DE102007007097A1 - 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 Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältekreisläufen bestehende Kaskade erfolgt und wobei der erste Kältekreislauf der Vorkühlung, der zweite Kältekreislauf der Verflüssigung und der dritte Kreislauf der Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, beschrieben. Erfindungsgemäß weist das Kältemittel des der Vorkühlung (E1) dienenden Kältekreislaufes (a-a'''')C<SUB>3</SUB>H<SUB>8</SUB>, C<SUB>3</SUB>H<SUB>6</SUB>, C<SUB>2</SU einer Konzentration von wenigstens 95 Vol.-% auf und die Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taupunkt des Kältemittels beträgt weniger als 5°C.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältekreisläufen bestehende Kaskade erfolgt und wobei der erste Kältekreislauf der Vorkühlung, der zweite Kältekreislauf der Verflüssigung und der dritte Kreislauf der Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient.
  • Erdgasverflüssigungsprozesse für Verflüssigungsanlagen mit großer Kapazität – zu verstehen seien hierunter Kapazitäten von wenigstens 4 mtpa LNG – weisen entweder zwei oder drei Kältekreisläufe auf. Verflüssigungsprozesse, die jedoch lediglich zwei Kältekreisläufe aufweisen, stoßen im Falle einer geforderten großen Strangkapazität aufgrund der am Markt verfügbaren Größe von Kreislaufverdichtern und deren Antriebe jedoch an Grenzen. Aus diesem Grunde werden für Verflüssigungsanlagen mit großer Kapazität zunehmend Verflüssigungsverfahren, bei denen drei in Serie bzw. zu einer Kaskade verschaltete Kreisläufe verwendet werden, realisiert.
  • Ein derartiges gattungsbildendes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoffreichen Stromes ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 bekannt. Mit der Zitierung der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.
  • Das in der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 beschriebene Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes eignet sich insbesondere für Verflüssigungsanlagen bei kalten Umgebungsbedingungen, wie sie bspw. bei Erdgas-Verflüssigungsanlagen in Nordeuropa oder im Norden Russlands vorherrschen. Bei warmen Umgebungsbedingungen wird im Regelfall eine zusätzliche Kühlung, beispielsweise zur Vorkühlung eines ggf. vorzusehenden Trockners und/oder einer ggf. vorzusehenden Fraktionierung von schweren Kohlenwasserstoffen, im Bereich von 5 bis 30°C benötigt. Im Falle kalter Umgebungsbedingungen kann diese Kühlung bzw. Kälte durch geeignete "Umgebungsmedien", wie beispielsweise (Meer)Wasser oder Luft, bereitgestellt werden.
  • Üblicherweise wird diese zusätzliche Kältebereitstellung bisher dadurch realisiert, dass zusätzlich zu den Abkühl- und Verflüssigungs-Kältekreisläufen ein oder mehrere Kältemittelgemischkreisläufe vorgesehen werden. Die Verwendung eines Kältemittelgemisches ist jedoch aufgrund der inhärent gleitenden Verdampfungstemperatur nur eingeschränkt sinnvoll bzw. zweckmäßig, da unter anderem die Hydrattemperatur des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. Erdgases berücksichtigt werden muss.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere die Effektivität des Verflüssigungsprozesses erhöht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Kältemittel des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes C3H8, C3H6, C2H6 oder C2H4 in einer Konzentration von wenigstens 95 Vol.-% aufweist und die Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taupunkt des Kältemittels weniger als 5°C beträgt.
  • Werden als Kältemittelgemisch für den der Vorkühlung dienende Kältekreislauf bisher üblicherweise Gemische aus C2H6, C3H8 und C4H10 verwendet, kommt nunmehr erfindungsgemäß C3H8, C3H6, C2H6 oder C2H4 in einer Konzentration von wenigstens 95 Vol.-% als Kältemittel zum Einsatz. Ferner ist darauf zu achten, dass die Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taupunkt des Kältemittels weniger als 5°C beträgt. Dieser geringe Temperaturgang kann technisch als isotherm bezeichnet werden.
  • Von Vorteil bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist nunmehr, dass das Kältemittel des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes auch zur ggf. vorzusehenden Vorkühlung des feuchten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, zur ggf. vorzusehenden Abtrennung höherer Kohlenwasserstoffe aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom sowie zu der ggf. vorzusehenden Fraktionierung der abgetrennten höheren Kohlenwasserstoffe herangezogen werden kann. Insbesondere bei diesen Anwendungsfällen weist ein vergleichsweise eng siedendes Kältemittel gegenüber Kältemittelgemischen mit einem vergleichsweise großen Temperaturgang – gemeint sind die Temperaturdifferenzen von mehr als 10°C – wesentliche Vorteile auf.
