DE102013001970A1 - Verflüssigung einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, gegen wenigstens einen Kältekreislauf beschrieben, wobei innerhalb des Kältekreislaufes ein Kältemittel, das bei Umgebungstemperatur im überkritischen Zustand vorliegt, zirkuliert, und wobei in Abhängigkeit des Lastzustandes des Kältekreislaufes die Kältemittelmenge variiert wird, indem dem Kältekreislauf Kältemittel entnommen oder zugeführt wird. Erfindungsgemäß a) erfolgt die Entnahme des Kältemittels an einer Stelle des Kältekreislaufes, an der das Kältemittel eine Temperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur aufweist, b) wird das entnommene Kältemittel (20) auf einen Druck unterhalb seines kritischen Drucks entspannt (V2), c) das dabei gebildete flüssige Kältemittel gespeichert (D) und d) bei Bedarf erneut dem Kältekreislauf zugeführt (21).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, gegen wenigstens einen Kältekreislauf, wobei innerhalb des Kältekreislaufes ein Kältemittel, das bei Umgebungstemperatur im überkritischen Zustand vorliegt, zirkuliert, und wobei in Abhängigkeit des Lastzustandes des Kältekreislaufes die Kältemittelmenge variiert wird, indem dem Kältekreislauf Kältemittel entnommen oder zugeführt wird.
  • Unter dem Begriff „Umgebungstemperatur” sei die durchschnittliche Umgebungstemperatur einer Anlage, in der das erfindungsgemäße Verfahren realisiert wird, zu verstehen.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, ist beispielsweise im US-Patent 6,530,240 beschrieben. Bei der Verflüssigung Kohlenwasserstoff- bzw. Methan-reicher Gase, wie beispielsweise Erdgas oder bei der Lagerung von verflüssigtem Erdgas (LNG) anfallendem Boil-off-Gas, kommt es zu starken Schwankungen des Lastzustandes des für die Abkühlung und (Rück)Verflüssigung erforderlichen Kältekreislaufes. So können bei der Inbetriebnahme, bei diskontinuierlichen Verladevorgängen oder im Falle einer variierenden Nachfrage nach dem verflüssigten Erdgasprodukt verschiedene Verflüssigungsleistungen erforderlich sein. Aus diesem Grund kann vorteilhafterweise in Abhängigkeit des Lastzustandes des Kältekreislaufes die in ihm zirkulierende Kältemittelmenge variiert werden. Daher wird in Abhängigkeit des jeweiligen Lastzustandes eine Teilmenge des Kältemittels aus dem Kältekreislauf abgezogen und in einem Pufferbehälter zwischengespeichert.
  • Im vorgenannten US-Patent wird ein Verflüssigungsverfahren beschrieben, bei dem ein Kältemittelgemisch verwendet wird, das auch bei Umgebungstemperatur unter Druck zumindest teilweise verflüssigbar ist und somit bei hoher Dichte kostengünstig gelagert werden kann. Kommt als Kältemittel jedoch ein Reinstoff oder ein Gemisch, dessen kritische Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur liegt, zur Anwendung, so ist eine, wie in dem vorgenannten US-Patent beschriebene Verfahrensweise nicht mehr realisierbar.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das auch für bei Umgebungstemperatur überkritische Kältemittel eine verlustfreie Variation der im Kältekreislauf verwendeten bzw. zirkulierenden Kältemittelmenge ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • a) die Entnahme des Kältemittels an einer Stelle des Kältekreislaufes erfolgt, an der das Kältemittel eine Temperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur aufweist,
    • b) das entnommene Kältemittel auf einen Druck unterhalb seines kritischen Drucks entspannt,
    • c) das dabei gebildete flüssige Kältemittel gespeichert und
    • d) bei Bedarf erneut dem Kältekreislauf zugeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion ermöglicht es nunmehr, Kältemittel, die bei Umgebungstemperatur nicht verflüssigbar sind, in flüssiger Form zu speichern. Somit kann beispielsweise vor dem geplanten Stillstand einer Verflüssigungsanlage zumindest ein Großteil des vergleichsweise kostenintensiven Kältemittelinventars einer entsprechend dimensionierten Speichereinrichtung zugeführt werden und steht damit bei der Wiederinbetriebnahme der Anlage zur Verfügung.
