DE102009015766A1 - Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer kohlenwasserstoffreichen, stickstoffenthaltenden Fraktion beschrieben, wobei die Abkühlung und Verflüssigung der kohlenwasserstoffreichen Fraktion im indirekten Wärmetausch gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältekreislaufes erfolgt und die verflüssigte kohlenwasserstoffreiche Fraktion zwischengespeichert wird. Erfindungsgemäß erfolgt während des Verflüssigens der kohlenwasserstoffreichen Fraktion eine Stickstoff-Abtrennung (D, T) und wird die bei der Speicherung (S) der verflüssigten Fraktion anfallende Boil-off-Gasfraktion (8) verdichtet (V) und rückverflüssigt (E1), wobei die Rückverflüssigung der Boil-off-Gasfraktion gegen den gleichen Kältekreislauf (20, 21) erfolgt und auch diese Fraktion der Stickstoff-Abtrennung (D, T) unterzogen wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion, wobei die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion im indirekten Wärmetausch gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältekreislaufes erfolgt und die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion zwischengespeichert wird.
  • Gattungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion kommen insbesondere bei Erdgasverflüssigungsprozessen zur Anwendung und sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. In jüngster Zeit wird oftmals die Forderung gestellt, das gesamte in derartigen Fraktionen enthaltene Methan zu verflüssigen. Grund hierfür sind der hohe Erdgaspreis sowie die Tatsache, dass die Stromgewinnung in hocheffizienten Kraftwerken einen deutlich besseren Gesamtwirkungsgrad erreicht, als er durch das Verbrennen von Erdgas in Gasturbinen realisierbar ist.
  • Üblicherweise weist Erdgas einen Stickstoffgehalt zwischen 1 und 5 Vol-% auf. Da der zulässige Stickstoffgehalt im verflüssigten und gelagerten Erdgasprodukt (LNG) einen Wert von 1 Vol-% nicht übersteigen darf – nur so kann der unerwünschte Roll-Over-Effekt wirkungsvoll verhindert werden –, können derartige Erdgase nicht vollständig verflüssigt werden.
  • Das bei der Speicherung des LNG anfallende Tankrückgas bzw. Boil-Off-Gas wird bisher in ein Restgasnetz verdichtet, sofern die Kreislaufverdichter des Verflüssigungsprozesses einen elektrischen Antrieb aufweisen und das Verbrennen des Erdgases in einer Gasturbine nicht möglich ist. Ist kein Restgasnetz vorgesehen, wird versucht, eine Gasturbine, in der das Restgas verbrannt werden kann, zu integrieren.
  • Bei vergleichsweise großen Erdgasverflüssigungsprozessen – hierunter sind beispielsweise LNG-Baselbad-Anlagen mit einer Verflüssigungsleistung von mehr als 2 mtpa LNG zu verstehen – wird das Boil-Off-Gas mittels einer sog. Nitrogen Rejection Unit, die der Abtrennung von Stickstoff dient, nachbehandelt. Das dabei gewonnene Methan wird entweder rückverflüssigt oder als Brenngas einer Gasturbine zugeführt. Sofern im Falle kleinerer Verflüssigungsprozesse der Stickstoffgehalt in dem zu verflüssigenden Rohgas größer als 1 Vol-% ist, kann ohne das Vorsehen der vorerwähnten Stickstoff-Abtrennung keine hohe Methan-Ausbeute bei der LNG-Produktion realisiert werden.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion anzugeben, mit dem die Methan-Ausbeute auf annähernd 100% gesteigert werden kann.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass während des Verflüssigens der Kohlenwasserstoffreichen Fraktion eine Stickstoff-Abtrennung erfolgt und die bei der Speicherung der verflüssigten Fraktion anfallende Boil-off-Gasfraktion verdichtet und rückverflüssigt wird, wobei die Rückverflüssigung der Boil-off-Gasfraktion gegen den gleichen Kältekreislauf erfolgt und auch diese Fraktion der Stickstoff-Abtrennung unterzogen wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die in der Stickstoff-Abtrennung gewonnene Stickstoff-Fraktion einen Methan-Restgehalt aufweist, der es ermöglicht, diese Stickstoff-Fraktion an die Umgebungsluft abzugeben oder als niederkaloriges Brenngas zu verwenden,
    • – die in der Stickstoff-Abtrennung gewonnene Stickstoff-Fraktion einen Methan-Restgehalt von weniger als 5 Vol-%, vorzugsweise weniger als 1 Vol-% aufweist,
    • – die Stickstoff-Abtrennung in wenigstens einem Abscheider und/oder wenigstens einer Rektifizierkolonne erfolgt, wobei im Falle des Vorsehens mehrerer Abscheider und/oder Rektifizierkolonnen diese vorzugsweise kaskadenförmig angeordnet sind und/oder bei unterschiedlichen Drücken betrieben werden,
