DE102006039889A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents

Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmetausch mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, wobei der in dem Stickstoff-Kältekreislauf zirkulierende Stickstoff einer mehrstufigen Verdichtung unterworfen, abgekühlt, in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt ist und diese auf unterschiedlichen Temperaturniveaus einer kälteleistenden Entspannung unterworfen werden, beschrieben. Erfindungsgemäß wird der auf dem höheren Temperaturniveau entspannte (X') Stickstoff-Teilstrom (15, 16) der mehrstufigen Verdichtung (V1, V2, ...) auf einem mittleren Druckniveau zugespeist und der auf dem kälteren oder kältesten Temperaturniveau entspannte Stickstoff-Teilstrom (12, 13) liegt nach seiner Entspannung (X, v') zumindest teilweise verflüssigt vor.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoffreichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmetausch mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, wobei der in dem Stickstoff-Kältekreislauf zirkulierende Stickstoff einer mehrstufigen Verdichtung unterworfen, abgekühlt, in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt und diese auf unterschiedlichen Temperaturniveaus einer kälteleistenden Entspannung unterworfen werden.
  • Unter dem Begriff Stickstoff-Kältekreislauf sei nachfolgend jeder Kältekreislauf zu verstehen, in dem ein vorzugsweise nichtbrennbares Gas oder Gasgemisch, das wenigstens 70% Stickstoff enthält, zirkuliert. Neben der Komponente Stickstoff sind insbesondere Argon und Helium weitere mögliche Komponenten des Gasgemisches.
  • Bei Erdgasverflüssigungsanlagen mit kleinen (< 100.000 jato LNG) und mittleren (< 1 Mio. jato LNG) Verflüssigungskapazitäten kommen oftmals Stickstoff-Kältekreisläufe zur Anwendung. Diese zeichnen sich zum einen durch einen vergleichsweise einfachen Betrieb und zum anderen durch die Verwendung eines unbrennbaren Kältemittels aus. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades gattungsgemäßer Verflüssigungsverfahren werden oftmals zwei oder mehr Stickstoff-Entspannungsturbinen vorgesehen, wobei deren Betriebsbedingungen so gewählt werden, dass vergleichsweise enge Temperaturdifferenzen zwischen den kalten und den warmen Prozessströmen erreicht werden können.
  • Aus dem US-Patent 5,768,912 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bekannt. Den bekannten Verflüssigungsverfahren mit Stickstoff-Kältekreisläufen ist gemein, dass der in dem Kältekreislauf zirkulierende Stickstoff ausschließlich in der Gasphase vorliegt. Sobald jedoch zwei oder mehr Stickstoff-Entspannungsturbinen zur Anwendung kommen, beeinflussen erforderliche Regeleingriffe an einer der Stickstoff-Entspannungsturbinen zwangsläufig den Betrieb der anderen Entspannungsturbine(n), da in einem geschlossenen System, das mit einem ausschließlich gasförmigen Kältemittel gefüllt ist, lokale Druckänderungen zwangsläufig auf das gesamte System und damit auf die einzelnen Systemkomponenten wirken.
  • Des Weiteren ist es bei größer werdender Verflüssigungskapazität von Nachteil, das gesamte, innerhalb des Kältekreislaufes zirkulierende Kältemittel auf einen gemeinsamen Druck zu entspannen, da hierdurch der Saugvolumenstrom des Kreislaufverdichters vergleichsweise groß wird und teure sowie nicht einsträngig baubare Kreislaufverdichter erforderlich würden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes anzugeben, bei dem die vorgenannten Nachteile vermieden werden können.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der auf dem höheren Temperaturniveau entspannte Stickstoff-Teilstrom der mehrstufigen Verdichtung auf einem mittleren Druckniveau zugespeist wird und der auf dem kälteren oder kältesten Temperaturniveau entspannte Stickstoff-Teilstrom nach seiner Entspannung zumindest teilweise verflüssigt vorliegt.
  • Erfindungsgemäß und im Gegensatz zu dem bekannten Stand der Technik, wie er beispielsweise in dem vorgenannten US-Patent beschrieben ist, wird der auf einem höheren Temperaturniveau entspannte Stickstoff-Teilstrom nunmehr nicht vor der mehrstufigen Verdichtung mit dem auf einem niedrigen Temperaturniveau entspannten Stickstoff-Teilstrom vereinigt, sondern der mehrstufigen Verdichtung auf einem Zwischendruckniveau zugeführt.
