DE102012017653A1 - Process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, beschrieben, bei dem – die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (A–B) im indirekten Wärmetausch gegen einen mehrstufigen Vorkühlkreislauf (1–9, 30–37, 40–47) abgekühlt wird (E1B–E4B), – das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes zu wenigstens 95 Vol.-% aus Kohlendioxid besteht, – die abgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (C) im indirekten Wärmetausch gegen einen Gemischkreislauf (10–19) verflüssigt und unterkühlt wird (E7, E8, E10), und – das Kältemittelgemisch des Gemischkreislaufes ausschließlich die Komponente(n) Stickstoff, Methan und/oder Ethan aufweist.A process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, in particular natural gas, is described, in which - the hydrocarbon-rich fraction (AB) to be liquefied in indirect heat exchange against a multi-stage pre-cooling circuit (1-9, 30-37, 40 –47) is cooled down (E1B – E4B), - the refrigerant in the pre-cooling circuit consists of at least 95% by volume of carbon dioxide, - the cooled hydrocarbon-rich fraction (C) is liquefied in indirect heat exchange against a mixture circuit (10–19) and is supercooled (E7, E8, E10), and - the refrigerant mixture of the mixture circuit only contains the component (s) nitrogen, methane and / or ethane.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas.The invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, in particular of natural gas.

Klassische Erdgasverflüssigungsanlagen im Kapazitätsbereich von 1 bis 5 Millionen Jahrestonnen (mtpa) LNG (Liquefied Natural Gas) basieren überwiegend auf einem Verfahren mit einer Propanvorkühlung und einem Gemischkreislauf zur Verflüssigung und Unterkühlung des Erdgases. Ein derartiges Verflüssigungsverfahren ist bspw. im US-Patent 3,763,658 beschrieben.Classical natural gas liquefaction plants in the capacity range of 1 to 5 million mtpa Liquefied natural gas (LNG) is predominantly based on a process with propane precooling and a mixed cycle for the liquefaction and supercooling of the natural gas. Such a liquefaction process is, for example, in U.S. Patent 3,763,658 described.

Es ist zudem bekannt, Kohlendioxid als Kältemittel zur Vorkühlung bei der Erdgasverflüssigung zu verwenden. Die tiefste einfach erreichbare Temperatur wird allerdings durch den Tripelpunkt des Kohlendioxids auf etwa –56°C beschränkt, da Kohlendioxid unterhalb dieser Temperatur in fester Form vorliegt und eine kontinuierliche Verfahrensführung erschwert.It is also known to use carbon dioxide as a refrigerant for pre-cooling in natural gas liquefaction. The lowest achievable temperature, however, is limited by the triple point of carbon dioxide to about -56 ° C, since carbon dioxide is below this temperature in solid form and makes continuous process management difficult.

Das für Landanlagen hervorragend geeignete, vorbeschriebene Verflüssigungsverfahren enthält sowohl in der Reinstoff-Vorkühlung als auch im Gemischkreislauf höhere Kohlenwasserstoffe, insbesondere Propan. Diese höheren Kohlenwasserstoffe bilden bei Leckagen in der Anlage Gaswolken mit einer Dichte größer als Luft. Dadurch kann es unter Umständen zur Bildung von gefährlichen, zündfähigen Luft-Kohlenwasserstoff-Gemischen kommen, die als erhebliches Sicherheitsrisiko eingestuft werden.The above-described liquefaction process, which is extremely suitable for land installations, contains higher hydrocarbons, in particular propane, both in the pure substance precooling and in the mixture circulation. These higher hydrocarbons form gas clouds with a density greater than air in the event of system leaks. This may result in the formation of hazardous, ignitable air-hydrocarbon mixtures, which are classified as a significant safety risk.

