden Entspannung des Kältemittelgemisches eine Auftrennung des Kältemittelgemisches in eine höher siedende und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion erfolgt und
– die höher siedende und die tiefer siedende Kältemittelfraktion nach ihren kälteleistenden Entspannungen auf unterschiedlichen Drücken der Verdichtung zugeführt werden.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass der spezifische Energieaufwand der Verflüssigung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens um ca. 30 % verringert werden kann. Des Weiteren können die Temperaturdifferenzen innerhalb des bzw. der Wärmetauscher beträchtlich verringert werden. Dies hat zur Folge, dass der instationäre Betrieb einfacher beherrschbar ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sind:

– das Kältemittelgemisch ist ein, dreikomponentiges Kältemittelgemisch,
– die Kältemittelfraktionen werden getrennt abgekühlt, getrennt kälteleistend entspannt und getrennt gegen den zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom angewärmt
– eine weitere Komponente des Kältemittelgemisches ist Stickstoff
– die Verdichtung des Kältemittelgemischstromes erfolgt mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung und die höher siedende Kältemittelfraktion wird der tiefer siedenden Kältemittelfraktion auf einer Zwischendruckstufe zugemischt
– als weitere Komponente(n) des Kältemittelgemisches wird bzw. werden wenigstens ein C₄- bis C₆-Kohlenwasserstoff verwendet; die Verwendung weiterer Kältemittelgemischkomponenten macht insbesondere bei größeren Verflüssigungsleistungen ab 10 t/h Sinn
– zumindest ein Teilstrom der tiefer siedenden Kältemittelfraktion wird partiell kondensiert und die dabei gewonnene Flüssigfraktion unterkühlt und entspannt

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Gemäß der in der Figur dargestellten Verfahrensweise wird dem erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahren über Leitung X ein trockener, vorbehandelter Kohlenwasserstoff-reicher Strom, beispielsweise Erdgas, zugeführt und im Wärmetauscher E verflüssigt und ggf. unterkühlt. Der Kohlenwasserstoff-reiche Strom weist beispielsweise einen Druck zwischen 10 und 60 bar auf. Der verflüssigte und ggf. unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird anschließend über Leitung X' seiner weiteren Verwendung zugeführt. In der Figur nicht dargestellt ist eine ggf. vorzusehende Abtrennung unerwünschter Komponenten, wie beispielsweise höhere Kohlenwasserstoffe. Hierzu sei auf die entsprechenden Ausführungen in der vorgenannten DE-A 102 09 799 verwiesen.
Die Abkühlung und Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes X, X' erfolgt erfindungsgemäß im Wärmetausch gegen einen drei- oder mehrkomponentigen Kältemittelgemischstrom, wobei eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes – vorzugsweise Methan -, eine der Komponenten Propan, Propylen oder ein C₄-Kohlenwasserstoff und eine der Komponenten C₂H₄ oder C₂H₆ ist.
Der entsprechende Kältekreislauf weist vorzugsweise eine zweistufige Verdichtereinheit auf, bestehend aus den Verdichterstufen C1 und C2. Jeder Verdichterstufe ist ein in der Figur nicht dargestellter Luft- oder Wasserkühler nachgeschaltet. Ferner weist der Kältekreislauf einen Hochdruck-Abscheider D auf. Das Vorsehen lediglich eines Hochdruck-Abscheiders D reduziert – verglichen mit den bekannten Kältemittelgemischkreisläufen – den betriebstechnischen Aufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens erheblich.
Im Abscheider D wird das Kältemittelgemisch in eine tiefer siedende und eine höher siedende Fraktion aufgetrennt. Die tiefer siedende Fraktion wird dem Abscheider D über Leitung 2 entnommen, im Wärmetauscher E abgekühlt, kondensiert sowie unterkühlt und anschließend am kalten Ende des Wärmetauschers E im Entspannungsventil b kälteleistend entspannt. Über Leitung 3 wird die entspannte Fraktion wieder dem Wärmetauscher E zugeführt, in ihm gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft sowie überhitzt und anschließend über Leitung 4 der ersten Verdichterstufe C1 zugeführt.
Nach Verdichtung und in der Figur nicht dargestellter Abkühlung wird die verdichtete tiefer siedende Fraktion über Leitung 8 der zweiten Verdichterstufe C2 zugeführt – auf die Zumischung der höher siedenden Fraktion wird im Folgenden noch näher eingegangen werden – und auf den gewünschten Kreislaufenddruck, der beispielsweise zwischen 20 und 60 bar liegt, verdichtet. Auch der zweiten Verdichterstufe C2 ist ein in der Figur nicht dargestellter Wärmetauscher als Kühler nachgeschaltet. Das in diesem abgekühlte und teilweise kondensierte Kältemittelgemisch wird über Leitung 1 wieder dem Abscheider D zugeführt.
Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung 5 eine höher siedende Flüssigfraktion abgezogen, im Wärmetauscher E abgekühlt und anschließend im Entspannungsventil a kälteleistend auf den gewünschten Zwischendruck entspannt.
Anschließend wird diese Fraktion über Leitung 6 wiederum dem Wärmetauscher E zugeführt, in ihm gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft sowie überhitzt und anschließend über Leitung 7 der Verdichtereinheit vor deren zweiter Verdichterstufe C2 zugeführt.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahrens kann zumindest ein Teilstrom 9 der tiefer siedenden Kältemittelfraktion 2 nach einer Abkühlung und partiellen Kondensation über die gestrichelt dargestellte Leitung 9 aus dem Wärmetauscher E abgezogen und einem gestrichelt dargestellten (sog. "kalten") Abscheider D' zugeführt werden. Die am Kopf des Abscheiders D' über die gestrichelt dargestellte Leitung 10 abgezogene gasförmige Fraktion wird wiederum dem Wärmetauscher E zugeführt, unterkühlt und zum Zwecke der Bereitstellung der für den Verflüssigungsprozess erforderlichen Spitzenkälte im Ventil b entspannt.
Die über die gestrichelt dargestellte Leitung 11 aus dem Sumpf des Abscheiders D' abgezogene Flüssigfraktion wird im Wärmetauscher E unterkühlt, im Ventil c kälteleistend entspannt, über Leitung 12 dem Wärmetauscher E zugeführt und der Kältemittelfraktion in der Leitung 3 beigemischt.
Neben diesem Abscheider D' können weitere, sog. "kalte Abscheider" vorgesehen werden. Diese führen zu einer Verbesserung des spezifischen Energiebedarfes des erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahrens, machen jedoch aufgrund des zusätzlich erforderlichen apparativen Aufwandes nur bei größeren Verflüssigungsanlagen Sinn.
Die in dem Abscheider D' und ggf. weiteren "kalten Abscheidern" gewonnenen, höher siedenden Fraktionen werden vorzugsweise unterkühlt, auf den Druck der (ersten) höher siedenden Fraktion entspannt und derjenigen Verdichterstufe zugeführt, der auch die (erste) höher siedende Fraktion zugeführt wird. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Figur durch die punktiert gezeichnete Leitung 13 dargestellt. Je nach Temperaturprofil im Wärmetauscher E ist auch eine Zumischung zu dem Niederdruck-Kältemittelstrom in den Leitungsabschnitten 3 und 4 sinnvoll.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen das Kältemittelgemisch in Plattenwärmetauschern. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensführung kann bei Verflüssigungsanlagen mit einer Verflüssigungskapazität von bis zu 10 bis 15 t/h die Prozessführung in einem einzigen Plattenwärmetauscher realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, vermeidet sämtliche Nachteile des eingangs zitierten Standes der Technik.

