DE102012008961A1 - Verfahren zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion, insbesondere von Boil-off-Gas, beschrieben. Hierbei a) wird die Methan-reiche Fraktion (1) auf einen Druck, der wenigstens 20% über dem kritischen Druck der zu verdichtenden Fraktion liegt, verdichtet (C1), b) verflüssigt und unterkühlt (E2), c) auf einen Druck zwischen 5 und 20 bar entspannt (V1), d) in eine gasförmige Stickstoff-reiche (4) und eine flüssige Stickstoff-abgereicherte Fraktion (7) aufgetrennt und e) die Stickstoff-abgereicherte Fraktion (7) auf einen Druck zwischen 1,1 und 2,0 bar entspannt (V2), f) wobei die dabei anfallende gasförmige Fraktion (8) ohne angewärmt und verdichtet zu werden der Methan-reichen Fraktion (1) zugemischt wird, und g) die bei der Entspannung der Stickstoff-armen Fraktion anfallende flüssige Produktfraktion (9) einen Stickstoff-Gehalt von ≤ 1,5 Mol-% aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion, insbesondere von Boil-off-Gas.
  • Unter dem Begriff „Boil-off-Gas” seien nachfolgend sowohl Boil-off-Gase als auch Gasgemische, die eine ähnliche Zusammensetzung aufweisen, zu verstehen; lediglich beispielhaft genannt seien Verdrängungsgase, die bspw. bei der LNG-Verladung in Transporttanks auf Schiffen oder Lkw entstehen.
  • Methan-reiche Gase bzw. Boil-off-Gase erfordern bei ihrer Verflüssigung ab einem gewissen Stickstoffanteil geeignete Maßnahmen zur Ausschleusung einer Stickstoffreichen Fraktion, um den Stickstoffgehalt im verflüssigten Erdgas (LNG) auf üblicherweise 1 Mol-% zu begrenzen.
  • Das US-Patent 5,036,671 zeigt eine Methode zur Ausschleusung einer Stickstoffreichen Fraktion, bei der am kalten Ende des Verflüssigungsprozesses über einen oder mehrere Abscheider Gasströme, die einen gegenüber dem Rohgas deutlich erhöhten Gehalt an Stickstoff aufweisen, abzuziehen. Diese Gasströme werden in der Regel verdichtet, ggf. teilweise zum Rohgas zurückgeführt und üblicherweise als Brenngas verwendet. Bei dem im US-Patent 5,036,671 beschriebenen Verflüssigungsprozess wird das aus dem dem Verflüssigungsprozess nachgeschalteten LNG-Tank abströmende Boil-off-Gas angewärmt und in etwa bei Umgebungstemperatur verdichtet.
  • Da der Betriebsdruck in derartigen LNG-Tanks im Regelfall nur geringfügig, typischerweise 50 mbar, über dem Umgebungsdruck liegt, besteht bei der warmansaugenden Verdichtung des Boil-off-Gases eine erhöhte Wahrscheinlichkeit, Unterdruck im Verdichter zu erzeugen. Dies kann zu einem Luft- und damit Sauerstoffeintritt führen und somit ein Sicherheitsrisiko darstellen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion vorzuschlagen, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion vorzuschlagen, bei dem
    • a) die Methan-reiche Fraktion auf einen Druck, der wenigstens 20% über dem kritischen Druck der zu verdichtenden Fraktion liegt, verdichtet,
    • b) verflüssigt und unterkühlt,
    • c) auf einen Druck zwischen 5 und 20 bar entspannt,
    • d) in eine gasförmige Stickstoff-reiche und eine flüssige Stickstoff-abgereicherte Fraktion aufgetrennt wird und
    • e) die Stickstoff-abgereicherte Fraktion auf einen Druck zwischen 1,1 und 2,0 bar entspannt wird,
    • f) wobei die dabei anfallende gasförmige Fraktion ohne angewärmt und verdichtet zu werden der Methan-reichen Fraktion zugemischt wird, und
    • g) die bei der Entspannung der Stickstoff-armen Fraktion anfallende flüssige Produktfraktion einen Stickstoff-Gehalt von ≤ 1,5 Mol-% aufweist.