  • Auch ermöglicht die erfindungsgemäße Verfahrensweise eine Anpassung des Kältekreislaufes an verschiedene Lastzustände zwischen Stillstand und Volllast. Die in Kältekreisläufen vorgesehenen Verdichter weisen in der Regel nur einen eingeschränkten Lastbereich auf – typischerweise liegt der Saugvolumenstrom zwischen 70 und 105% –, innerhalb dessen sie betrieben werden können. Beim Unterschreiten der unteren Lastgrenze muss Gas von der Druckseite auf die Saugseite des Verdichters zurückgeführt werden. Ab diesem Punkt kann die Leistungsaufnahme des Verdichters jedoch nicht weiter verringert werden. Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann die Saugdichte des (ersten) Verdichters verringert werden, indem Kältemittelinventar aus dem Kältekreislauf ausgelagert und zwischengespeichert wird. Somit kann auch bei Lastzuständen, die bei einer konstanten Saugdichte des (ersten) Verdichters eine unerwünschte, energiezehrende Gasrückführung erfordern würden, eine effiziente Betriebsweise des Verdichters C1 beibehalten werden, da der effektive Saugvolumenstrom oberhalb der unteren Grenze des Verdichters gehalten wird.
  • In vorteilhafter Weise kann die Kältemitteldichte auf der Saugseite des (ersten) Verdichters des Kältekreislaufes zwischen 20 und 110%, vorzugsweise zwischen 50 und 110% des Volllastpunktes variiert werden.
  • Entsprechend einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird bzw. werden als Kältemittel Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Argon oder Gemische, insbesondere ein Stickstoff-Methan-Gemisch, verwendet.
  • 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.
  • Hierbei zeigt die 1 ein Verfahren, wie es insbesondere bei der Verflüssigung von Erdgas Anwendung findet, während anhand der 2 ein Verfahren zum Rückverflüssigen einer Boil-off-Gasfraktion, die aus einem sog. LNG-Speichertank abgezogen wird, erläutert wird.
  • Bei der in der 1 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zu verflüssigende Erdgasstrom A durch einen Wärmetauscher E4 geführt, in dem er gegen einen noch zu beschreibenden Kältekreislauf abgekühlt, verflüssigt und unterkühlt wird. Der derart behandelte Erdgasstrom B wird anschließend über das Entspannungsventil V1 in den LNG-Speichertank T geführt. Aus diesem wird das verflüssigte Erdgas (LNG) mittels der Pumpe P über die Leitung C entnommen.
  • Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Kältekreislauf handelt es sich um einen sog. Stickstoffexpander-Kreislauf, wie er beispielsweise im US-Patent 5,768,912 beschrieben ist. Die nachfolgenden Erläuterungen bezüglich der Inventar- bzw. Kältemittelverlagerung gelten jedoch unabhängig von der Ausführung des Kältekreislaufes und der Kältemittelzusammensetzung.
  • Der innerhalb des Kältekreislaufes zirkulierende Stickstoff wird über Leitung 10 zunächst einer zweistufigen Verdichtereinheit C1/C2 zugeführt und in dieser auf einen Zwischendruck verdichtet. Die beiden Nachkühler E1 und E2 dienen der Abführung der in den Verdichterstufen C1 und C2 eingetragenen Verdichterwärme. Über Leitung 11 wird das derart verdichtete Kältemittel, das auf zwei Teilströme aufgeteilt wird, den Verdichterstufen C3 und C4 zugeführt und in diesen auf den gewünschten maximalen Kreislaufdruck verdichtet. Der Nachkühler E3 dient wiederum der Abführung der Verdichterwärme. Das derart verdichtete Kältemittelgemisch wird über Leitung 12 dem bereits erwähnten Wärmetauscher E4 zugeführt und in diesem gegen sich selbst abgekühlt. Erneut erfolgt eine Aufteilung des Kältemittels auf zwei Teilströme 13 und 15, die auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in den Expansionsturbinen X1 und X2 kälteleistend entspannt und über die Leitungsabschnitte 14 und 16 dem Wärmetauscher E4 zugeführt werden. In diesem werden sie vereinigt und im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Erdgasstrom A angewärmt, bevor sie, wie bereits beschrieben, über Leitung 10 wieder der Verdichtereinheit C1/C2 zugeführt werden.
  • Die Druck- und Temperaturbedingungen innerhalb des Kältekreislaufes werden so gewählt, dass das auf den Enddruck verdichtete Kältemittel 12 überkritisch vorliegt. Somit liegt an dieser Stelle noch keine Flüssigkeit vor, die dem Kältekreislauf zum Zwecke der Zwischenspeicherung entnommen werden könnte. Im Wärmetauscher E4 wird das Kältemittel bis auf eine Temperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur abgekühlt, jedoch liegt sein Druck noch über dem kritischen Druck. Folglich bildet sich auch hier noch keine Flüssigkeit.