Claims

Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei – die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (X, X') im Wärmetausch (E) gegen ein drei- oder mehrkomponentiges Kältemittelgemisch erfolgt, – eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist, – eine der Komponenten Propan, Propylen oder ein C₄-Kohlenwasserstoff ist, – eine der Komponenten C₂H₄ oder C₂H₆ ist, – die Verdichtung des Kältemittelgemischstromes (4, 7) mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung (C1, C2) erfolgt, – vor der Abkühlung (E) und kälteleistenden Entspannung (a, b, c) des Kältemittelgemisches eine Auftrennung (D) des Kältemittelgemisches in eine höher siedende (5) und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion (2) erfolgt und – die höher siedende (5) und die tiefer siedende Kältemittelfraktion (2) nach ihren kälteleistenden Entspannungen (a, b, c) am warmen Ende des Wärmetausches (E) auf unterschiedlichen Drücken der Verdichtung (C1, C2) zugeführt werden (4, 7)
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittelgemisch ein dreikomponentiges Kältemittelgemisch ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelfraktionen (2, 5) getrennt abgekühlt (E), getrennt kälteleistend entspannt (a, b, c) und getrennt gegen den zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom (X, X') angewärmt werden (E).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Komponente des Kältemittelgemisches Stickstoff ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Komponente(n) des Kältemittelgemisches wenigstens ein C₄- bis C₆-Kohlenwasserstoff verwendet wird bzw. werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom (9) der tiefer siedenden Kältemittelfraktion (2) partiell kondensiert (D') und die dabei gewonnene Flüssigfraktion (11) unterkühlt (E) und entspannt (c) wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere weitere Teilströme der tiefer siedenden Kältemittelfraktion (2) partiell kondensiert und die dabei gewonnene Flüssigfraktion unterkühlt (E) und entspannt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der oder den partiellen Kondensationen (D') eines oder mehrere Teilströme der tiefer siedenden Kältemittelfraktion (2) gewonnene, weitere höher siedende Fraktion (11) unterkühlt, auf den Druck der höher siedenden Fraktion (6, 7) entspannt und derjenigen Verdichterstufe (C2) zugeführt wird (13), der auch die höher siedende Fraktion (6, 7) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der oder den partiellen Kondensationen (D') eines oder mehrere Teilströme der tiefer siedenden Kältemittelfraktion (2) gewonnene, weitere höher siedende Fraktion (11) unterkühlt, auf den Druck der niedriger siedenden Fraktion (3, 4) entspannt und derjenigen Verdichterstufe (C1) zugeführt wird, der auch die niedriger siedende Fraktion (3, 4) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (X, X') gegen das Kältemittelgemisch in Plattenwärmetauschern, vorzugsweise in einem einzigen Plattenwärmetauscher (E) erfolgt.