DE102010011052A1 - Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (A), insbesondere von Erdgas, wobei a) die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (A) gegen das Kältemittelgemisch eines Kältekreislaufes verflüssigt wird, b) das Kältemittelgemisch wenigstens zweistufig verdichtet wird (C1, C2), c) das verdichtete Kältemittelgemisch (2) wenigstens nach der vorletzten Verdichterstufe (C1) partiell kondensiert wird (E1), d) die dabei anfallende, tiefersiedende Gasfraktion (2') auf den Enddruck verdichtet wird (C2), e) während die dabei anfallende, erste höhersiedende Flüssigfraktion (3) abgekühlt (E), kälteleistend entspannt (a) und gegen die abzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (A) verdampft wird (E), f) die auf den Enddruck verdichtete Kältemittelgemischfraktion (4) partiell kondensiert (E2) und die dabei anfallende erste tiefersiedende Gasfraktion (5) nach partieller Kondensation (E) in eine zweite tiefersiedende Gasfraktion (7) und eine zweite höhersiedende Flüssigfraktion (6) aufgetrennt wird, und g) die zweite tiefersiedende Gasfraktion (7) verflüssigt und unterkühlt (E) wird, die zweite höhersiedende Flüssigfraktion (6) unterkühlt (E) wird und die beiden Fraktionen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus kälteleistend entspannt (b, c) und gegen die abzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (A) angewärmt und zumindest teilverdampft werden (E). Erfindungsgemäß wird die Zusammensetzung des Kältemittelgemisches derart gewählt, dass das Siedeende (Taupunkt) der zweiten tiefersiedenden Gasfraktion (7) bei einer tieferen Temperatur als der Siedebeginn der ersten höhersiedenden Flüssigfraktion (3) liegt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, wobei
- a) die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion gegen das Kältemittelgemisch eines Kältekreislaufes verflüssigt wird,
- b) das Kältemittelgemisch wenigstens zweistufig verdichtet wird,
- c) das verdichtete Kältemittelgemisch wenigstens nach der vorletzten Verdichterstufe partiell kondensiert wird,
- d) die dabei anfallende, tiefersiedende Gasfraktion auf den Enddruck verdichtet wird,
- e) während die dabei anfallende, erste höhersiedende Flüssigfraktion abgekühlt, kälteleistend entspannt und gegen die abzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion verdampft wird,
- f) die auf den Enddruck verdichtete Kältemittelgemischfraktion partiell kondensiert und die dabei anfallende erste tiefersiedende Gasfraktion nach partieller Kondensation in eine zweite tiefersiedende Gasfraktion und eine zweite höhersiedende Flüssigfraktion aufgetrennt wird, und
- g) die zweite tiefersiedende Gasfraktion verflüssigt und unterkühlt wird, die zweite höhersiedende Flüssigfraktion unterkühlt wird und die beiden Fraktionen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus kälteleistend entspannt und gegen die abzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion angewärmt und zumindest teilverdampft werden.
- Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion ist beispielsweise aus der
deutschen Patentanmeldung 197 22 490 bekannt. Derartige Verfahren zum Verflüssigen Kohlenwasserstoff-reicher Fraktionen kommen beispielsweise in Erdgasverflüssigungsanlagen mit einer Verflüssigungsleistung zwischen 10.000 und 3.000.000 jato LNG zur Anwendung. Mit der Zitierung derdeutschen Patentannmeldung 197 22 490 sei deren Inhalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Anmeldung aufgenommen. - Bei dem anhand der
