DE102005038266A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältemittelgemischkreislaufes, wobei das Kältemittelgemisch nach erfolgter Entspannung gegen den abzukühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom und sich selbst verdampft wird, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß erfolgt die verfahrenstechnische Auslegung derart, dass zwischen 90 und 99% des zu verdampfenden Kältemittelgemischstromes (4) verdampfen, anschließend eine Auftrennung (D) des teilverdampften Kältemittelgemischstromes (4) in eine Gas- (5) und eine Flüssigfraktion (6) erfolgt, die Gasfraktion (5) auf den gewünschten Enddruck verdichtet (V) wird, die Flüssigfraktion (6) gepumpt wird (P) und die beiden Fraktionen (5, 6) anschließend vereinigt werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältemittelgemischkreislaufes, wobei das Kältemittelgemisch nach erfolgter Entspannung gegen den abzukühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom und sich selbst verdampft wird.
- Erdgasverflüssigungsanlagen werden heutzutage in der Regel mit sog. Gemischkreisläufen als Kältekreisläufe betrieben. Als Kältemittel dient dabei ein Gemisch, das sich aus zwei oder mehreren Komponenten der folgenden Stoffe zusammensetzt: Stickstoff, Methan, Ethan oder Ethylen, Propan oder Propylen, Butan und ggf. noch höhere Kohlenwasserstoffe.
- Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist bspw. aus der deutschen Patentanmeldung
DE 197 16 415 bekannt. Mit der Zitierung dieser Patentanmeldung sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung integriert. - Das Kältemittelgemisch wird dabei in einem ein- oder mehrstufigen Kompressor verdichtet, in einem oder mehreren, ggf. unterschiedlichen Wärmeaustauschern gekühlt, verflüssigt und unterkühlt. Nach seiner Entspannung – in einem Ventil oder einer Expansionsturbine – wird das Kältemittelgemisch bspw. im Außenraum eines gewickelten Wärmeaustauschers im Fallstrom total verdampft und 5 bis 15 K über seinen Taupunkt angewärmt, damit es sicher im Kreislaufkompressor wieder verdichtet werden kann.
- Es hat sich nun herausgestellt, dass Wärmeaustauscher, in denen diese Totalverdampfung und Überhitzung des Kreislaufmediums bzw. Kältemittelgemisches erfolgt, Leckagen – im Falle eines gewickelten Wärmeaustauschers in den gewickelten Rohren – entwickeln. Der Stress an den Rohren des gewickelten Wärmeaustauschers entsteht durch thermische und akustische Schwingungen, die sich im trockenen Teil des Wärmeaustauschers ausbilden. Es hat sich aber auch herausgestellt, dass Wärmeaustauscher, die vollständig benetzt sind, keine Leckagen entwickeln. Dieser Effekt lässt sich insbesondere bei doppel- und dreistöckigen Wärmeaustauschem beobachten, bei denen die oberen, vollständig benetzten Wärmeaustauscher keine Leckagen entwickeln.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, anzugeben, das die vorgenannten Probleme vermeidet.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die verfahrenstechnische Auslegung derart erfolgt, dass zwischen 90 und 99 % des zu verdampfenden Kältemittelgemischstromes verdampfen, anschließend eine Auftrennung des teilverdampften Kältemittelgemischstromes in eine Gas- und eine Flüssigfraktion erfolgt, die Gasfraktion, vorzugsweise mittels eines kaltansaugenden Verdichters, auf den gewünschten Enddruck verdichtet wird, die Flüssigfraktion gepumpt wird und die beiden Fraktionen anschließend vereinigt werden.
- Entsprechend vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes können die Gas- und die Flüssigfraktion entweder vor oder nach ihrer Entspannung vereinigt werden. Erfolgt eine Vereinigung beider Fraktionen bereits vor ihrer Entspannung, wird die Flüssigfraktion vorzugsweise auf den gleichen Druck wie die Gasfraktion gepumpt.