  • Um die vorgenannten Verfahrensführungen realisieren zu können, wird das Kältemittel des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes auf mehreren, vorzugsweise bis zu vier unterschiedlichen Drücken verdampft und bietet somit Kälte auf unterschiedlichen Temperaturniveaus an. Die geforderten Temperaturniveaus können jeweils von Verflüssigungsprozess zu Verflüssigungsprozess variieren. Üblicherweise werden zur Kühlung und (Teil)Verflüssigung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie der Kältemittelgemische der der Verflüssigung und Unterkühlung dienenden Kältekreisläufe bis zu vier Temperaturniveaus des Kältemittels des der Kühlung dienenden Kältekreislaufes verwendet. Zur Vorkühlung eines ggf. vorzusehenden Trockners sowie zur Gewinnung und Fraktionierung höherer Kohlenwasserstoffe aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom werden üblicherweise frei ausgewählte Temperaturniveaus des Kältemittels des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes herangezogen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taupunkt des Kältemittels weniger als 3°C beträgt,
    • – sofern der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Verflüssigung einer einer Trocknung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vorgeschalteten Vorkühlung unterworfen wird, diese Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im indirekten Wärmetausch gegen einen Teilstrom des Kältemittels des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes erfolgt,
    • – sofern der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor seiner Verflüssigung einer Abtrennung von höheren Kohlenwasserstoffen unterworfen wird, zumindest die Bereitstellung eines Teiles des für die Abtrennung der höheren Kohlenwasserstoffe erforderlichen Kältebedarfs mittels eines Teilstromes des Kältemittels des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes erfolgt,
    • – die abgetrennten Kohlenwasserstoffe einer Fraktionierung unterworfen werden und zumindest die Bereitstellung eines Teiles des für die Fraktionierung der höheren Kohlenwasserstoffe erforderlichen Kältebedarfs mittels eines Teilstromes des Kältemittels des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes erfolgt,
    • – der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor seiner Verflüssigung verdichtet, vorzugsweise auf einen Druck von wenigstens 60 bar, besonders bevorzugt auf einen Druck von wenigstens 80 bar, verdichtet wird,
    • – zumindest ein Teilstrom des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes einer Stickstoff-Abtrennung unterworfen wird und
    • – der in der Stickstoff-Abtrennung gewonnene, Stickstoff-abgereicherte, Kohlenwasserstoff-reiche Strom verdichtet und dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom vor dessen Verflüssigung zugemischt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Der von dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom zu durchlaufende Weg ist in der Figur fett dargestellt. Auf eine Darstellung der Antriebe für die ein- und/oder mehrstufig ausgebildeten Verdichter bzw. Verdichtereinheiten V1 bis V5 wurde der Übersichtlichkeit halber verzichtet. Vorzugsweise kommen für deren Antrieb – neben den Optionen Gas- und Dampfturbine – Elektromotoren zur Anwendung.
  • Der in der Figur dargestellte Verflüssigungsprozess eignet sich insbesondere für die Verflüssigung von mit höheren Kohlenwasserstoffen sowie Stickstoff angereichertem Erdgas.
  • Der zu verflüssigende Erdgasstrom wird über Leitung 1 einer Trockner-Vorkühleinheit E zugeführt und in dieser im indirekten Wärmetausch gegen einen Teilstrom X des Kältemittels des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes abgekühlt. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Reinstoffes als Kältemittel für die Trockner-Vorkühlung E kann der Wassergehalt des noch feuchten Erdgases durch Teilkondensation minimiert werden. Die durch die Verwendung eines Reinstoffes erreichbare Erdgastemperatur nach dieser Vorkühlung ist niedriger als dies bei der Verwendung eines Kältemittelgemisches der Fall wäre, da der enge Siedebereich des erfindungsgemäß heranzuziehenden Kältemittels eine Abkühlung bis nahe an die Hydrattemperatur des Erdgases erlaubt. Im Falle der Verwendung eines Kältemittelgemisches ist die erreichbare Vorkühltemperatur in der Regel um den Betrag des Temperaturganges des Kältemittelgemisches zwischen Siede- und Tautemperatur höher und somit weniger wirkungsvoll.
  • Der derart vorgekühlte Erdgasstrom wird über Leitung 2 einer Trocknereinheit D zugeführt. Das in dieser aus dem zu verflüssigenden Erdgasstrom abgetrennte Wasser wird über die Leitungen 10 und 11 aus der Trocknereinheit D bzw. der Trockner-Vorkühleinheit E abgezogen.
