DE102011115987A1

DE102011115987A1 - Erdgasverflüssigung

Info

Publication number: DE102011115987A1
Application number: DE201110115987
Authority: DE
Inventors: Hans Schmidt
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2011-10-14
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2031-10-15
Also published as: DE102011115987B4

Abstract

Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt. Erfindungsgemäß – erfolgt die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem zweistufigen Wärmetauschprozess (E1, E2), – wobei in der ersten Stufe des Wärmetauschprozesses (E1) die Einsatzfraktion (2) gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff (8) soweit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung (D) der schweren Komponenten (4) realisierbar ist, – die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion (5) entspannt (b) und anschließend in der ersten Stufe des Wärmetauschprozesses (E1) abgekühlt und teilkondensiert wird, bis eine maximale Temperaturdifferenz von 30 K gegen den zu verdampfenden Stickstoffstrom erreicht ist, und – in der zweiten Stufe des Wärmetauschprozesses (E2) die teilkondensierte Einsatzfraktion (5') gegen zu verdampfenden flüssigen oder zu verdampfenden zweiphasig vorliegenden Stickstoff (7) verflüssigt wird, wobei – die zweite Stufe des Wärmetauschprozesses (E2) in einem Geradrohr-Wärmetauscher oder einem gewickelten Wärmetauscher realisiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt.
Die Verflüssigung von Kohlenwasserstoff-reichen Gasen, insbesondere von Erdgasen, findet kommerziell in einem Kapazitätsbereich von 5 bis 30.000 Tonnen LNG pro Tag (tato) statt. Bei Anlagen mittlerer Kapazität – hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 500 und 3.000 tato LNG zu verstehen – und großer Kapazität – hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 3.000 und 30.000 tato LNG zu verstehen – ist der Fachmann bestrebt, durch hohe Effizienz die Betriebskosten zu optimieren. Abgeschwächt gilt dies auch für mittlere Kapazitäten ab ca. 100 tato LNG. Demgegenüber stehen bei kleineen Anlagen – hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 5 und 100 tato LNG zu verstehen – niedrige Investitionskosten im Vordergrund.
Bei derartigen Anlagen ist der Investitionskostenanteil einer eigenen Kälteanlage, bei der als Arbeitsmittel bspw. Stickstoff oder ein Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisch zur Anwendung kommt, erheblich. Daher wird ggf. auf eine Kälteerzeugung in der Verflüssigungsanlage verzichtet und ein geeignetes Kältemittel importiert. Üblicherweise wird in diesem Fall flüssiger Stickstoff verwendet und nach seiner Nutzung als Kältemittel gasförmig an die Atmosphäre abgegeben. Sofern in der Nähe befindliche Luftzerlegungsanlagen ungenutzte Produktmengen an flüssigem Stickstoff kostengünstig zur Verfügung stellen können, ist dieses Konzept für kleine Verflüssigungsanlagen durchaus kommerziell sinnvoll
Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2010 044 869 beschrieben. Bei diesem erfolgt die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem wenigstens dreistufigen Wärmetauschprozess, wobei in dem ersten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die Einsatzfraktion gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff soweit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung der schwereren Komponenten realisierbar ist, im zweiten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die von schwereren Komponenten befreite Einsatzfraktion gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff teilverflüssigt und im dritten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die Einsatzfraktion gegen teilzuverdampfenden Stickstoff verflüssigt wird.
Aus Kostengründen kommen bei gattungsgemäßen Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion im Regelfall gelötete Aluminium-Plattenwärmetauscher zur Anwendung. Diese Apparate sind jedoch empfindlich gegenüber starken thermischen Belastungen, wie sie bspw. durch ein Überangebot an Kältemittel und/oder grollen Temperaturdifferenzen zwischen warmen und kalten Prozessströmen entstehen können. Die resultierenden mechanischen Spannungen können zu Schäden an diesen Apparaten führen. Die zulässigen Temperaturdifferenzen können üblicherweise im stationären Betrieb eingehalten werden; bei transienten Betriebsbedingungen – wie bspw. Anfahren des Prozesses aus warmem oder kaltem Zustand, Laständerungen, Regelstörungen, falscher Betrieb von Armaturen, etc. – entstehen jedoch deutlich höhere und damit nicht mehr akzeptable Temperaturdifferenzen, die die Plattenwärmetauscher gefährden und sogar zerstören können.
Um dies zu vermeiden, müssen vergleichsweise aufwändige Vorkehrungen getroffen werden, wie bspw. das Vorsehen zusätzlicher Abschaltungen, von Anfahrverdampfern, von Ablassbehältern für flüssigen Stickstoff nach dem Abschalten der Anlage, zusätzlicher Temperaturfühler auf der Plattentauscheroberfläche, etc. Da es sich wie eingangs erläutert um relativ kleine Anlagen handelt, können die hierfür erforderlichen Kosten in der Größenordnung der gesamten Apparatekosten liegen, was den Prozess unwirtschaftlich macht. Darüber hinaus bedeuten diese Sicherheitsvorkehrungen einen großen Aufwand für den Betrieb des Prozesses.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere ein Verfahren schafft, das robust gegen betriebliche Störungen und Schäden ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass

– die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem zweistufigen Wärmetauschprozess erfolgt,
– wobei in der ersten Stufe des Wärmetauschprozesses die Einsatzfraktion gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff soweit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung der schweren Komponenten realisierbar ist,
– die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion entspannt und anschließend in der ersten Stufe des Wärmetauschprozesses abgekühlt und teilkondensiert wird, bis eine maximale Temperaturdifferenz von 30 K gegen den zu verdampfenden Stickstoffstrom erreicht ist, und
– in der zweiten Stufe des Wärmetauschprozesses die teilkondensierte Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden flüssigen oder zu verdampfenden zweiphasig vorliegenden Stickstoff verflüssigt wird, wobei
– die zweite Stufe des Wärmetauschprozesses in einem Geradrohr-Wärmetauscher oder einem gewickelten Wärmetauscher realisiert wird.

Unter dem Begriff ”schwere Komponenten” seien nachfolgend Kohlenwasserstoffe ab Ethan zu verstehen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion sind dadurch gekennzeichnet, dass

– die erste Stufe des Wärmetauschprozesses in einem Plattenwärmetauscher realisiert wird,
– als Geradrohr-Wärmetauscher ein Wärmetauscher vom Typ BKU verwendet wird,
– der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt wird,
– der Siededruck des zu verdampfenden flüssigen oder zu verdampfenden zweiphasig vorliegenden Stickstoffs auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt wird, und/oder
– der zu verdampfende flüssige oder zu verdampfende zweiphasig vorliegende Stickstoff aus einem Stickstoff-Kältekreislauf und/oder aus der Überschussproduktion eines Luftzerlegers entnommen wird.