  • Sofern die Verflüssigung und Unterkühlung der Methan-reichen Fraktion gegen wenigstens einen Kältemittel-Kreislauf und/oder wenigstens einen Kältemittelgemisch-Kreislauf erfolgen und diese(r) wenigstens einen Kreislauf-Verdichter aufweist, werden der Druck, auf den die Methan-reiche Fraktion verdichtet wird, der Druck, auf den die verflüssigte und unterkühlte Methan-reiche Fraktion entspannt wird, und die Temperatur, auf die die Methan-reiche Fraktion gekühlt wird, erfindungsgemäß derart gewählt oder variiert, dass
    • – die Antriebsleistung des für die Verdichtung der Methan-reichen Fraktion verwendeten Verdichters und die Antriebsleistung des oder der Kreislauf-Verdichter relativ zueinander verschoben werden, ohne dass sich die Gesamtleistung um mehr als ±5% verändert oder
    • – die Antriebsleistung des für die Verdichtung der Methan-reichen Fraktion verwendeten Verdichters und die Antriebsleistung des oder der Kreislauf-Verdichter derart relativ zueinander verschoben werden, dass eine Verteilung der Gesamtleistung zwischen 30/70 und 70/30 erreicht wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Methan-reiche Fraktion auf einen Druck, der wenigstens 30% über dem kritischen Druck der zu verdichtenden Fraktion liegt, verdichtet wird,
    • – die verflüssigte und unterkühlte Methan-reiche Fraktion auf einen Druck zwischen 7 und 15 bar entspannt wird, und/oder
    • – die Stickstoff-abgereicherte Fraktion auf einen Druck zwischen 1,2 und 1,8 bar entspannt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die rückzuverflüssigende Methan-reiche Fraktion 1 wird in der ein- oder mehrstufig ausgelegten Verdichtereinheit C1 auf einen Druck, der wenigstens 20%, vorzugsweise wenigstens 30% über dem kritischen Druck der rückzuverflüssigenden Methan-reichen Fraktion 1 liegt, verdichtet. Dadurch werden Zweiphasenströmungen der rückzuverflüssigenden Methan-reichen Fraktion 1 in dem oder den Wärmetauschern der nachfolgenden Verflüssigungsstufe vermieden.
  • Erfindungsgemäß wird die rückzuverflüssigende Methan-reiche Fraktion 1 vor ihrer Verdichtung C1 nicht angewärmt. Aufgrund der Verdichtung C1 wird die rückzuverflüssigende Methan-reiche Fraktion auf eine Temperatur höher als die der Umgebung erhitzt, weswegen sie im Wärmetauscher E1 gegen Kühlwasser oder Luft in etwa auf Umgebungstemperatur gekühlt wird.
  • Die verdichtete Methan-reiche Fraktion 2 wird im Wärmetauscher E2 auf eine Temperatur zwischen –100 und –140°C, vorzugsweise zwischen –110 und –130°C abgekühlt und dabei verflüssigt und unterkühlt.
  • Die Abkühlung der verdichteten Methan-reichen Fraktion kann grundsätzlich gegen jeden beliebigen Kältemittelkreislauf oder Kältemittelgemischkreislauf sowie Kombinationen der vorgenannten erfolgen. Der in der 1 dargestellte Kältemittelgemischkreislauf zeigt lediglich eine der vielen möglichen Varianten. Der in der 1 dargestellte Wärmetauscher E2 kann in der Realität aus mehreren separaten Wärmetauschern und/oder Wärmetauscherabschnitten gebildet sein. Er wird vorzugsweise als gewickelter Wärmetauscher mit zwei Bündeln oder als gelöteter Plattentauscher ausgeführt.
  • Nach erfolgter Verflüssigung und Unterkühlung wird die aus dem Wärmetauscher E2 abgezogene Methan-reiche Fraktion 3 im Ventil V1 auf einen Druck zwischen 5 und 20 bar, vorzugsweise zwischen 7 und 15 bar entspannt. Die dabei anfallende gasförmige, Stickstoff-reiche Fraktion 4 wird am Kopf des dem Ventil V1 nachgeschalteten Abscheiders D1 abgezogen, im Wärmetauscher E2 gegen die abzukühlende Methanreiche Fraktion 2 angewärmt – wobei diese Anwärmung optional ist. Anschließend wird die angewärmte Stickstoff-reiche Fraktion 5, sofern gewünscht, ein- oder mehrstufig verdichtet C2 und über Leitung 6 ihrer weiteren Verwendung, beispielsweise als Brenngas, zugeführt. Dieses Stickstoff-reiche Gas 5 weist vorzugsweise einen Druck zwischen 5 und 20 bar, insbesondere zwischen 7 und 15 bar auf. Somit ist es beispielsweise direkt zur Befeuerung von Dampfkesseln geeignet. Bei einer Verwendung als Brenngas in Gasturbinen ist der Verdichtungsaufwand im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem von einem niedrigeren Tankdruck ausgegangen wird, deutlich reduziert.