  • Erfindungsgemäß wird nun der im Falle einer Laständerung über die Leitung 20 zu entnehmende Kältemittelanteil im Ventil V2 auf einen Druck unterhalb des kritischen Drucks entspannt, so dass dem Pufferbehälter D eine Flüssigfraktion zugeführt werden kann. Hier ist zu beachten, dass der Druck, auf den dieser Kältemittelteilstrom 20 im Ventil V2 entspannt wird, oberhalb des Saugdruckes der Verdichtereinheit C1 liegt.
  • Sofern bei der Entspannung im Ventil V2 eine Gasphase entsteht, wird diese über Leitung 22 am Kopf des Pufferbehälters D abgezogen und über das Ventil V3 in den Kältekreislauf zurückgeführt. Die dem Pufferbehälter D zugeführte Flüssigphase des abgezogenen Kältemittelanteils 20 kann nunmehr entsprechend dem Kältemittelbedarf im Kältekreislauf im Pufferbehälter D gespeichert – in diesem Fall ist das Ventil V4 in der Leitung 21 geschlossen – oder bei geöffnetem Ventil V4 über Leitung 21 in den Kältekreislauf zurückgeführt werden.
  • Wie anhand des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert wird, ist die Umlagerung eines Teils des Kältemittelinventars aus dem Kältekreislauf in den Pufferbehälter D energetisch besonders vorteilhaft bei Verflüssigungsprozessen, die häufig großen Laständerungen unterworfen sind, da in diesen Fällen der Teillastanteil vergleichsweise hoch ist und somit potentiell viel Energie eingespart werden kann.
  • Ein derartiger Fall liegt beispielsweise bei einer diskontinuierlichen Produktverlagerung von verflüssigtem Erdgas (LNG) aus einem LNG-Speichertank T in einen Transporttank T' vor. Ohne Verlagerung fällt eine relativ geringe Menge an Boil-off-Gas an. Während des Umfüllens wird LNG über Leitung 4 dem Transporttank T' zugeführt, während das beim Umfüllen des LNGs in dem Transporttank T' anfallende Verdrängungsgas über Leitung 5 in den LNG-Speichertank T zurückgeführt wird.
  • Findet kein Umfüllen statt, wird lediglich das über Leitung 1 aus dem LNG-Speichertank T abgezogene, zu verflüssigende Boil-off-Gas, das in den Verdichtern C5 und C6 auf den gewünschten Verflüssigungsdruck verdichtet wird – die Nachkühler E5 und E6 dienen der Abführung der Verdichtungswärme –, über Leitung 2 dem Wärmetauscher E4 zugeführt und in diesem gegen den bereits beschriebenen Kältekreislauf verflüssigt und unterkühlt. Die Flüssigfraktion 3 wird anschließend über das Ventil V1 erneut in den LNG-Speichertank T geführt.
  • Während des Umfüllens bzw. solange Verdrängungsgas anfällt und über Leitung 5 in den LNG-Speichertank T zurückgeführt wird, erhöht sich die Menge der über Leitung 1 aus dem LNG-Speichertank T abgeführten Gasfraktion signifikant. Die daraus resultierende Laständerung des Kältekreislaufes kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren energiesparend durchgeführt 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
    • US 6530240 [0003]
    • US 5768912 [0014]

Claims (3)

  1. Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, gegen wenigstens einen Kältekreislauf, wobei innerhalb des Kältekreislaufes ein Kältemittel, das bei Umgebungstemperatur im überkritischen Zustand vorliegt, zirkuliert, und wobei in Abhängigkeit des Lastzustandes des Kältekreislaufes die Kältemittelmenge variiert wird, indem dem Kältekreislauf Kältemittel entnommen oder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Entnahme des Kältemittels an einer Stelle des Kältekreislaufes erfolgt, an der das Kältemittel eine Temperatur unterhalb seiner kritischen Temperatur aufweist, b) das entnommene Kältemittel (20) auf einen Druck unterhalb seines kritischen Drucks entspannt (V2), c) das dabei gebildete flüssige Kältemittel gespeichert (D) und d) bei Bedarf erneut dem Kältekreislauf zugeführt wird (21).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemitteldichte auf der Saugseite des (ersten) Verdichters des Kältekreislaufes zwischen 20 und 110%, vorzugsweise zwischen 50 und 110% des Volllastpunktes variiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittel Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Argon oder Gemische, insbesondere ein Stickstoff-Methan-Gemisch, verwendet werden.
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