  • Die Rückverdichtung des Stickstoffes – ausgehend von mehreren Druckstufen – entlastet den Kreislaufverdichter in Bezug auf die Saugvolumina. Bei vorgegebener Verdichtergeometrie können mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise folglich größere Anlagenkapazitäten realisiert werden.
  • Erfolgt eine Aufteilung in n Stickstoff-Teilströme, so wird der n-te Teilstrom des verdichteten Stickstoffstromes soweit abgekühlt, dass bei der adiabaten oder alternativ arbeitsleistenden Entspannung dieser Stickstoff-Teilstrom zumindest teilweise verflüssigt vorliegt. Ist n größer als zwei, erfolgt die Entspannung unter Flüssigkeitsbildung auf ein Zwischendruckniveau des Kreislauf-Verdichters.
  • Die Teilverflüssigung des Stickstoffes stellt auch bei transienten Betriebszuständen – also im Falle von Laständerungen und Regeleingriffen aller Art – eine konstante Temperatur des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sicher, da mittels eines flüssigen Kältemittels eine konstante Prozesstemperatur wesentlich einfacher eingehalten werden kann, als dies mit Anwärmung eines gasförmigen Kältemittels der Fall ist. Da der verflüssigte Stickstoff spontan Masse dem Gasinventar zuführen kann, werden durch Regeleingriffe verursachte, unerwünschte Druckänderungen innerhalb des Stickstoff-Kältekreislaufes vermieden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – sofern der verdichtete Stickstoffstrom in wenigstens drei Teilströme aufgeteilt wird, die Bereitstellung der Spitzenkälte des Verflüssigungsprozesses durch eine kälteleistende Entspannung eines Stickstoff-Teilstromes auf ein Niederdruckniveau und durch Verdampfen des teilweise flüssigen Stickstoff-Teilstromes auf einem Zwischendruckniveau erfolgt,
    • – die Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes und des in dem Stickstoff-Kältekreislauf zirkulierende Stickstoffes mittels eines Vorkühlkreislaufes erfolgt,
    • – wobei der Vorkühlkreislauf vorzugsweise als zwei- oder mehrstufiger Reinstoff-Kältekreislauf ausgebildet ist und
    • – als Kältemittel des Vorkühlkreislaufes vorzugsweise leichte paraffinische (Ethan, Propan) oder olefinische (Ethylen, Propylen) Kohlenwasserstoffe- oder ein nicht-brennbares Kältemittel, vorzugsweise Kohlendioxid, zur Anwendung kommen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Es sei nochmals betont, dass unter dem Begriff Stickstoff-Kältekreislauf nachfolgend jeder Kältekreislauf zu verstehen ist, in dem ein vorzugsweise nichtbrennbares Gas oder Gasgemisch, das wenigstens 70% Stickstoff enthält, zirkuliert. Hierbei sind insbesondere Argon und Helium weitere denkbare Komponenten, die dem Stickstoff zugemischt werden können.
  • Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom – im vorliegenden Falle sei dies ein Erdgasstrom, der falls erforderlich einer, zum Stand der Technik zählenden, in der Figur nicht dargestellten Vorbehandlung unterworfen wird – wird über Leitung A einem ersten Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem gegen einen lediglich in schematisierter Form dargestellten Vorkühlkreislauf VK abgekühlt. Bei diesem Vorkühlkreislauf VK handelt es sich beispielsweise um einen zwei- oder mehrstufigen Reinstoff-Kältekreislauf, in dem als Kältemittel leichte paraffinische (Ethan, Propan) oder olefinische (Ethylen, Propylen) Kohlenwasserstoffe oder auch nicht-brennbare Kältemittel, wie beispielsweise Kohlendioxid, zur Anwendung kommen. Dieser Vorkühlkreislauf VK ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Entfällt er, erfolgt die Vorkühlung des zu verflüssigenden Erdgasstromes ausschließlich gegen das Kältemittel(gemisch) des noch zu beschreibenden Stickstoff-Kältekreislaufes.
  • Der vorgekühlte Erdgasstrom wird anschließend über Leitung B einem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, verflüssigt.