    • – die rückzuverflüssigende Boil-off-Gasfraktion der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor deren Zuführung in den Verflüssigungsprozess und/oder während des Verflüssigungsprozesses, aber noch vor der Zuführung in die Stickstoff-Abtrennung beigemischt wird,
    • – die rückzuverflüssigende Boil-off-Gasfraktion gemeinsam mit der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion verdichtet wird, die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion vor der Stickstoff-Abtrennung einer Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen, von C2+-Kohlenwasserstoffen und/oder von C3+-Kohlenwasserstoffen unterzogen wird,
    • – sofern die Stickstoff-Abtrennung in wenigstens einer Rektifizierkolonne erfolgt, ein Teilstrom der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion der oder wenigstens einer der Rektifizierkolonnen als Strippgasstrom im Sumpf der Rektifizierkolonnen zugeführt wird und/oder ein Teilstrom der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion im Aufkocher der oder einer der Rektifizierkolonnen gekühlt und der oder wenigstens einer der Rektifizierkolonnen als weiterer Einsatzstrom zugeführt wird, und
    • – sofern die Stickstoff-Abtrennung in wenigstens einer Rektifizierkolonne erfolgt, die Einstellung des Stickstoff-Gehaltes in der aus der Rektifizierkolonne abgezogenen Stickstoff-Fraktion mittels eines in der Rektifizierkolonne vorgesehenen Kondensators erfolgt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr bereits während des Verflüssigungsprozesses der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion eine Stickstoffabtrennung. Mittels dieser wird der Stickstoffgehalt in der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion soweit reduziert, dass der Stickstoffgehalt im (gespeicherten) LNG-Produkt vorzugsweise weniger als 1 Vol-% beträgt. Die bei der Speicherung des LNG-Produktes anfallende Boil-off-Gasfraktion wird erfindungsgemäß rückverflüssigt, so dass das in ihr enthaltene Methan nicht verloren geht. Die Stickstoffabtrennung ist erfindungsgemäß derart ausgelegt, dass der Methan-Restgehalt in der in ihr gewonnenen Stickstoff-Fraktion so niedrig ist, dass diese Fraktion, vorzugsweise nach einer Entspannung und Kältegewinnung ohne eine zusätzliche Nachbehandlung unmittelbar an die Umgebungsluft abgegeben werden kann.
  • Mittels des erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahren kann die Methan-Ausbeute von LNG-Verflüssigungsprozessen auf annähernd 100% gesteigert werden, da im Prinzip das gesamte, in der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion enthaltene Methan im LNG-Produkt gewonnen werden kann.
  • Im Gegensatz zu bekannten Verflüssigungsprozessen ist das Vorsehen einer zusätzlichen, die Boil-off-Gasfraktion behandelnden NRU, die insbesondere bei kleineren Verflüssigungsprozessen unverhältnismäßig kostenintensiv ist, nicht mehr erforderlich.
  • Die erfindungsgemäß vorzusehende Stickstoff-Abtrennung erfordert einen Mehraufwand an Energie. Dieser liegt jedoch unterhalb von 10% des Gesamtenergiebedarfes des Verflüssigungsprozesses. Darüber hinaus sind neben einem Abscheider bzw. einer Rektifizierkolonne keine weiteren kostenbestimmenden Maschinen erforderlich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei zeigt die 1 eine Ausführungsform, bei der die Stickstoff-Abtrennung in einem Abscheider D realisiert wird, während die 2 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, bei der die Stickstoff-Abtrennung in einer Rektifizierkolonne T erfolgt.
  • Über Leitung 1 wird die Kohlenwasserstoff-reiche, Stickstoff-enthaltende Fraktion einer ggf. vorzusehenden Vorreinigungs-Einheit R zugeführt. Diese umfasst bei niedrigen Rohgasdrücken eine Vorverdichtung sowie im Regelfall eine CO2- und Quecksilberentfernung und Trocknung. Die derart vorbehandelte Fraktion wird anschließend über Leitung 2 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem abgekühlt oder bereits teilverflüssigt.
  • Der Wärmetauscher E1 ist üblicherweise als Plattenwärmetauscher oder als gewickelter Wärmetauscher ausgeführt. Bei entsprechend großen Kapazitäten werden ggf. mehrere, parallel zueinander angeordnete Wärmetauscher vorgesehen.