  • Über Leitung 3 wird der getrocknete Erdgasstrom einer Abtrenneinheit A für höhere Kohlenwasserstoffe zugeführt. Die Effizienz der in der Abtrenneinheit A realisierten Abtrennung von C2+- oder C3+ Kohlenwasserstoffen wird durch die Verwendung eines Teilstromes des Kältemittels Y des zur Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes ebenfalls erhöht. Die Abtrenneinheit A weist im Hauptprozessstrom 3/4 eine Kolonne auf. Deren Druck beträgt im Falle einer Abtrennung von C2+-Kohlenwasserstoffen typischerweise ca. 30 bar und im Falle einer Abtrennung von C3+-Kohlenwasserstoffen typischerweise ca. 45 bar. Da der Druck des der Abtrenneinheit A über Leitung 3 zugeführten Erdgasstromes oftmals über den vorgenannten Drücken liegt, wird der Abtrenneinheit A bzw. der vorgenannten Kolonne in der Regel eine kälte- und arbeitsleistende Entspannungsturbine vorgeschaltet. Im Falle einer Störung dieser Turbine kann die nun entfallende Kälteleistung zumindest teilweise durch das Kältemittel Y ersetzt werden.
  • Die in der Abtrenneinheit A aus dem zu verflüssigenden Erdgasstrom abgetrennten höheren Kohlenwasserstoffe werden über Leitung 12 einer Fraktionierungseinheit B zugeführt. Hierbei handelt es sich im Regelfall um eine oder mehrere Fraktionierungskolonnen, deren Kopfkondensatoren im Regelfall eine konstante Kältemitteltemperatur erfordern, die mittels einer Reinstoffverdampfung effizient angeboten werden kann. Auch hierfür kommt vorzugsweise ein Teilstrom Z des Kältemittels des der Vorkühlung dienenden Kältekreislaufes zur Anwendung. Der oder die in der Fraktionierungseinheit B gewonnenen Kohlenwasserstoff-Produktströme werden aus der Einheit B über die Leitungen 13, 13',... abgezogen und ihrer weiteren Verwendung zugeführt.
  • Über Leitung 4 wird der getrocknete, von höheren Kohlenwasserstoffen befreite Erdgasstrom einer ersten Wärmetauschereinheit E1 zugeführt, wobei vor der Zuführung eine Verdichtung V auf einen für die nachfolgende Verflüssigung optimierten Druck erfolgt. Dazu wird der zu verflüssigende Erdgasstrom vorzugsweise auf einen Druck von wenigstens 60 bar, besonders bevorzugt auf einen Druck von wenigstens 80 bar verdichtet.
  • Bei einer geeigneten Wahl des Enddruckes des zu verflüssigenden Erdgasstromes – bspw. durch einen Enddruck von mehr als 70 bar – liegt der zu verflüssigende Erdgasstrom überkritisch vor. in diesem Falle ist die der Verdichtung V nachgeschaltete Abkühlung nicht mit einem Phasenübergang verbunden. Damit werden Probleme, die durch eine Zweiphasenströmung verursacht werden können, prinzipiell vermieden.
  • Der abzukühlende und zu verflüssigende Erdgasstrom wird nunmehr mittels der Leitungen 5 und 6 durch die drei Wärmetauschereinheiten E1, E2 und E3 geführt. Während in der Wärmetauschereinheit E1 eine Abkühlung und Teilverflüssigung des Erdgasstromes erfolgt, dient die Wärmetauschereinheit E2 der eigentlichen Verflüssigung. In der Wärmetauschereinheit E3 erfolgt eine abschließende Unterkühlung des verflüssigten Erdgasstromes.
  • Die Wärmetauschereinheiten E2 und E3 sind vorzugsweise als gewickelte Wärmetauscher ausgebildet. Da der Wärmetauscher E1 ein (quasi) isotherm verdampfendes Kältemittel "verwendet", ist ein kostengünstiger Tauschertyp, bspw. ein sog. Kettle Type, ohne Gegenstromwärmeaustausch verwendbar.
  • Die der Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung dienenden drei Kältekreisläufe a bis a'''', b bis b'' sowie c bis c''' sind lediglich in schematisierter Form dargestellt. Die Verdichtung des Kältemittels sowie der Kältemittelgemische erfolgt mittels ein- oder mehrstufiger Verdichtereinheiten V1 bis V3. Aus der vorgenannten deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 ist dem Fachmann hinlänglich bekannt, wie derartige Kältekreisläufe auszulegen sind.
