DE102011115987B4 - Erdgasverflüssigung - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, wobei die Abkühlung einer 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 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.
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.
- Aus der
US 5 826 444 A ist ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoffe enthaltenden Fluids bekannt, bei dem ein Fluid zunächst unter Verwendung einer Kühlmittelmischung unter Bereitstellung einer kondensierten einphasigen Kühlmittelmischung im wesentlichen ohne Gasphase gekühlt wird, diese kondensierte einphasige Kühlmittelmischung unterkühlt, expandiert und verdampft wird, um einen Teil des zu verflüssigenden Fluids zu unterkühlen, und das unterkühlte Fluid zum Erhalt einer flüssigen Phase bei geringem Druck zu expandieren. - Die
US 5 390 499 A beschreibt ein Verfahren zum Reinigen von Erdgas zur Bereitstellung eines verflüssigten Erdgasproduktes, welches im Wesentlichen als reines Methan vorliegt. - Aus der
CN 101 858 683 A ist schließlich ein Verfahren zur Herstellung von verflüssigtem Erdgas unter Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kältemittel bekannt. - Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf ist in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung
102010044869 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 großen 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
102010044869 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 Patentanmeldung102010044869 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 VorreinigungseinheitA zugeführt. Diese VorreinigungseinheitA umfasst in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der zu verflüssigenden Einsatzfraktion1 insbesondere eine (adsorptive) Trocknung und ggf. eine Kohlendioxid-Entfernung, Die in der VorreinigungseinheitA behandelte Einsatzfraktion2 wird der ersten Stufe eines Wärmetauschprozesses, der ihrer Verflüssigung dient, zugeführt. Diese erste Stufe des Wärmetauschprozesses wird vorzugsweise in einem herkömmlichen (Aluminium-)PlattenwärmetauscherE1 realisiert. In diesem wird die zu verflüssigende Einsatzfraktion2 gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff, der dem WärmetauscherE1 über Leitung8 zugeführt wird, soweit abgekühlt, dass in einem dem Wärmetauscher nachgeschalteten AbscheiderD , dem die abgekühlte Einsatzfraktion3 zugeführt wird, eine Abtrennung der schweren Komponenten möglich ist. Diese werden aus dem Sumpf des AbscheidersD über Leitung4 , in der ein Entspannungsventila 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 AbscheidersD wird über Leitung5 , in der ein Regelventil b angeordnet ist, die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion abgezogen und im WärmetauscherE1 weiter abgekühlt, bis eine maximale Temperaturdifferenz von 30 K gegen den verdampfenden Stickstoffstrom erreicht ist. Anschließend wird die abgekühlte und teilkondensierte Einsatzfraktion5' der zweiten Stufe des Wärmetauscherprozesses zugeführt. Diese zweite Stufe des Wärmetauscherprozesses wird in einem Geradrohr-Wärmetauscher oder einem gewickelten WärmetauscherE2 realisiert. In dieser zweiten Stufe des Wärmetauschprozesses erfolgt eine vollständige Verflüssigung und Unterkühlung der Einsatzfraktion5' , die anschließend über Leitung6 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 WärmetauscherE2 über Leitung7 zugeführt wird. Nach Durchgang durch die WärmetaucherE2 undE1 wird der überhitzte gasförmige Stickstoff über die Leitungsabschnitte9 und10 abgezogen und rückverflüssigt, einer weiteren Verwendung zugeführt und/oder an die Atmosphäre abgegeben. Ein Teilstrom dieses Stickstoffstromes kann über Leitung11 durch die eingangs erwähnte VorreinigungseinheitA geführt und in dieser als Regeneriermedium, beispielsweise für Adsorber, dienen. - Mittels des im Leitungsabschnitt
9 vorgesehenen Regelventilsd 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 Einsatzfraktion5 geregelt werden. Dieser Kondensationsdruck wird vorzugsweise auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt. Mittels der Regelventileb und/oderd 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.
Claims (6)
- Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, wobei die Abkühlung einer 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 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.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Stufe des Wärmetauschprozesses in einem Plattenwärmetauscher realisiert wird. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass als Geradrohr-Wärmetauscher ein Wärmetauscher vom Typ BKU verwendet wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 1 bis4 , 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. - Verfahren nach einem der vorhergehenden
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass der zu verdampfende flüssige oder zu verdampfende zweiphasig vorliegende Stickstoff aus einem Stickstoff-Kältekreislauf und/oder aus der Überschussproduktion eines Luftzerlegers entnommen wird.
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US5390499A (en) | 1993-10-27 | 1995-02-21 | Liquid Carbonic Corporation | Process to increase natural gas methane content |
US5826444A (en) | 1995-12-28 | 1998-10-27 | Institut Francais Du Petrole | Process and device for liquefying a gaseous mixture such as a natural gas in two steps |
CN101858683A (zh) | 2010-04-30 | 2010-10-13 | 浙江大学 | 一种利用液氮冷能制取液化天然气的系统 |
DE102010044869A1 (de) | 2010-09-09 | 2012-03-15 | Linde Aktiengesellschaft | Erdgasverflüssigung |
-
2011
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Patent Citations (4)
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