Bei schwimmenden Erdgasverflüssigungsanlagen (FLNG) versucht man daher, auf brennbare Kältemittel ganz zu verzichten – bspw. durch die Verwendung von Stickstoff, Kohlendioxid oder HFKWs – oder die Ausbreitung von lokalen Anlagenstörungen durch geeignete Sicherheitsabstände zwischen potentiellen Schadensquellen zu begrenzen. In allen Fällen steigen jedoch der Platzbedarf der Verflüssigungsanlage und damit die Investitionskosten durch die erforderliche Vergrößerung des vergleichsweise teuren Schiffsrumpfes. Dies ist beispielhaft bei sog. N2-Expander-Verfahren auf den vergleichsweise niedrigen thermodynamischen Wirkungsgrad zurückzuführen, der für eine gegebene Verflüssigungsleistung größere Verdichter und Antriebe erfordert.Floating natural gas liquefaction plants (FLNGs) therefore try to completely dispense with flammable refrigerants - for example, by using nitrogen, carbon dioxide or HFCs - or to limit the spread of local plant faults by means of suitable safety margins between potential sources of damage. In all cases, however, increase the space required by the liquefaction plant and thus the investment costs by the required increase in the relatively expensive hull. This is exemplified by the so-called N 2 expander method due to the comparatively low thermodynamic efficiency, which requires larger compressors and drives for a given liquefaction performance.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das aufgrund einer kompakteren Bauweise einen gegenüber den gegenwärtig bei FLNG-Anlagen realisierten Verflüssigungsverfahren geringeren Platzbedarf aufweist. Zudem soll das Verfahren den vorgegebenen Sicherheitsanforderungen genügen.Object of the present invention is to provide a generic method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, which has a smaller compared to the currently implemented in FLNG plants liquefaction due to a more compact design. In addition, the method should meet the specified safety requirements.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, bei dem

  • – die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion im indirekten Wärmetausch gegen einen mehrstufigen Vorkühlkreislauf abgekühlt wird, das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes zu wenigstens 95 Vol.-% aus Kohlendioxid besteht,
  • – die abgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion im indirekten Wärmetausch gegen einen Gemischkreislauf verflüssigt und unterkühlt wird, und das Kältemittelgemisch des Gemischkreislaufes ausschließlich die Komponenten Stickstoff, Methan und/oder Ethan aufweist.
To solve this problem, a method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction is proposed in which
  • - The hydrocarbon-rich fraction to be liquefied is cooled in indirect heat exchange against a multi-stage precooling, the refrigerant of the precooling circuit consists of at least 95 vol .-% of carbon dioxide,
  • - The cooled hydrocarbon-rich fraction is liquefied and subcooled in indirect heat exchange against a mixture cycle, and the refrigerant mixture of the mixture cycle exclusively the components nitrogen, methane and / or ethane.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zeichnet sich dadurch aus, dass ein mehrstufiger Einkomponenten-Vorkühlkreislauf und ein Gemischkreislauf, der der Verflüssigung und Unterkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dient, kombiniert werden, wobei das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes zu wenigstens 95 Vol.-%, vorzugsweise zu wenigstens 99 Vol.-%, aus Kohlendioxid besteht, während das Kältemittelgemisch des Gemischkreislaufes ausschließlich die Komponenten Stickstoff, Methan und/oder Ethan aufweist. Auf die Verwendung von höheren Kohlenwasserstoffen – hierunter seien C3+-Kohlenwasserstoffe zu verstehen – wird vollständig verzichtet. Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise können FLNG-Anlagen – ohne Abstriche bei der Sicherheit in Kauf nehmen zu müssen – kompakter und damit kostengünstiger realisiert werden.The process according to the invention for liquefying a hydrocarbon-rich fraction is characterized in that a multistage one-component pre-cooling circuit and a mixture circuit, which serves the liquefaction and subcooling of the hydrocarbon-rich fraction, are combined, wherein the refrigerant of the precooling circuit to at least 95 vol. -%, preferably at least 99 vol .-%, consists of carbon dioxide, while the refrigerant mixture of the mixture cycle exclusively the components nitrogen, methane and / or ethane. The use of higher hydrocarbons - this is C 3+ hydrocarbons to understand - is completely eliminated. By means of the procedure according to the invention, FLNG installations can be realized more compactly and thus more cost-effectively without having to compromise on safety.