2 derdeutschen Patentanmeldung 197 22 490 . beschriebenen Verflüssigungsverfahren wird das Kältemittelgemisch im Rahmen seiner mehrstufigen Verdichtung nach jeder Verdichterstufe, üblicherweise gegen Umgebungsluft und/oder Wasser, partiell kondensiert. Eine dabei auf einer Zwischenstufe anfallende erste Flüssigphase wird zur Vorkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion verwendet. Die unter dem höchsten Druck anfallende erste Gasphase wird ebenfalls partiell kondensiert und in eine zweite Gasphase sowie eine zweite Flüssigphase aufgetrennt. Die zweite Gasphase wird verflüssigt, entspannt und anschließend im Gegenstrom zu der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion teilverdampft. Diesem teilverdampften Kältemittelgemischstrom wird die entspannte zweite Flüssigphase, die ebenfalls zweiphasig vorliegt, zugemischt. Die vorerwähnte erste Flüssigphase wird nach ihrer Entspannung dem vorgenannten Gemischstrom aus zweiter Gas- und zweiter Flüssigphase ebenfalls zweiphasig zugemischt. - In der Praxis zeigt sich, dass das Vermischen zweier zweiphasiger Kältemittelströme bei der sog. fallenden Verdampfung, wie sie beispielsweise auf der Mantelseite von gewickelten Wärmetauschern stattfindet, technisch gut beherrschbar ist. Im Falle einer steigenden Verdampfung, wie sie üblicherweise in Plattenwärmetauschern realisiert wird, kann die Zweiphasigkeit der beiden, zu vermischenden Ströme jedoch zu Problemen führen. Da ein derartiges Vermischen von Zweiphasenströmen im Plattenwärmetauscher gegenwärtig technisch nicht beherrschbar ist, werden die beiden Zweiphasenströme außerhalb des Wärmetauschers in einen Behälter vermischt sowie in eine Gas- und eine Flüssigphase aufgetrennt. Da die Zuspeisung der Flüssigphase aus diesem Behälter zu dem Wärmetauscher mit Gefälle stattfinden muss, ist eine steigende Leitungsführung wenigstens eines zweiphasigen Stromes zwischen dem Wärmetauscher und dem Behälter unvermeidbar. Je nach Lastbereich kann dies jedoch zu unerwünschten instabilen Strömungsformen und dadurch zu Betriebsstörungen führen.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Zusammensetzung des Kältemittelgemisches derart gewählt wird, dass das Siedeende (Taupunkt) der zweiten tiefersiedenden Gasfraktion bei einer tieferen Temperatur als der Siedebeginn der ersten höhersiedenden Flüssigfraktion liegt.
- Erfindungsgemäß wird nunmehr die erste höhersiedende Flüssigfraktion der zweiten tiefersiedenden Gasfraktion erst nach deren vollständigen Verdampfung zugemischt. Mittels dieser Verfahrensweise erübrigt sich das Vorsehen einer eingangs beschriebenen zweiphasigen Steigleitung zwischen Wärmetauscher und Behälter.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
- – die Temperaturdifferenz zwischen dem Siedeende der zweiten tiefersiedenden Gasfraktion und dem Siedebeginn der ersten höhersiedenden Flüssigfraktion wenigstens 5 K, vorzugsweise wenigstens 10 K beträgt,
- – die zweite höhersiedende Flüssigfraktion getrennt von der ersten höhersiedenden Flüssigfraktion und der zweiten tiefersiedenden Gasfraktion verdampft wird,
- – die erste höhersiedende Flüssigfraktion und die zweite tiefersiedende Gasfraktion erst nach ihrer Verdampfung mit der zweiten höhersiedenden Flüssigfraktion zusammengeführt werden,
- – zumindest ein Teilstrom der abgekühlten, zweiten tiefersiedenden Gasfraktion der entspannten, zweiten höhersiedenden Flüssigfraktion zugemischt wird,
- – das Vermischen von entspannter, erster höhersiedender Flüssigfraktion und verdampfter, zweiter tiefersiedender Gasfraktion außerhalb des oder der für den Wärmetausch zwischen der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion und dem Kältekreislauf erforderlichen Wärmetauscher, vorzugsweise in einem Abscheider erfolgt, wobei die verdampfte, zweite tiefersiedende Gasfraktion dem Abscheider einphasig zugeführt wird, und
- – die bei der partiellen Kondensation der auf den Enddruck verdichteten Kältemittelgemischfraktion anfallende Flüssigfraktion die erste höhersiedende Flüssigfraktion unterkühlt.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
- Die Figur zeigt einen Erdgas-Verflüssigungsprozess, bei dem das zu verflüssigende Erdgas über Leitung A einem Wärmetauscher E zugeführt, nach erfolgter Verflüssigung gegen einen Kältekreislauf über die Leitung B abgezogen und seiner weiteren Verwendung bzw. Speicherung zugeführt wird. Nicht dargestellt in der Figur sind ggf. vorzusehende Vorbehandlungsschritte des zu verflüssigenden Erdgases sowie eine ggf. vorzusehende Abtrennung von Stickstoff und/oder C2+-Kohlenwasserstoffen.