  • Im Gegensatz zu der darin beschriebenen Verfahrensführung kommt als Kältemittel für den der Abkühlung dienenden Kältekreislauf nunmehr C3H8, C3H6, C2H6 oder C2H4 in einer Konzentration von wenigstens 95 Vol.-% zur Anwendung, wobei die Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taupunkt dieses Kältemittels weniger als 5°C beträgt. Wie in der Figur in schematisierter Forma dargestellt, wird dieses Kältemittel auf mehreren, vorzugsweise auf vier verschiedenen Temperaturniveaus entspannt und folglich auf unterschiedlichen Drücken der mehrstufigen Verdichtereinheit V1 zugeführt – dargestellt durch die Leitungen a' bis a''''. Dieser Kältekreislauf bzw. die Verdichtereinheit V1 dient ebenfalls der Verdichtung der lediglich in schematisierter Form dargestellten Kältemittelteilströme X, Y und Z.
  • In den der Verflüssigung und Unterkühlung dienenden Kältekreisläufen b bis b'' sowie c bis c''' kommen herkömmliche, für diese Anwendungszwecke geeignete Kältemittelgemische, wie sie bspw. in der deutschen Offenlegungsschrift 197 164 15 beschrieben sind, zur Anwendung.
  • Der verflüssigte und unterkühlte Erdgasstrom wird über Leitung 7 einer Entspannungsvorrichtung F zugeführt, in dieser auf den gewünschten Abgabedruck entspannt und anschließend über Leitung 8 der weiteren Verwendung und/oder Zwischenspeicherung zugeführt.
  • Die in der Entspannungsvorrichtung F gewonnene gasförmige Erdgasfraktion wird über Leitung 14 einer Stickstoff-Abtrenneinheit N zugeführt. Der Stickstoff-Abtrenneinheit N ist eine Verdichtung V4 vorgeschaltet, um einen für die Stickstoff-Abtrennung optimalen Druck des zugeführten Erdgasstromes zu realisieren. Der in der Stickstoff-Abtrennung N abgetrennte Stickstoff verlässt die Abtrenneinheit über Leitung 16 bei Umgebungsdruck und wird an die Atmosphäre abgegeben. Der an Stickstoff abgereicherte Erdgasstrom wird nach einer Rückverdichtung im Verdichter V5 über Leitung 15 dem zu verflüssigenden Erdgasstrom in der Leitung 4 beigemischt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, ermöglichst mit einem vergleichsweise geringen verfahrentechnischen Aufwand eine deutliche Erhöhung der Effizienz eines Verflüssigungsprozesses, insbesondere eines Erdgas-Verflüssigungsprozesses, bei dem das zu verflüssigende Erdgas vor seiner Abkühlung und Verflüssigung einer Trocknung sowie einer Abtrennung von höheren Kohlenwasserstoffen unterworfen wird.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19716415 A [0003, 0003, 0004, 0023, 0025]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältekreisläufen bestehende Kaskade erfolgt und wobei der erste Kältekreislauf der Vorkühlung, der zweite Kältekreislauf der Verflüssigung und der dritte Kreislauf der Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel des der Vorkühlung (E1) dienenden Kältekreislaufes (a–a'''') C3H8, C3H6, C2H6 oder C2H4 in einer Konzentration von wenigstens 95 Vol.-% aufweist und die Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taupunkt des Kältemittels weniger als 5°C beträgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen Siede- und Taupunkt des Kältemittels weniger als 3°C beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Verflüssigung einer einer Trocknung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vorgeschalteten Vorkühlung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorkühlung (E) des Kohlenwasserstoffreichen Stromes (1) in indirekten Wärmetausch gegen einen Teilstrom (X) des Kältemittels des der Vorkühlung (E1) dienenden Kältekreislaufes (a–a'''') erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor seiner Verflüssigung einer Abtrennung von höheren Kohlenwasserstoffen unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Bereitstellung eines Teiles des für die Abtrennung (A) der höheren Kohlenwasserstoffe erforderlichen Kältebedarfs mittels eines Teilstromes (Y) des Kältemittels des der Vorkühlung (E1) dienenden Kältekreislaufes (a–a'''') erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die abgetrennten (A) Kohlenwasserstoffe einer Fraktionierung unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Bereitstellung eines Teiles des für die Fraktionierung (B) der höheren Kohlenwasserstoffe erforderlichen Kältebedarfs mittels eines Teilstromes (Z) des Kältemittels des der Vorkühlung (E1) dienenden Kältekreislaufes (a–a'''') erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor seiner Verflüssigung verdichtet, vorzugsweise auf einen Druck von wenigstens 60 bar, besonders bevorzugt auf einen Druck von wenigstens 80 bar, verdichtet wird (V).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (14) einer Stickstoff-Abtrennung (N) unterworfen wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der in der Stickstoff-Abtrennung (N) gewonnene, Stickstoff-abgereicherte, Kohlenwasserstoff-reiche Strom (15) verdichtet (V5) und dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom (4) vor dessen Verflüssigung zugemischt wird.
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