Im Vergleich zu optimierten Verflüssigungsverfahren, die üblicherweise bei Landanlagen zur Anwendung kommen, weist das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion einen höheren Energieverbrauch auf. Der Energiemehrverbrauch beträgt ca. 7%, in ungünstigen Anwendungsfällen maximal 10%.In comparison to optimized liquefaction processes, which are usually used in land installations, the inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction has a higher energy consumption. The energy consumption is about 7%, in unfavorable applications, a maximum of 10%.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sind dadurch gekennzeichnet, dass

  • – das in dem Vorkühlkreislauf zirkulierende Kohlendioxid in zwei getrennten Verdichtergehäusen komprimiert wird, wobei der Ausgangsdruck des Niederdruckgehäuses unterhalb des kritischen Drucks von Kohlendioxid liegt,
  • – der Ausgangsdruck des Hochdruckgehäuses bei einem Enddruck von wenigstens 90 bar, vorzugsweise wenigstens 100 bar betrieben wird,
  • – das in dem Gemischkreislauf zirkulierende Kältemittelgemisch auf einen Druck oberhalb seines kritischen Druckes verdichtet wird,
  • – die Temperatur(en) der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, des Kohlendioxids und/oder des Kältemittelgemisches derart eingestellt werden, dass sich die Antriebsleistungen der Verdichter des Vorkühlkreislaufes und des oder der Verdichter des Gemischkreislaufes um maximal 10%, vorzugsweise um maximal 5% unterscheiden,
  • – sofern die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion vor ihrer Abkühlung und Verflüssigung einer adsorptiven Wasser-Abtrennung unterworfen wird, die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion entspannt, die dabei entstehende gasförmige Fraktion auf den Druck der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion verdichtet und dieser zugeführt wird, wobei die verdichtete gasförmige Fraktion vor ihrer Zuführung der Regenerierung des oder der Trockner der adsorptiven Wasser-Abtrennung dient,
  • – das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes zu wenigstens 99 Vol.-% aus Kohlendioxid besteht, und
  • – aus der vorgekühlten, zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion höhere und ggf. gefriergefährdete Kohlenwasserstoffe, wie bspw. Benzol, abgetrennt werden.
Further advantageous embodiments of the method according to the invention for liquefying a hydrocarbon-rich fraction are characterized in that
  • The carbon dioxide circulating in the precooling circuit is compressed in two separate compressor housings, the outlet pressure of the low-pressure housing being below the critical pressure of carbon dioxide,
  • The outlet pressure of the high-pressure housing is operated at a final pressure of at least 90 bar, preferably at least 100 bar,
  • The refrigerant mixture circulating in the mixture circuit is compressed to a pressure above its critical pressure,
  • - The temperature (s) of the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied, the carbon dioxide and / or the refrigerant mixture such that the driving powers of the compressors of the precooling circuit and of the compressor (s) of the mixture circuit are differentiated by a maximum of 10%, preferably by a maximum of 5%,
  • - If the liquefied hydrocarbon-rich fraction is subjected before being cooled and liquefied adsorptive water separation, the liquefied hydrocarbon-rich fraction relaxed, the resulting gaseous fraction is compressed to the pressure of the liquefied hydrocarbon-rich fraction and this is supplied wherein the compressed gaseous fraction prior to its delivery serves for the regeneration of the adsorptive water separator (s),
  • - The refrigerant of the pre-cooling circuit consists of at least 99 vol .-% of carbon dioxide, and
  • - From the precooled, to be liquefied hydrocarbon-rich fraction higher and possibly gefriergefährdete hydrocarbons, such as, benzene, are separated.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.The inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich fraction and further advantageous embodiments thereof are described below with reference to in the 1 and 2 illustrated embodiments explained in more detail.

Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion A zunächst einer Amin-Wäsche X zugeführt und in dieser von bei der nachfolgenden Verflüssigung störenden Komponenten, insbesondere von Kohlendioxid und Schwefelverbindungen, befreit. Anschließend wird die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion A' im Wärmetauscher E1C, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, abgekühlt und anschließend einer adsorptiven Wasser-Abtrennungseinheit Y zugeführt.When in the 1 In the illustrated embodiment of the process according to the invention, the hydrocarbon-rich fraction A to be liquefied is first fed to an amine scrub X and freed from components which disturb the subsequent liquefaction, in particular from carbon dioxide and sulfur compounds. Subsequently, the hydrocarbon-rich fraction A 'in the heat exchanger E1C, which will be discussed in more detail below, cooled and then fed to an adsorptive water separation unit Y.