  • Die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion erfolgt gegen wenigstens einen beliebig ausgeführten Kältekreislauf, der in den 1 und 2 lediglich schematisch durch die Leitungsabschnitte 20 und 21 dargestellt ist, die der Zu- bzw. Abführung eines Kältemittel oder Kältemittelgemisches in bzw. aus dem Wärmetauscher E1 dienen. Der Kältekreislauf ist vorzugsweise als Expander- oder Gemischkreislauf ausgebildet. Das bzw. die in ihm verwendeten Kältemittel und/oder Kältemittelgemische können im Wärmetauscher E2 vorgekühlt und/oder – im Falle des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles – im Wärmetauscher E3 angewärmt werden.
  • Die abgekühlte bzw. bereits teilverflüssigte Fraktion wird über Leitung 3 aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen, sofern der Druck vor dem Abscheider D so hoch ist, dass ohne Entspannung keine Auftrennung in eine Flüssig- und eine Gasphase im Abscheider D erfolgen würde, im Ventil a entspannt und dem Abscheider D als Zweiphasenstrom zugeführt. Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung 4 eine Stickstoff-reiche Fraktion abgezogen, die einen Methan-Restgehalt aufweist, der ihre Nutzung als niederkaloriges Brenngas erlaubt. Diese Stickstoff-reiche Fraktion wird im Ventil b kälteleistend entspannt – die Kältenutzung erfolgt hierbei im Wärmetauscher E2 – und über Leitung 5 an ein in der 1 nicht dargestelltes Brenngasnetz abgegeben.
  • Sofern die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion schwerere Kohlenwasserstoffe enthält, ist vorzugsweise vor der Stickstoff-Abtrennung eine Abtrennung dieser schwereren Kohlenwasserstoffe zu realisieren. Diese Abtrennung kann in einem SKW-Abscheider, einem Deethanizer, einem Depropanizer, etc. erfolgen.
  • Die in der 1 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens macht insbesondere dann Sinn, wenn in der Umgebung des Verflüssigungsprozesses ein Verbraucher für niederkaloriges Gas vorhanden ist. In diesem Falle kann die am Kopf des Abscheiders D abgezogene Stickstoff-Fraktion 4 kältegewinnend angewärmt (Wärmetauscher E2) und ggf. nach einer in der 1 nicht dargestellten Verdichtung als niederkaloriges Brenngas diesem Verbraucher bzw. diesem Brenngasnetz zugeführt werden.
  • Anstelle lediglich eines Abscheiders D kann auch eine aus mehreren Abscheidern bestehende Abscheiderkaskade vorgesehen werden. Deren Abscheider werden vorzugsweise bei unterschiedlichen Drücken betrieben, um eine bessere Auftrennung der Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion zu erreichen und um Verdichtungsenergie zu sparen.
  • Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung 6 eine Stickstoff-arme Flüssigfraktion abgezogen und im Wärmetauscher E1 weiter verflüssigt. Der Stickstoff-Gehalt dieser Flüssigfraktion ist so einzustellen, dass im verflüssigten und gelagerten Erdgas weniger als 1 Vol-% Stickstoff vorliegt. Eventuell kann dies auch durch einen zusätzlichen Aufkocher im Sumpf des Abscheiders D realisiert werden oder über einen Teilstrom der Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion, der als Strippgas dient. Dieser Strippgasstrom kann im Wärmetauscher E1 vorgekühlt werden. Über Leitung 7 wird das derart gewonnene LNG-Flüssigprodukt nach Entspannung im Ventil c einem Speicher S zugeführt. Sofern die über Leitung 6 aus dem Abscheider D abgezogene Flüssigfraktion bereits am kalten Ende des Verflüssigungsprozesses anfällt, kann sie auch unmittelbar dem Speicherbehälter S zugeführt werden, wozu ggf. eine Pumpe vorzusehen ist.
  • Der Stickstoff-Gehalt des im Speicher S gelagerten LNG-Produktes beträgt nunmehr weniger als 1 Vol-%. Innerhalb des Speichers S anfallendes Boil-Off-Gas wird über die Leitung 8 aus dem Speicher S abgezogen, sofern erforderlich im Verdichter V ein- oder mehrstufig verdichtet und erneut dem Verflüssigungsprozess zugeführt. Wie in den 1 und 2 dargestellt, kann die Boil-off-Gasfraktion der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion bereits vor der Zuführung in die Rohgasverdichtung und/oder den Wärmetauscher E1 beigemischt werden und/oder in einer eigenen Passage des Wärmetauschers E1 abgekühlt oder teilverflüssigt werden. Die Zusammenführung der beiden Fraktionen erfolgt in jedem Falle vor deren Zuführung in den Abscheider D bzw. in die Rektifizierkolonne T.