  • Die nach der Entspannung im Abscheider D1 anfallende flüssige Stickstoff-abgereicherte Fraktion 7 wird im Ventil V2 auf einen Druck zwischen 1,1 und 2,0 bar, vorzugsweise zwischen 1,2 und 1,8 bar, entspannt. Die bei dieser Entspannung anfallende gasförmige Fraktion wird über Leitung 8 aus dem Kopf des Abscheiders D2 abgezogen und ohne Anwärmung der zu verdichtenden Methan-reichen Fraktion 1 zugemischt. Die im Sumpf des Abscheiders D2 anfallende Flüssigfraktion stellt das verflüssigte Erdgas-Produkt (LNG) dar; dieses weist einen Stickstoff-Gehalt von ≤ 1,5 Mol-% auf.
  • Aufgrund der Kaltansaugung der in der Verdichterstufe C1 zu verdichtenden Fraktionen bzw. Gasgemische 1 und 8 kann das eingangs erwähnte Sicherheitsrisiko, das bei einer warmansaugenden Verdichtung von Boil-off-Gasen besteht, wirkungsvoll verhindert werden. Ein unerwünschter und gefährlicher Luft- und damit Sauerstoffeintritt in den Verdichter C1 ist somit ausgeschlossen.
  • Aufgrund der Rückführung der nach der zweiten Entspannung V2 anfallenden gasförmigen Fraktion 8 in die zu verdichtende Methan-reiche Fraktion 1 können die LNG-Produktmenge kostengünstig gesteigert und der Gesamtenergieverbrauch verringert werden.
  • Eine in der 1 nicht dargestellte Verfahrensalternative besteht darin, den Abscheider D1 durch einen Stripper zu ersetzen. In diesem wird die im Ventil V1 entspannte Methan-reiche Fraktion 3 über geeignete Einbauten, wie Packung und/oder Böden, von unten durch eine Teilmenge der abzukühlenden Methan-reichen Fraktion 2 in Bezug auf Stickstoff gestrippt. Als benötigtes Stripgas wird ein Teilstrom der abzukühlenden Methan-reichen Fraktion 2 entweder zwischen den Wärmetauschern E1 und E2 oder, bei einer Ausführung als gewickelter Wärmetauscher mit zwei Bündeln, zwischen den Bündeln angezogen.
  • Wie bereits erwähnt, erfolgen Abkühlung und Verflüssigung der Methan-reichen Fraktion 2 im Wärmetauscher E2 gegen einen lediglich beispielhaft dargestellten Kältemittelgemischkreislauf Dessen Kältemittelgemisch wird nach Anwärmung und Verdampfung im Wärmetauscher E2 gegen die abzukühlende Methan-reiche Fraktion 2 über Leitung 10 einem einer zweistufigen Verdichtereinheit C3 vorgeschalteten Abscheider D3 zugeführt. Dieser dient der Sicherheit der Verdichtereinheit C3, da in ihm im Kältemittelgemisch mitgeführte Flüssigkeitsteilchen abgeschieden werden.
  • Das zu verdichtende Kältemittelgemisch wird aus dem Kopf des Abscheiders D3 über Leitung 11 der Verdichtereinheit C3 zugeführt und in deren ersten Stufe auf einen Zwischendruck verdichtet. Nach Abkühlung im Zwischenkühler E3 wird das auf den Zwischendruck verdichtete Kältemittelgemisch über Leitung 12 einem zweiten Abscheider D4 zugeführt. Die aus dessen Kopf abgezogene tiefersiedende Kältemittelgemischfraktion wird über Leitung 13 der zweiten Verdichterstufe der Verdichtereinheit C3 zugeführt und in dieser auf den gewünschten Enddruck verdichtet. Anschließend wird diese Kältemittelgemischfraktion im Nachkühler E4 abgekühlt und über Leitung 15 einem dritten Abscheider D5 zugeführt.
  • Die in diesem Abscheider D5 anfallende Flüssigfraktion wird über Leitung 16 und Ventil V3 vor den zweiten Abscheider D4 zurückgeführt. Die aus dem Kopf des dritten Abscheiders D5 über Leitung 17 abgezogene, tiefersiedende Kältemittelgemischfraktion wird nach Vermischung mit der aus dem Sumpf des zweiten Abscheiders D4 abgezogenen flüssigen höhersiedenden Kältemittelgemischfraktion 14 über Leitung 18 durch den Wärmetauscher E2 geführt. Um die Druckunterschiede in den Leitungen 14 und 17 „überbrücken” zu können, ist in der Leitung 14 eine Pumpe P vorzusehen.