Die derart vorbehandelte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion B wird anschließend in den Wärmetauschern E1B bis E4B gegen das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes, auf den im Folgenden näher eingegangen werden wird, abgekühlt. Im Wärmetauscher E7/E8 wird die abgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion C im indirekten Wärmetausch gegen das Kältemittelgemisch des Gemischkreislaufes, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, verflüssigt (Wärmetauscherabschnitt E7) und unterkühlt (Wärmetauscherabschnitt E8). Am kalten Ende des Wärmetauschers E7/E8 wird die verflüssigte und unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion D abgezogen und beispielsweise einem atmosphärischen Lagertank, der in der 1 nicht dargestellt ist, zugeführt. Dazu wird die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion D im Ventil V2 auf den gewünschten Lagerdruck entspannt. Die dabei entstehende gasförmige Fraktion kann gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Druck der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A verdichtet und dieser zugeführt werden, wobei die verdichtete gasförmige Fraktion vor ihrer Zuführung vorzugsweise der Regenerierung des oder der Trockner der adsorptiven Wasser-Abtrenneinheit Y dient.The hydrocarbon-rich fraction B pretreated in this way is subsequently cooled in the heat exchangers E1B to E4B against the refrigerant of the precooling circuit, which will be discussed in more detail below. In the heat exchanger E7 / E8, the cooled hydrocarbon-rich fraction C in indirect heat exchange against the refrigerant mixture of the mixture cycle, which will be discussed in more detail below, liquefied (heat exchanger section E7) and subcooled (heat exchanger section E8). At the cold end of the heat exchanger E7 / E8, the liquefied and supercooled hydrocarbon-rich fraction D is withdrawn and, for example, an atmospheric storage tank, which in the 1 not shown, supplied. For this purpose, the hydrocarbon-rich fraction D in the valve V2 is expanded to the desired bearing pressure. The resulting gaseous fraction can be compressed in accordance with an advantageous embodiment of the method according to the invention to the pressure of the hydrocarbon-rich fraction A to be liquefied and this fed, the compressed gaseous fraction prior to their supply, preferably the regeneration of the dryer or the adsorptive water separation unit Y serves.

Der bereits erwähnte Vorkühlkreislauf, in dem als Kältemittel erfindungsgemäß Kohlendioxid zirkuliert, weist bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform eine Verdichtereinheit auf, die aus zwei getrennten Verdichtergehäusen C1A und C1B besteht. Hierbei werden die dem Niederdruckgehäuse C1A zugeführten Kohlendioxidströme 6, 7 und 8 vorzugsweise lediglich auf einen Druck komprimiert, der unterhalb des kritischen Drucks von Kohlendioxid liegt. Das derart verdichtete Kohlendioxid 9 wird im Nachkühler E5A gegen ein geeignetes Medium abgekühlt und dem Hochdruckgehäuse C1B der Verdichtereinheit zugeführt. In dieser wird das Kohlendioxid auf den gewünschten Enddruck verdichtet. In vorteilhafter Weise beträgt dieser wenigstens 90 bar, vorzugsweise wenigstens 100 bar, und liegt damit deutlich über dem kritischen Druck des Kohlendioxids.The already mentioned pre-cooling circuit in which circulates as a refrigerant according to the invention carbon dioxide, has in the in the 1 illustrated embodiment, a compressor unit, which consists of two separate compressor housings C1A and C1B. Here, the low-pressure housing C1A supplied carbon dioxide streams 6 . 7 and 8th preferably only compressed to a pressure which is below the critical pressure of carbon dioxide. The thus compressed carbon dioxide 9 is cooled in the aftercooler E5A against a suitable medium and fed to the high pressure housing C1B of the compressor unit. In this, the carbon dioxide is compressed to the desired final pressure. This is advantageously at least 90 bar, preferably at least 100 bar, and is thus significantly above the critical pressure of the carbon dioxide.