  • Die in der 2 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unterscheidet sich von der in der 1 dargestellten Ausführungsform dadurch, dass anstelle des Abscheiders D eine Rektifizierkolonne T vorgesehen ist. Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens hat den Vorteil, dass der Stickstoff-Gehalt im Kopfgas 4 der Rektifizierkolonne T auf einen beliebig niedrigen Wert eingestellt werden kann. Die Rektifizierkolonne T weist einen Kondensator E3 auf, der die Kälte für die Einstellung des Stickstoff-Gehaltes im Kopfgas 4 zur Verfügung stellt. Falls das Kopfgas 4 als niederkaloriges Brenngas Verwendung findet, kann auch ein Teilstrom der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoffenthaltenden Fraktion als Fremdrücklauf an Stelle des Wärmetauschers E3 eingesetzt werden.
  • In vorteilhafter Weise wird über Leitung 9 ein Teilstrom der ggf. vorbehandelten, zu verflüssigenden Fraktion durch den Aufkocher E4, durch den der Stickstoffgehalt des gelagerten LNG-Produktes unter 1 Vol-% gehalten wird, geführt, anschließend im Ventil d entspannt und über Leitung 9 der Rektifizierkolonne T als zusätzlicher Einsatzstrom zugeführt. Alternativ dazu kann auch ein Teilstrom der zu verflüssigenden Fraktion vor oder nach einer teilweisen Abkühlung im Wärmetauscher E1 direkt als Strippgasstrom im Sumpf Rektifizierkolonne T eingesetzt werden.
  • Sofern die über Leitung 6 aus der Rektifizierkolonne T abgezogene Flüssigfraktion bereits am kalten Ende des Verflüssigungsprozesses anfällt, kann sie auch unmittelbar dem Speicherbehälter S zugeführt werden, wozu ggf. eine Pumpe vorzusehen ist.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoffenthaltenden Fraktion, wobei die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion im indirekten Wärmetausch gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältekreislaufes erfolgt und die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion zwischengespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass während des Verflüssigens der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion eine Stickstoff-Abtrennung (D, T) erfolgt und die bei der Speicherung (S) der verflüssigten Fraktion anfallende Boil-off-Gasfraktion (8) verdichtet (V) und rückverflüssigt wird (E1), wobei die Rückverflüssigung der Boil-off-Gasfraktion gegen den gleichen Kältekreislauf (20, 21) erfolgt und auch diese Fraktion der Stickstoff-Abtrennung (D, T) unterzogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Stickstoff-Abtrennung (D, T) gewonnene Stickstoff-Fraktion einen Methan-Restgehalt aufweist, der es ermöglicht, diese Stickstoff-Fraktion an die Umgebungsluft abzugeben oder als niederkaloriges Brenngas zu verwenden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Stickstoff-Abtrennung (D, T) gewonnene Stickstoff-Fraktion einen Methan-Restgehalt von weniger als 5 Vol-%, vorzugsweise weniger als 1 Vol-% aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff-Abtrennung (D, T) in wenigstens einem Abscheider (D) und/oder wenigstens einer Rektifizierkolonne (T) erfolgt, wobei im Falle des Vorsehens mehrerer Abscheider und/oder Rektifizierkolonnen diese vorzugsweise kaskadenförmig angeordnet sind und/oder bei unterschiedlichen Drücken betrieben werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die rückzuverflüssigende Boil-off-Gasfraktion (8) der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1) vor deren Zuführung in den Verflüssigungsprozess und/oder während des Verflüssigungsprozesses, aber noch vor der Zuführung in die Stickstoff-Abtrennung (D, T) beigemischt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rückzuverflüssigende Boil-off-Gasfraktion (8) gemeinsam mit der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1) verdichtet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) vor der Stickstoff-Abtrennung (D, T) einer Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen, von C2+-Kohlenwasserstoffen und/oder von C3+-Kohlenwasserstoffen unterzogen wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Stickstoff-Abtrennung in wenigstens einer Rektifizierkolonne erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffreichen Fraktion (9, 9') der oder wenigstens einer der Rektifizierkolonnen (T) als Strippgasstrom im Sumpf der Rektifizierkolonnen (T) zugeführt wird und/oder ein Teilstrom der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (9, 9') im Aufkocher (E4) der oder einer der Rektifizierkolonnen (T) gekühlt und der oder wenigstens einer der Rektifizierkolonnen (T) als weiterer Einsatzstrom zugeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei die Stickstoff-Abtrennung in wenigstens einer Rektifizierkolonne erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Stickstoff-Gehaltes in der aus der Rektifizierkolonne (T) abgezogenen Stickstoff-Fraktion (4) mittels eines in der Rektifizierkolonne (T) vorgesehenen Kondensators (E3) erfolgt.
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