- Erfindungsgemäß wird das Kreislaufmedium bzw. Kältemittelgemisch soweit mit schwereren Komponenten angereichert, dass keine Totalverdampfung entsteht, sondern eine Restflüssigkeit von 1 bis 10 %, vorzugsweise 5 % verbleibt. Dieser Nassdampf darf so jedoch nicht in den Kompressor bzw. Verdichter eingespeist werden, vielmehr muss er mittels eines Abscheiders in eine Gas- und eine Flüssigfraktion zerlegt werden.
- In vorteilhafter Weise erfolgt das Verdichten der Gasfraktion mittels eines kaltansaugenden Verdichters. Das Pumpen der Flüssigfraktion erfolgt mittels einer geeigneten Pumpe, wobei die Flüssigfraktion in vorteilhafter Weise vor dem Pumpen geringfügig unterkühlt wird. Bei der Auslegung bzw. dem Betrieb der Pumpe ist der NPSH-Wert zu berücksichtigen.
- Die erfindungsgemäße Verfahrensweise kann bei allen Verflüssigungsverfahren, bei denen der Wärmetausch zwischen dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom und dem Kältemittelgemisch in einem oder mehreren gewickelten Wärmetauschern und/oder einem oder mehreren Plattentauschern erfolgt, zur Anwendung kommen. Ferner ist die erfindungsgemäße Verfahrensweise grundsätzlich bei allen Gemischkreisläufen realisierbar, insbesondere bei allen sog. Mixed-Fluid-Cascade-Prozessen, dem sog. C3MRC-Prozess der Fa. Air Products, dem sog. Dual-Flow-MRC-Prozess der Fa. Shell und dem sog. Single-Flow-Mixed-Refrigerant-Cycle der Anmelderin.
- Prinzipiell gilt, dass, sofern bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei oder mehrere Kältemittelgemischkreisläufe zur Anwendung kommen, diese hintereinander und/oder kaskadenförmig angeordnet sein können.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand der in den
1 und2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. - Hierbei zeigt die
1 eine Verfahrensführung, bei der die Flüssigfraktion auf den gleichen Druck wie die Gasfraktion gepumpt und die beiden Fraktionen anschließend vereinigt werden, während in der2 eine Verfahrensführung dargestellt ist, bei der die Flüssigfraktion – nach erfolgter Unterkühlung – zunächst entspannt und erst dann der entspannten Gasfraktion zugemischt wird. - Wie in der
1 dargestellt, wird über Leitung A ein zu verflüssigender Kohlenwasserstoff-reicher Strom einem Wärmeaustauscher E zugeführt. In diesem erfolgt eine Vorkühlung oder eine Verflüssigung oder eine Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen ein Kältemittelgemisch, auf das im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. Der Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird nach seiner Vorkühlung oder Verflüssigung oder Unterkühlung über Leitung B aus dem Wärmeaustauscher E abgezogen und seiner weiteren Verwendung zugeführt. - Über Leitung
1 wird dem Wärmeaustauscher E das unter Druck stehende Kältemittelgemisch zugeführt und in diesem verflüssigt und unterkühlt. Über Leitung2 wird das unterkühlte Kältemittelgemisch aus dem Wärmeaustauscher E abgezogen und in der Entspannungsvorrichtung3 , bei der es sich entweder um ein Ventil oder eine Entspannungsturbine handelt, entspannt bzw. kälteleistend entspannt. Anschließend wird das Kältemittelgemisch im Wärmeaustauscher E nunmehr – im Gegensatz zu den zum Stand der Technik zählenden Verflüssigungsverfahren – erfindungsgemäß lediglich soweit verdampft, dass es am Ausgang des Wärmeaustauschers E eine Restflüssigkeit von 1 bis 10 %, vorzugsweise von 5 %, aufweist. - Dieses Zweiphasengemisch wird über Leitung
4 einem Abscheider D zugeführt. Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung5 die Gasfraktion des Kältemittelgemisches abgezogen und mittels des kaltansaugenden, ein- oder mehrstufigen Verdichters V auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtet. - Die Flüssigfraktion des Kältemittelgemisches wird aus dem Sumpf des Abscheiders D über Leitung