Das auf den gewünschten Enddruck verdichtete Kohlendioxid 1 wird in den Nachkühlern E5B und E6 gegen ein geeignetes externes Medium bzw. gegen sich selbst abgekühlt, im Ventil V1 auf einen unterkritischen Druck, ähnlich dem Druck des am Ausgang des Niederdruckgehäuses C1A vorliegenden Kohlendioxids 9, entspannt und über Leitung 2 dem Abscheider D1 zugeführt. Der Abscheider D1 dient u. a. als Pufferbehälter, der Inventarschwankungen durch verschiedene Betriebszustände oder auch Kältemittelverluste ausgleicht. Das am Kopf des Abscheiders D1 anfallende gasförmige Kohlendioxid 3 wird dem vorverdichteten Kohlendioxid 9 zugeführt. Das im Abscheider D1 anfallende flüssige Kohlendioxid wird über Leitung 3 abgezogen. Ein Teilstrom des Kohlendioxids wird im Ventil V3 entspannt und dient im Wärmetauscher E1C der Abkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A', bevor dieser Kohlendioxid-Teilstrom über die Leitungsabschnitte 4 und 5 der Verdichtereinheit C1A/C1B auf einem Zwischendruckniveau zugeführt wird.The compressed to the desired final pressure carbon dioxide 1 is cooled in the aftercoolers E5B and E6 against a suitable external medium or against itself, in the valve V1 to a subcritical pressure, similar to the pressure of the carbon dioxide present at the outlet of the low-pressure housing C1A 9 , relaxed and over-headed 2 supplied to the separator D1. The separator D1 is used, inter alia, as a buffer tank, which compensates inventory fluctuations due to different operating conditions or refrigerant losses. The gaseous carbon dioxide produced at the top of the separator D1 3 becomes the pre-compressed carbon dioxide 9 fed. The resulting in the separator D1 liquid carbon dioxide is via line 3 deducted. A partial flow of carbon dioxide is expanded in the valve V3 and is used in the heat exchanger E1C cooling the liquefied hydrocarbon-rich fraction A ', before this partial stream of carbon dioxide over the line sections 4 and 5 the compressor unit C1A / C1B is supplied at an intermediate pressure level.

Der Hauptteil des flüssigen Kohlendioxids 3 wird auf zwei Teilströme 30 und 40 aufgeteilt. Während der erste Teilstrom 30 der Abkühlung des Kältemittelgemisches 11 des Gemischkreislaufes dient, dient der zweite Teilstrom 30 der Abkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion B. Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen diese Abkühlungen in jeweils vier Wärmetauschern E1A–E4A bzw. E1B–E4B.The bulk of the liquid carbon dioxide 3 is based on two partial flows 30 and 40 divided up. During the first partial flow 30 the cooling of the refrigerant mixture 11 the mixture circuit is used, serves the second partial flow 30 the cooling of the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied B. In the in the 1 illustrated embodiment of the method according to the invention, these cooling takes place in four heat exchangers E1A-E4A and E1B-E4B.

Dazu werden die beiden Teilströme über die Leitungsabschnitte 30 und 40, 32 und 42, 34 und 44 sowie 36 und 46, in denen jeweils ein Entspannungsventil a–h angeordnet ist, in den jeweiligen Wärmetauscher E1A–E4A bzw. E1B–E4B entspannt. Das dabei anfallende gasförmige Kohlendioxid wird über die Leitungsabschnitte 31 und 41, 33 und 43, 35 und 45 sowie 37 und 47 aus dem vorgenannten Wärmetauschern abgezogen und über die Leitungsabschnitte 5–8 erneut der Verdichtereinheit C1A/C1B auf geeigneten Druckniveaus zugeführt. For this purpose, the two partial flows over the line sections 30 and 40 . 32 and 42 . 34 and 44 such as 36 and 46 , in each of which an expansion valve a-h is arranged, expanded in the respective heat exchanger E1A-E4A or E1B-E4B. The resulting gaseous carbon dioxide is over the line sections 31 and 41 . 33 and 43 . 35 and 45 such as 37 and 47 withdrawn from the aforementioned heat exchangers and the line sections 5 - 8th again supplied to the compressor unit C1A / C1B at appropriate pressure levels.