Erfindungsgemäß erfolgt die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem zweistufigen Wärmetauschprozess. In der ersten Stufe des Wärmetauschprozesses wird die Einsatzfraktion gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff soweit abgekühlt, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung der schweren Komponenten realisierbar ist. Dievon schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion wird anschließend soweit weiter abgekühlt und teilkondensiert, bis eine maximale Temperaturdifferenz von 30 K gegen den verdampfenden Stickstoffstrom erreicht ist. In vorteilhafter Weise wird diese Stufe des Wärmetauschprozesses in einem Plattenwärmetauscher, vorzugsweise einem Aluminium-Plattentauscher realisiert.
In der zweiten Stufe des Wärmetauschprozesses wird die von schweren Komponenten befreite und weiter abgekühlte Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden flüssigen Stickstoff verflüssigt, wobei die zweite Stufe des Wärmetauschprozesses in einem Geradrohr- bzw. TEMA-Wärmetauscher, vorzugsweise vom Typ BKU, oder einem gewickelten Wärmetauscher realisiert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion ermöglicht einen Verflüssigungsprozess, dessen Investitionskosten im Vergleich zu dem in der deutschen Patentanmeldung 10 2010 044 869 beschriebenen Verflüssigungsprozess niedriger sind. Ferner erfordert das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion einen geringeren Instrumentierungsbedarf. Der Betrieb des Verflüssigungsprozesses gestaltet sich auch unter transienten Bedingungen unproblematisch, woraus zudem eine Verringerung des Überwachungsaufwandes resultiert. Gegenüber dem in der deutschen Patentanmeldung 10 2010 044 869 beschriebenen Verflüssigungsprozess bleiben die Prozessbedingungen bleiben unverändert, lediglich die Apparatekonfiguration wird verändert. Ebenfalls unverändert bleibt die Prozesseffizienz.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Die zu verflüssigende Wasserstoff-reiche Einsatzfraktion wird über Leitung 1 einer Vorreinigungseinheit A zugeführt. Diese Vorreinigungseinheit A umfasst in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der zu verflüssigenden Einsatzfraktion 1 insbesondere eine (adsorptive) Trocknung und ggf. eine Kohlendioxid-Entfernung, Die in der Vorreinigungseinheit A behandelte Einsatzfraktion 2 wird der ersten Stufe eines Wärmetauschprozesses, der ihrer Verflüssigung dient, zugeführt. Diese erste Stufe des Wärmetauschprozesses wird vorzugsweise in einem herkömmlichen (Aluminium-)Plattenwärmetauscher E1 realisiert. In diesem wird die zu verflüssigende Einsatzfraktion 2 gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff, der dem Wärmetauscher E1 über Leitung 8 zugeführt wird, soweit abgekühlt, dass in einem dem Wärmetauscher nachgeschalteten Abscheider D, dem die abgekühlte Einsatzfraktion 3 zugeführt wird, eine Abtrennung der schweren Komponenten möglich ist. Diese werden aus dem Sumpf des Abscheiders D über Leitung 4, in der ein Entspannungsventil a angeordnet ist, in flüssiger Form abgezogen und aus dem Verflüssigungsprozess abgegeben.
Anstelle des Abscheiders D kann eine Rektifizierkolonne zur Anwendung kommen, die eine schärfere Abtrennung von schweren Komponenten bzw. höheren Kohlenwasserstoffen aus der zu verflüssigenden Einsatzfraktion ermöglicht. Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung 5, in der ein Regelventil d angeordnet ist, die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion abgezogen und im Wärmetauscher E1 weiter abgekühlt, bis eine maximale Temperaturdifferenz von 30 K gegen den verdampfenden Stickstoffstrom erreicht ist. Anschließend wird die abgekühlte und teilkondensierte Einsatzfraktion 5' der zweiten Stufe des Wärmetauscherprozesses zugeführt. Diese zweite Stufe des Wärmetauscherprozesses wird in einem Geradrohr-Wärmetauscher oder einem gewickelten Wärmetauscher E2 realisiert. In dieser zweiten Stufe des Wärmetauschprozesses erfolgt eine vollständige Verflüssigung und Unterkühlung der Einsatzfraktion 5', die anschließend über Leitung 6 und Regelventil c aus dem Verflüssigungsprozess abgezogen und vorzugsweise einem in der Figur nicht dargestellten Speicherbehälter zugeführt wird. Das Regelventil c dient der Entspannung der verflüssigten Einsatzfraktion auf den Produktabgabedruck, der mindestens annähernd dem Atmosphärendruck entspricht.
Die vorerwähnte Verflüssigung der Einsatzfraktion 5' erfolgt gegen zu verdampfenden flüssigen oder zu verdampfenden zweiphasig vorliegenden Stickstoff, der dem Wärmetauscher E2 über Leitung 7 zugeführt wird. Nach Durchgang durch die Wärmetaucher E2 und E1 wird der überhitzte gasförmige Stickstoff über die Leitungsabschnitte 9 und 10 abgezogen und rückverflüssigt, einer weiteren Verwendung zugeführt und/oder an die Atmosphäre abgegeben. Ein Teilstrom dieses Stickstoffstromes kann über Leitung 11 durch die eingangs erwähnte Vorreinigungseinheit A geführt und in dieser als Regeneriermedium, beispielsweise für Adsorber, dienen.
Mittels des im Leitungsabschnitt 9 vorgesehenen Regelventils d kann der Siededruck des zu verdampfenden flüssigen oder zu verdampfenden zweiphasig vorliegenden Stickstoffs geregelt werden. In vorteilhafter Weise wird dieser Siededruck auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt, um sicherzustellen, dass ein Ausfrieren der Methan-reichen Einsatzfraktion ausgeschlossen ist.
Der über Leitung 7 bereitgestellte Stickstoff kann aus der Überschussproduktion eines Luftzerlegers stammen oder als flüssiger oder teilverflüssigter Stickstoffstrom eines Stickstoffkreislaufes vorliegen.
In analoger Weise kann mittels des Regelventils b der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion 5 geregelt werden. Dieser Kondensationsdruck wird vorzugsweise auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt. Mittels der Regelventile b und/oder d kann somit das Temperaturprofil in beiden Stufen des Wärmetauschprozesses kontrolliert werden.
Grundsätzlich kann der Verflüssigungsprozess mittels ”importiertem” Stickstoff, mittels rückverflüssigtem Stickstoff oder durch eine beliebige Kombination beider Betriebsarten erfolgen.
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

DE 102010044869 [0004, 0013, 0013]

Claims

Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem zweistufigen Wärmetauschprozess (E1, E2) erfolgt, – wobei in der ersten Stufe des Wärmetauschprozesses (E1) die Einsatzfraktion (2) gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff (8) soweit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung (D) der schweren Komponenten (4) realisierbar ist, – die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion (5) entspannt (b) und anschließend in der ersten Stufe des Wärmetauschprozesses (E1) abgekühlt und teilkondensiert wird, bis eine maximale Temperaturdifferenz von 30 K gegen den zu verdampfenden Stickstoffstrom erreicht ist, und – in der zweiten Stufe des Wärmetauschprozesses (E2) die teilkondensierte Einsatzfraktion (5') gegen zu verdampfenden flüssigen oder zu verdampfenden zweiphasig vorliegenden Stickstoff (7) verflüssigt wird, wobei – die zweite Stufe des Wärmetauschprozesses (E2) in einem Geradrohr-Wärmetauscher oder einem gewickelten Wärmetauscher realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe des Wärmetauschprozesses (E1) in einem Plattenwärmetauscher realisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Geradrohr-Wärmetauscher ein Wärmetauscher vom Typ BKU verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion (5) auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt wird (b).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Siededruck des zu verdampfenden flüssigen oder zu verdampfenden zweiphasig vorliegenden Stickstoffs auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt wird (d).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verdampfende flüssige oder zu verdampfende zweiphasig vorliegende Stickstoff (7) aus einem Stickstoff-Kältekreislauf und/oder aus der Überschussproduktion eines Luftzerlegers entnommen wird.