- Das zu verdichtende Kältemittelgemisch des Kältekreislaufes wird über Leitung
1 einem der Verdichtereinheit C1/C2 vorgeschalteten ersten Abscheider D1, der der Kondensatabtrennung dient, zugeführt. Die am Kopf des Abscheiders D1 anfallende Gasphase wird über Leitung1' der ersten Verdichterstufe C1 zugeführt und auf einen Zwischendruck, der üblicherweise zwischen 15 und 35 bar liegt, verdichtet. Das verdichtete Kältemittelgemisch wird im Wärmetauscher E1 partiell kondensiert und über Leitung2 einem zweiten Abscheider D2 zugeführt. Die aus dem Sumpf des Abscheiders D2 über Leitung3 abgezogene, erste höhersiedende Flüssigfraktion wird im Wärmetauscher E abgekühlt, im Ventil a kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung3' der Kältemittelfraktion in der Leitung8 , auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, zugemischt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das Vermischen der entspannten Fraktion3' und der Kältemittelfraktion8 auch außerhalb des Wärmetauschers E erfolgen. In diesem Falle ist ein Abscheider vorzusehen, dem die beiden vorgenannten Fraktionen zugeführt werden, wobei die Kältemittelfraktion8 einphasig zugeführt wird - Die über Leitung
2' aus dem Abscheider D2 abgezogene Gasphase wird in der zweiten Verdichterstufe C2 auf den gewünschten Enddruck verdichtet, der üblicherweise zwischen 25 und 70 bar liegt. Das auf den Enddruck verdichtete Kältemittelgemisch wird im Wärmetauscher E2 partiell kondensiert und über Leitung4 einem weiteren Abscheider D3 zugeführt. - Die im Abscheider D3 anfallende Flüssigphase wird über Leitung
4' vor den zweiten Abscheider D2 zurückgeführt. Zweckmäßigerweise erfolgt zwischen den Flüssigphasen in den Leitungen3 und4' im Wärmetauscher E3 ein Wärmeaustausch, der vorzugsweise der Unterkühlung der aus dem Sumpf des Abscheiders D2 abgezogenen Flüssigphase3 dient. - Über Leitung
5 wird am Kopf des Abscheiders D3 eine erste tiefersiedende Gasfraktion abgezogen. Diese wird im Wärmetauscher E partiell kondensiert und anschließend über Leitung5' einem weiteren Abscheider D4 zugeführt. In diesem erfolgt eine Auftrennung in eine zweite höhersiedende Flüssigfraktion6 sowie eine zweite tiefersiedende Gasfraktion7 . Die zweite Flüssigfraktion6 wird dem Wärmetauscher E zugeführt, in ihm unterkühlt und anschließend im Ventil b kälteleistend entspannt. Über die Leitungsabschnitte6' und10 wird die entspannte Flüssigfraktion dem Wärmetauscher E erneut zugeführt bzw. durch ihn hindurchgeführt. - Die am Kopf des Abscheiders D4 anfallende zweite Gasfraktion
7 wird ebenfalls im Wärmetauscher E zunächst verflüssigt und anschließend unterkühlt. Nach Abzug aus dem Wärmetauscher E wird diese Fraktion auf zwei Teilströme8 und9 aufgetrennt. Beide Teilströme werden in den Ventilen c bzw. d kälteleistend entspannt. Während ein Teilstrom über Leitung8 durch den Wärmetauscher E geführt und dabei im Wärmetausch gegen den zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom verdampft wird, kann ein weiterer Teilstrom der bereits erwähnten Flüssigfraktion in der Leitung6' zugemischt werden. Dieses Zumischen verbessert die Regelbarkeit von Temperatur und Kälteleistung des Stroms10 , reduziert somit den Energieverbrauch und/oder dient zur Einstellung von Prozessbedingungen bei der Abtrennung von Stickstoff und/oder C2 +-Kohlenwasserstoffen aus der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A. - Wie anhand der Figur dargestellt wird die entspannte, zweite höhersiedende Flüssigfraktion