Das mittels des Verdichters bzw. der Verdichtereinheit C2 auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtete Kältemittelgemisch des Gemischkreislaufes 10 wird im Nachkühler E9 gegen ein geeignetes externes Medium abgekühlt und anschließend über Leitung 11 durch die Wärmetauscher E1A bis E4A geführt und gegen das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes abgekühlt. Das am Ausgang des Wärmetauschers E4A zweiphasig vorliegende Kältemittelgemisch 12 wird im Abscheider D2 in eine flüssige Fraktion 13 und eine gasförmige Fraktion 16 aufgetrennt. Die flüssige Fraktion 13 wird im Wärmetauscherabschnitt E7 des Wärmetauschers E7/E8 weiter abgekühlt, im Entspannungsventil V4 kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung 14 erneut dem Wärmetauscherabschnitt E7 zugeführt. In diesem wird das Kältemittelgemisch gegen die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion C vollständig verdampft und anschließend über Leitung 15 dem bereits erwähnten Verdichter C2 zugeführt.The compressed by the compressor or the compressor unit C2 to the desired circuit pressure refrigerant mixture of the mixture cycle 10 is cooled in the aftercooler E9 against a suitable external medium and then via line 11 passed through the heat exchanger E1A to E4A and cooled against the refrigerant of the precooling circuit. The two-phase refrigerant mixture present at the outlet of the heat exchanger E4A 12 is in the separator D2 in a liquid fraction 13 and a gaseous fraction 16 separated. The liquid fraction 13 is further cooled in the heat exchanger section E7 of the heat exchanger E7 / E8, cooled in the expansion valve V4 and then discharged via line 14 again fed to the heat exchanger section E7. In this, the refrigerant mixture is completely evaporated against the hydrocarbon-rich fraction C to be liquefied and then via line 15 fed to the already mentioned compressor C2.

Die im Abscheider D2 anfallende gasförmige Fraktion des Kältemittelgemisches 16 wird in den Wärmetauscherabschnitten E7 und E8 abgekühlt, vollständig verflüssigt und unterkühlt, anschließend im Ventil V5 kälteleistend entspannt und über Leitung 17 erneut dem Wärmetauscher E7/E8 an dessen kalten Ende zugeführt. In diesem wird das Kältemittelgemisch gegen die zu verflüssigende und zu unterkühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion C vollständig verdampft und anschließend ebenfalls über Leitung 15 dem Verdichter C2 zugeführt.The resulting in the separator D2 gaseous fraction of the refrigerant mixture 16 is cooled in the heat exchanger sections E7 and E8, completely liquefied and undercooled, then cooled in the valve V5 and discharged via line 17 again fed to the heat exchanger E7 / E8 at the cold end. In this, the refrigerant mixture against the liquefied and to be cooled hydrocarbon-rich fraction C is completely evaporated and then also fed via line 15 to the compressor C2.

Das Inventar flüssiger Kohlenwasserstoffe im Gemischkreislauf beschränkt sich im Wesentlichen auf den Abscheider D2, die Leitungen 13, 14 und 17 zwischen dem Abscheider D2 und dem Wärmetauscherabschnitt E7 sowie den in den Wärmetauscherabschnitten E7 und E8 befindlichen Flüssigkeiten. Durch die erhebliche Reduzierung des Inventars flüssiger Kohlenwasserstoffe im Gemischkreislauf und den Verzicht auf als besonders gefährlich eingestufte höhere bzw. C3+-Kohlenwasserstoffe kann die Verflüssigungsanlage ohne Abstriche bei der Sicherheit kompakter und somit kostengünstiger realisiert werden.The inventory of liquid hydrocarbons in the mixture cycle is essentially limited to the separator D2, the pipes 13 . 14 and 17 between the separator D2 and the heat exchanger section E7 and the liquids located in the heat exchanger sections E7 and E8. Due to the significant reduction of the inventory of liquid hydrocarbons in the mixture cycle and the absence of classified as particularly dangerous higher or C 3+ hydrocarbons, the liquefaction plant can be realized without sacrificing safety more compact and thus more cost-effective.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Temperatur(en) der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, des Kohlendioxids und/oder des Kältemittelgemisches derart eingestellt werden, dass sich die Antriebsleistungen der Verdichter des Vorkühlkreislaufes und des oder der Verdichter des Gemischkreislaufes um maximal 10%, vorzugsweise um maximal 5% unterscheiden. Mittels dieser vorteilhaften Verfahrensweise wird erreicht, dass die für den Betrieb der Verdichter bzw. Verdichtereinheiten C1A/C1B und C2 erforderlichen Antriebe GT identisch sein können.The inventive method for further liquefying a hydrocarbon-rich fraction is proposed that the temperature (s) of the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied, the carbon dioxide and / or the refrigerant mixture are adjusted such that the drive power of the compressors of the pre-cooling circuit and the or the compressor of the mixture cycle by a maximum of 10%, preferably differ by a maximum of 5%. By means of this advantageous procedure it is achieved that the drives GT required for the operation of the compressors or compressor units C1A / C1B and C2 can be identical.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion wird das in dem Gemischkreislauf zirkulierende Kältemittelgemisch auf einen Druck oberhalb seines kritischen Druckes verdichtet. Somit können unerwünschte Verteilungsprobleme der Phasen Gas und Flüssigkeit vermieden werden, die insbesondere bei einer schwimmenden Anlage (FLNG) aufgrund des Seeganges auftreten können.According to a further advantageous embodiment of the method according to the invention for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, the refrigerant mixture circulating in the mixture cycle is compressed to a pressure above its critical pressure. Thus, unwanted distribution problems of the phases of gas and liquid can be avoided, which can occur in particular in a floating system (FLNG) due to the sea state.