  • Anschließend wird der verflüssigte Erdgasstrom über Leitung C einem weiteren Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen den flüssigen Anteil des über Leitung 13 dem Wärmetauscher E3 zugeführten Teilstrom des Stickstoff-Kältekreislaufes unterkühlt.
  • Über Leitung D wird der verflüssigte und unterkühlte Erdgasstrom anschließend einem Entspannungsventil v zugeführt, in diesem auf den gewünschten Abgabedruck entspannt und über Leitung E seiner weiteren Verwendung oder (Zwischen)Speicherung zugeführt.
  • Der Stickstoff-Kältekreislauf weist eine wenigstens zweistufige Verdichtereinheit, bestehend aus den Verdichterstufen V1 und V2 auf. Diese werden mittels eines beliebigen Antriebes M – vorgesehen werden hierzu Elektromotoren, Gasturbinen- und/oder Dampfturbinenantriebe – angetrieben. Insbesondere die Option "Dampfturbinenantrieb" eignet sich zur Anwendung bei Offshore-Verflüssigungsanlagen.
  • Der auf dem niedrigeren Temperaturniveau kälteleistend entspannte Stickstoff-Teilstrom 12 wird nach Anwärmung und Verdampfung im Wärmetauscher E2 über Leitung 1 der ersten Verdichterstufe V1 zugeführt. Dieser über Leitung 2 aus der ersten Verdichterstufe V1 abgezogene Stickstoffstrom wird in einem der Verdichterstufe nachgeschalteten Kühler abgekühlt und anschließend nach Zumischung des über Leitung 16 herangeführten Stickstoff-Reststromes, über Leitung 3 der zweiten Verdichterstufe V2 zugeführt. Dieser Stickstoff-Reststrom besteht bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem auf einem höheren Temperaturniveau kälteleistend entspannten Stickstoff-Teilstrom 12 und dem im Wärmetauscher E3 auf dem gleichen Druckniveau verdampften flüssigen Stickstoff-Teilstrom 17.
  • In der Verdichterstufe V2 erfolgt eine Verdichtung auf einen Mitteldruck. Auch dieser Verdichterstufe V2 ist ein Kühler nachgeschaltet, über den die Verdichtungswärme abgeführt wird. Der auf den Mitteldruck verdichtete gasförmige Stickstoffstrom wird nunmehr über die Leitungsabschnitte 4 und 5 sowie 4 und 7 den dritten Verdichterstufen V3 und V3' zugeführt. In diesen erfolgt eine Verdichtung auf den gewünschten Kreislaufenddruck.
  • Die verdichteten Stickstoffströme werden anschließend über die Leitungsabschnitte 6 und 8 zusammengeführt und über Leitung 9 dem vorbeschriebenen Wärmetauscher E1 zugeführt. Zum Zwecke des Abführens der Verdichterwärme erfährt auch der vereinigte Stickstoffstrom in der Leitung 9 eine Abkühlung in einem dafür vorgesehenen Kühler.
  • Nach Abkühlung im Wärmetauscher E1 wird der Stickstoffstrom über Leitung 10 dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem weiter abgekühlt. Im Wärmetauscher E2 erfolgt nunmehr eine Auftrennung in drei Stickstoff-Teilströme, von denen zwei über die Leitungen 11 und 14 den Entspannungsvorrichtungen bzw. -turbinen X und X' zugeführt werden. In diesen werden die beiden Stickstoff-Teilströme auf unterschiedlichen Temperatur- und Druckniveaus kälteleistend entspannt.
  • In vorteilhafter Weise sind die beiden Entspannungsvorrichtungen bzw. -turbinen X und X' mit den dritten Verdichterstufen V3 und V3' derart gekoppelt – dargestellt durch die punktierten Leitungen –, dass sie die Verdichterstufen V3 und V3' antreiben oder zumindest einen Beitrag zu deren Antrieb leisten. Der dritte, kälteste Stickstoff-Teilstrom wird über Leitung 13 und Entspannungsventil v' dem Wärmetauscher E3 zugeführt, in dem er nach einer Entspannung auf den Zwischendruck der Verdichtereinheit V1/V2 zumindest teilweise verflüssigt vorliegt. Der Wärmetauscher E3 ist vorzugsweise als ein sog. Flüssigpufferbehälter ausgelegt, um unerwünschte Druckänderungen innerhalb des Stickstoff-Kältekreislaufes zu vermeiden. Aufgrund der gewählten Konstruktion für den Wärmetauscher E3 trägt lediglich der Flüssiganteil des über Leitung 13 zugeführten Stickstoff-Teilstromes zur Ab- bzw. Unterkühlung des Erdgasstromes C bei. Der Gasanteil dieses Stickstoff-Teilstromes verlässt den Wärmetauscher E3 unmittelbar über die Leitung 17 ohne am eigentlichen Wärmetausch beteiligt zu sein.