6 abgezogen und mittels einer Pumpe P ebenfalls auf den gewünschten Kreislaufdruck gepumpt und anschließend der über Leitung5 aus dem Abscheider D abgezogenen und verdichteten Gasfraktion des Kältemittelgemisches zugeführt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zum Nachrüsten bereits existierender Anlagen. - Bei der in der
2 dargestellten Verfahrensführung muss die über Leitung6 aus dem Sumpf des Abscheiders D abgezogene Flüssigfraktion des Kältemittelgemisches mittels der Pumpe P nicht auf den gewünschten Kreislaufdruck gepumpt werden. Vielmehr ist eine Druckerhöhung ausreichend, die die Druckverluste der Leitung7 , des Wärmeaustauschers E, der Leitung8 und des Ventiles9 kompensiert. Diese Verfahrensführung hat gegenüber der in der1 dargestellten Verfahrensführung den großen Vorteil, dass die zwischen dem Verdichter V und Wärmeaustauscher E liegenden Leitungen und Wärmeaustauscher nicht auf 101 bis 110 % ausgelegt werden müssen und die Pumpe P für einen entsprechend geringere Druckerhöhung ausgelegt werden muss. - Die Flüssigfraktion wird anschließend über Leitung
7 dem Wärmeaustauscher E zugeführt und in diesem unterkühlt. Nach Abzug aus dem Wärmeaustauscher E über Leitung8 erfolgt eine geringfügige Entspannung im Ventil9 auf den Druck der entspannten "Gasfraktion" in der Leitung2' , wo die beiden Fraktion vor der Zuführung in den Wärmeaustauscher E vereinigt werden. - Die in der
2 dargestellte Verfahrensweise eignet sich insbesondere für Neuanlagen. - Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird nunmehr erreicht, dass aufgrund einer vollständigen Benetzung der Wärmeaustauscherpassagen die Bildung von Leckagen vollständig oder zumindest weitestgehend vermieden werden kann, da es zu einer Vermeidung bzw. deutlichen Reduzierung von thermischen und akustischen Schwingungen in den Wärmeaustauscherpassagen kommt.
Claims (7)
- Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmeaustausch mit dem Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältemittelgemischkreislaufes, wobei das Kältemittelgemisch nach erfolgter Entspannung gegen den abzukühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom und sich selbst verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, dass die verfahrenstechnische Auslegung derart erfolgt, dass zwischen 90 und 99 % des zu verdampfenden Kältemittelgemischstromes (
4 ) verdampfen, anschließend eine Auftrennung (D) des teilverdampften Kältemittelgemischstromes (4 ) in eine Gas- (5 ) und eine Flüssigfraktion (6 ) erfolgt, die Gasfraktion (5 ) auf den gewünschten Enddruck verdichtet (V) wird, die Flüssigfraktion (6 ) gepumpt wird (P) und die beiden Fraktionen (5 ,6 ) anschließend vereinigt werden. - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gas- und die Flüssigfraktion (
5 ,6 ) vor oder nach der bzw. ihrer Entspannung (3 ,9 ) vereinigt werden. - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigfraktion (
6 ) auf den gleichen Druck wie die Gasfraktion (5 ) gepumpt wird. - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichten (V) der Gasfraktion (
5 ) mittels eines kaltansaugenden Verdichters (V) erfolgt. - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigfraktion (
6 ) vor der Zuführung zur Pumpe (P) geringfügig unterkühlt wird. - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeaustausch (E) zwischen dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom (A) und dem Kältemittelgemisch (
1 ,4 ) in einem gewickelten Wärmetauscher und/oder einem Plattentauscher erfolgt. - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei wenigstens zwei Kältemittelgemischkreisläufe zur Anwendung kommen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelgemischkreisläufe hintereinander und/oder kaskadenförmig angeordnet sind.
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