6' getrennt von der entspannten, ersten höhersiedenden Flüssigfraktion3' und der entspannten, zweiten tiefersiedenden Gasfraktion8 verdampft. Diese getrennte Verdampfung erfolgt in separaten Strömungskanälen des Wärmetauschers E. Das Vermischen der vorgenannten Fraktionen erfolgt daher erst am warmen Ende des Wärmetauschers E, wenn diese Fraktionen vollständig verdampft sind. - Die getrennte Verdampfung führt zu einer geringfügigen Erhöhung des Energieverbrauchs des Verflüssigungsverfahrens von bis zu 3%; dies kann jedoch angesichts der verbesserten Betreibbarkeit des Verflüssigungsverfahrens akzeptiert werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion ermöglicht es nunmehr, die eingangs erläuterte, unerwünschte steigende Zweiphasenströmung außerhalb des Wärmetauschers zu vermeiden. Die bisher durch diese Zweiphasenströmung verursachten Betriebsstörungen können folglich ausgeschlossen werden.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
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- DE 19722490 [0002, 0002, 0003]
Claims (7)
- Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (A), insbesondere von Erdgas, wobei a) die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (A) gegen das Kältemittelgemisch eines Kältekreislaufes verflüssigt wird, b) das Kältemittelgemisch wenigstens zweistufig verdichtet wird (C1, C2), c) das verdichtete Kältemittelgemisch (
2 ) wenigstens nach der vorletzten Verdichterstufe (C1) partiell kondensiert wird (E1), d) die dabei anfallende, tiefersiedende Gasfraktion (2' ) auf den Enddruck verdichtet wird (C2), e) während die dabei anfallende, erste höhersiedende Flüssigfraktion (3 ) abgekühlt (E), kälteleistend entspannt (a) und gegen die abzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (A) verdampft wird (E), f) die auf den Enddruck verdichtete Kältemittelgemischfraktion (4 ) partiell kondensiert (E2) und die dabei anfallende erste tiefersiedende Gasfraktion (5 ) nach partieller Kondensation (E) in eine zweite tiefersiedende Gasfraktion (7 ) und eine zweite höhersiedende Flüssigfraktion (6 ) aufgetrennt wird, und g) die zweite tiefersiedende Gasfraktion (7 ) verflüssigt und unterkühlt (E) wird, die zweite höhersiedende Flüssigfraktion (6 ) unterkühlt (E) wird und die beiden Fraktionen auf unterschiedlichen Temperaturniveaus kälteleistend entspannt (b, c) und gegen die abzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (A) angewärmt und zumindest teilverdampft werden (E), dadurch gekennzeichnet, dass die Zusammensetzung des Kältemittelgemisches derart gewählt wird, dass das Siedeende (Taupunkt) der zweiten tiefersiedenden Gasfraktion (7 ) bei einer tieferen Temperatur als der Siedebeginn der ersten höhersiedenden Flüssigfraktion (3 ) liegt. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem Siedeende der zweiten tiefersiedenden Gasfraktion (
7 ) und dem Siedebeginn der ersten höhersiedenden Flüssigfraktion (3 ) wenigstens 5 K, vorzugsweise wenigstens 10 K beträgt. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite höhersiedende Flüssigfraktion (
6 ,6' ) getrennt von der ersten höhersiedenden Flüssigfraktion (3 ,3' ) und der zweiten tiefersiedenden Gasfraktion (7 ) verdampft wird (E). - Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste höhersiedende Flüssigfraktion (
3 ) und die zweite tiefersiedende Gasfraktion (7 ) erst nach ihrer Verdampfung mit der zweiten höhersiedenden Flüssigfraktion (6 ) zusammengeführt werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom (
9 ) der abgekühlten, zweiten tiefersiedenden Gasfraktion (7 ) der entspannten (b), zweiten höhersiedenden Flüssigfraktion (6 ,6' ) zugemischt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Vermischen von entspannter, erster höhersiedender Flüssigfraktion (
3 ,3' ) und verdampfter, zweiter tiefersiedender Gasfraktion (7 ,8 ) außerhalb des oder der für den Wärmetausch zwischen der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (A) und dem Kältekreislauf erforderlichen Wärmetauscher (E), vorzugsweise in einem Abscheider erfolgt, wobei die verdampfte, zweite tiefersiedende Gasfraktion (7 ,8 ) dem Abscheider einphasig zugeführt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der partiellen Kondensation (E2) der auf den Enddruck verdichteten Kältemittelgemischfraktion (
4 ) anfallende Flüssigfraktion (4' ) die erste höhersiedende Flüssigfraktion (3 ) unterkühlt (E3).
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