  • Der auf dem niedrigeren Temperaturniveau kälteleistend entspannte (X) Stickstoff-Teilstrom wird anschließend über die Leitung 12 dem Wärmetauscher E2 zugeführt. In diesem erfolgt – wie bereits beschrieben – eine Anwärmung dieses Stickstoff-Teilstromes, der anschließend über Leitung 1 der ersten Verdichterstufe V1 zugeführt wird.
  • Der auf einem höheren Druckniveau entspannte (X') Stickstoff-Teilstrom wird über die Leitung 15 dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen den abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgasstrom angewärmt.
  • Über Leitung 17 wird der verdampfte Stickstoff-Teilstrom aus dem Wärmetauscher E3 abgezogen und dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in ihm angewärmt. Innerhalb des Wärmetauschers E2 oder diesem nachgeschaltet, wird der dem Wärmetauscher E2 über Leitung 17 zugeführte Stickstoff-Teilstrom dem über Leitung 15 zugeführten Stickstoff-Teilstrom zugemischt. Anschließend wird dieser Stickstoff-Reststrom – wie bereits erwähnt – über Leitung 16 dem Stickstoff-Strom in der Leitung 2 zugemischt.
  • Alternativ zu der anhand der Figur erläuterten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes kann der dem Wärmetauscher E2 über Leitung 10 zugeführte Stickstoff-Teilstrom auch nur in zwei Teilströme aufgetrennt werden. Bei dieser Verfahrensalternative würde der über Leitung 11 der Entspannungsvorrichtung bzw. -turbine X zugeführte Stickstoff-Teilstrom nach erfolgter Entspannung in zumindest teilweise verflüssigter Form dem Wärmetauscher E3 zugeführt, in diesem gegen den zu unterkühlenden Erdgasstrom C verdampft und anschließend der Zwischendruckstufe der Verdichtereinheit V1/V2 zugeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ermöglicht einen gegenüber dem bekannten Stand der Technik einfacheren Betrieb eines Verflüssigungsprozesses mit einem Stickstoff-Kältekreislauf.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoffreichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmetausch mit einem Stickstoff-Kältekreislauf, wobei der in dem Stickstoff-Kältekreislauf zirkulierende Stickstoff einer mehrstufigen Verdichtung unterworfen, abgekühlt, in wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt und diese auf unterschiedlichen Temperaturniveaus einer kälteleistenden Entspannung unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, dass der auf dem höheren Temperaturniveau entspannte (X') Stickstoff-Teilstrom (15, 16) der mehrstufigen Verdichtung (V1, V2, ...) auf einem mittleren Druckniveau zugespeist wird und der auf dem kälteren oder kältesten Temperaturniveau entspannte Stickstoff-Teilstrom (12, 13) nach seiner Entspannung (X, v') zumindest teilweise verflüssigt vorliegt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der verdichtete Stickstoffstrom in wenigstens drei Teilströme aufgeteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereitstellung der Spitzenkälte des Verflüssigungsprozesses durch eine kälteleistende Entspannung (v') eines Stickstoff-Teilstromes (13) auf ein Niederdruckniveau und durch Verdampfen (E3) des teilweise flüssigen Stickstoff-Teilstromes (13, 17) auf einem Zwischendruckniveau erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkühlung (E1) des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (A) und des in dem Stickstoff-Kältekreislauf zirkulierende Stickstoffes (9) mittels eines Vorkühlkreislaufes (VK) erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorkühlkreislauf (VK) als zwei- oder mehrstufiger Reinstoff-Kältekreislauf ausgebildet ist.
  5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel des Vorkühlkreislaufes leichte paraffinische (Ethan, Propan) oder olefinische (Ethylen, Propylen) Kohlenwasserstoffe oder ein nicht-brennbares Kältemittel, vorzugsweise Kohlendioxid, zur Anwendung kommt.
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