  • Das im Wärmetauscher E2 gegen sich selbst abgekühlte, verflüssigte und unterkühlte Kältemittelgemisch 18 wird nach Abzug aus dem Wärmetauscher E2 im Ventil V4 kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung 19 im Gegenstrom zu der zu verflüssigenden Methan-reichen Fraktion 2 erneut durch den Wärmetauscher E2 geführt.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion können nunmehr durch eine geeignete Wahl der Drücke nach der Verdichtereinheit C1 und dem Ventil V1 sowie der Temperatur der abgekühlten Methan-reichen Fraktion 3 vor der Entspannung im Ventil V1 die Leistungen des Einsatzgasverdichters C1 und des Kältekreislaufverdichters C3 relativ zueinander verschoben werden, ohne dass die Gesamtleistung spürbar – hierunter sei eine Erhöhung bzw. Erniedrigung von ±5% zu verstehen – verändert wird.
  • In vorteilhafter Weise ist es möglich, die benötigten Leistungen der Antriebe A und B der Verdichter(einheiten) C1 und C3 soweit anzupassen, dass Antriebe (Gasturbinen, Dampfturbinen und/oder Elektromotoren) gleicher Leistung verwendet werden können. Diese Vereinheitlichung ist wirtschaftlich von großem Vorteil. Eine derartige Umverteilung der Antriebsleistungen des Einsatzgasverdichters C1 und des Kältekreislaufverdichters C3 ist aus dem Stand der Technik weder bekannt noch wird sie durch ihn nahegelegt.
  • Die am Kopf des Abscheiders D1 abgezogene Gasmenge kann durch Variation des Drucks im Abscheider D1 konstant gehalten werden. Somit ergibt sich eine variable Rückführmenge der gasförmigen Fraktion 8 aus dem Abscheider D2 auf die Saugseite des Einsatzgasverdichters C1.
  • Wie erwähnt führt eine bevorzugte Umverteilung zwischen den Verdichter(einheiten) C1 und C3 zu gleichen Antriebsleistungen. Statt dieser 50/50-Lösung kann auch jede andere Verteilung zwischen 30/70 und 70/30 erreicht werden. Die jeweils bevorzugte Lösung hängt beispielsweise von den Leistungstufen gängiger Antriebe (Gasturbinen) ab.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5036671 [0004, 0004]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Rückverflüssigen einer Methan-reichen Fraktion, insbesondere von Boil-off-Gas, wobei a) die Methan-reiche Fraktion (1) auf einen Druck, der wenigstens 20% über dem kritischen Druck der zu verdichtenden Fraktion liegt, verdichtet (C1), b) verflüssigt und unterkühlt (E2), c) auf einen Druck zwischen 5 und 20 bar entspannt (V1), d) in eine gasförmige Stickstoff-reiche (4) und eine flüssige Stickstoff-abgereicherte Fraktion (7) aufgetrennt wird und e) die Stickstoff-abgereicherte Fraktion (7) auf einen Druck zwischen 1,1 und 2,0 bar entspannt (V2) wird, f) wobei die dabei anfallende gasförmige Fraktion (8) ohne angewärmt und verdichtet zu werden der Methan-reichen Fraktion (1) zugemischt wird, und g) die bei der Entspannung der Stickstoff-armen Fraktion anfallende flüssige Produktfraktion (9) einen Stickstoff-Gehalt von ≤ 1,5 Mol-% aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Verflüssigung und Unterkühlung (E2) der Methan-reichen Fraktion (1) gegen wenigstens einen Kältemittel-Kreislauf und/oder wenigstens einen Kältemittelgemisch-Kreislauf erfolgen und wobei dieser) wenigstens einen Kreislauf-Verdichter (C3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck, auf den die Methan-reiche Fraktion (1) verdichtet wird (C1), der Druck, auf den die verflüssigte und unterkühlte Methan-reiche Fraktion (3) entspannt wird (V1), und die Temperatur, auf die die Methan-reiche Fraktion (2) gekühlt wird, derart gewählt oder variiert werden, dass – die Antriebsleistung des für die Verdichtung der Methan-reichen Fraktion (1) verwendeten Verdichters (C1) und die Antriebsleistung des oder der Kreislauf-Verdichter (C3) relativ zueinander verschoben werden, ohne dass sich die Gesamtleistung um mehr als ±5% verändert, oder – die Antriebsleistung des für die Verdichtung der Methan-reichen Fraktion (1) verwendeten Verdichters (C1) und die Antriebsleistung des oder der Kreislauf-Verdichter (C3) derart relativ zueinander verschoben werden, dass eine Verteilung der Gesamtleistung zwischen 30/70 und 70/30 erreicht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Methanreiche Fraktion (1) auf einen Druck, der wenigstens 30% über dem kritischen Druck der zu verdichtenden Fraktion liegt, verdichtet wird (C1).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verflüssigte und unterkühlte Methan-reiche Fraktion (3) auf einen Druck zwischen 7 und 15 bar entspannt wird (V1).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff-abgereicherte Fraktion (6) auf einen Druck zwischen 1,2 und 1,8 bar entspannt wird (V2).
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