Aufgrund der vorbeschriebenen, vorteilhaften Verfahrensweise erübrigt sich der in der 1 dargestellte Abscheider D2, da das Kältemittelgemisch am Ausgang des Wärmetauschers E4A nicht zweiphasig, sondern einphasig vorliegt.Due to the above-described, advantageous procedure is unnecessary in the 1 shown separator D2, since the refrigerant mixture is present at the output of the heat exchanger E4A not two-phase, but single-phase.

In der 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, bei der das in dem Gemischkreislauf zirkulierende Kältemittelgemisch 10/11' mittels des Verdichters C2 auf einen Druck oberhalb seines kritischen Druckes verdichtet wird. In der 2 nicht dargestellt sind die Abkühlung des Kältemittelgemisches des Gemischkreislaufes und die Vorbehandlung und Abkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion. Diese Verfahrensschritte verlaufen identisch zu den anhand der 1 erläuterten.In the 2 an embodiment of the method according to the invention is shown in which the circulating in the mixture cycle refrigerant mixture 10 / 11 ' is compressed by the compressor C2 to a pressure above its critical pressure. In the 2 not shown are the cooling of the refrigerant mixture of the mixture cycle and the pretreatment and cooling of the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied. These process steps are identical to those based on the 1 explained.

Das gegen das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes abgekühlte Kältemittelgemisch 12' kann nunmehr direkt dem Wärmetauscher E10 zugeführt und in diesem gegen sich selbst abgekühlt werden. Der Wärmetauscher E10 ersetzt hierbei den in der 1 dargestellten Wärmetauscher E7/E8. Das abgekühlte Kältemittelgemisch wird im Entspannungsventil V6 kälteleistend entspannt und über Leitung 18 erneut dem Wärmetauscher E10 an dessen kalten Ende zugeführt. In diesem wird das Kältemittelgemisch gegen die zu verflüssigende und zu unterkühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion C vollständig verdampft und anschließend über Leitung 19 dem bereits erwähnten Verdichter C2 zugeführt. Am kalten Ende des Wärmetauschers E10 wird die verflüssigte und unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion D abgezogen.The cooled against the refrigerant of the precooling circuit refrigerant mixture 12 ' can now be fed directly to the heat exchanger E10 and cooled in this against itself. The heat exchanger E10 replaces the in the 1 illustrated heat exchanger E7 / E8. The cooled refrigerant mixture is depressurized in the expansion valve V6 and discharged via line 18 again fed to the heat exchanger E10 at the cold end. In this, the refrigerant mixture is completely evaporated against the liquefied and to be cooled hydrocarbon-rich fraction C and then via line 19 fed to the already mentioned compressor C2. At the cold end of the heat exchanger E10 is the liquefied and supercooled hydrocarbon-rich fraction D withdrawn.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 3763658 [0002] US 3763658 [0002]

Claims (8)

Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, wobei – die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (A–B) im indirekten Wärmetausch gegen einen mehrstufigen Vorkühlkreislauf (1–9, 30–37, 40–47) abgekühlt wird (E1B–E4B), – das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes zu wenigstens 95 Vol.-% aus Kohlendioxid besteht, – die abgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (C) im indirekten Wärmetausch gegen einen Gemischkreislauf (10–19) verflüssigt und unterkühlt wird (E7, E8, E10), und – das Kältemittelgemisch des Gemischkreislaufes ausschließlich die Komponenten Stickstoff, Methan und/oder Ethan aufweist.Process for liquefying a hydrocarbon-rich fraction, in particular natural gas, wherein - the hydrocarbon-rich fraction (A-B) to be liquefied is subjected to indirect heat exchange against a multistage precooling cycle ( 1 - 9 . 30 - 37 . 40 - 47 ) is cooled (E1B-E4B), - the refrigerant of the pre-cooling circuit consists of at least 95 vol .-% of carbon dioxide, - the cooled hydrocarbon-rich fraction (C) in the indirect heat exchange against a mixture cycle ( 10 - 19 ) is liquefied and supercooled (E7, E8, E10), and - the mixture of refrigerants of the mixture cycle exclusively the components nitrogen, methane and / or ethane. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Vorkühlkreislauf (1–9, 30–37, 40–47) zirkulierende Kohlendioxid in zwei getrennten Verdichtergehäusen (C1A, C1B) komprimiert wird, wobei der Ausgangsdruck des Niederdruckgehäuses (C1A) unterhalb des kritischen Drucks von Kohlendioxid liegt.Method according to claim 1, characterized in that in the pre-cooling circuit ( 1 - 9 . 30 - 37 . 40 - 47 ) circulating carbon dioxide in two separate compressor housings (C1A, C1B) is compressed, wherein the output pressure of the low-pressure housing (C1A) is below the critical pressure of carbon dioxide. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsdruck des Hochdruckgehäuses (C1B) bei einem Enddruck von wenigstens 90 bar, vorzugsweise wenigstens 100 bar betrieben wird.A method according to claim 2, characterized in that the outlet pressure of the high-pressure housing (C1B) is operated at a final pressure of at least 90 bar, preferably at least 100 bar. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Gemischkreislauf (10–19) zirkulierende Kältemittelgemisch auf einen Druck oberhalb seines kritischen Druckes verdichtet wird (C2).Method according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that in the mixture cycle ( 10 - 19 ) is compressed to a pressure above its critical pressure (C2). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur(en) der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, des Kohlendioxids und/oder des Kältemittelgemisches derart eingestellt werden, dass sich die Antriebsleistungen der Verdichter (C1A, C1B) des Vorkühlkreislaufes (1–9, 30–37, 40–47) und des oder der Verdichter (C2) des Gemischkreislaufes um maximal 10%, vorzugsweise um maximal 5% unterscheiden.Method according to one of the preceding claims 1 to 4, characterized in that the temperature (s) of the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied, the carbon dioxide and / or the refrigerant mixture are adjusted such that the driving power of the compressor (C1A, C1B) of the Pre-cooling circuit ( 1 - 9 . 30 - 37 . 40 - 47 ) and the compressor or compressors (C2) of the mixture cycle by a maximum of 10%, preferably differ by a maximum of 5%. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion vor ihrer Abkühlung und Verflüssigung einer adsorptiven Wasser-Abtrennung unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (D, D') entspannt (V2), die dabei entstehende gasförmige Fraktion auf den Druck der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (A, A') verdichtet und dieser zugeführt wird, wobei die verdichtete gasförmige Fraktion vor ihrer Zuführung der Regenerierung des oder der Trockner der adsorptiven Wasser-Abtrennung (Y) dient.Method according to one of the preceding claims 1 to 5, wherein before being cooled and liquefied, the hydrocarbon-rich fraction to be liquefied is subjected to adsorptive water separation, characterized in that the liquefied hydrocarbon-rich fraction (D, D ') is expanded (V2 ), the resulting gaseous fraction on the pressure of the liquefied hydrocarbon-rich fraction (A, A ') is compressed and fed to it, wherein the compressed gaseous fraction before supplying the regeneration of the adsorptive water separator or the dryer (Y ) serves. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel des Vorkühlkreislaufes zu wenigstens 99 Vol.-% aus Kohlendioxid besteht.Method according to one of the preceding claims 1 to 6, characterized in that the refrigerant of the pre-cooling circuit consists of at least 99 vol .-% of carbon dioxide. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass aus der vorgekühlten, zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (C) höhere und ggf. gefriergefährdete Kohlenwasserstoffe, wie bspw. Benzol, abgetrennt werden.Method according to one of the preceding claims 1 to 7, characterized in that from the precooled, to be liquefied hydrocarbon-rich fraction (C) higher and optionally gefriergefährdete hydrocarbons, such as, for example, benzene, are separated.
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