DE102013016695A1 - Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, durch indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufes beschrieben, wobei das Kältemittelgemisch verdichtet wird, in eine Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, und eine Gasphase, die reich an tiefersiedenden Komponenten (LMR) des Kältemittelgemisches ist, aufgetrennt wird und diese Phasen vor dem indirekten Wärmetausch vermischt werden. Erfindungsgemäß erfolgt der indirekte Wärmetausch in wenigstens zwei Wärmetauschern (E3, E4), wobei der erste Wärmetauscher (E4) der Vorkühlung und der zweite Wärmetauscher (E3) der Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dient, und dem ersten Wärmetauscher ein Kältemittelgemisch zugeführt wird, das 5 bis 50% der Flüssigphase (3, 15), die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, aufweist, und derart mit der Gasphase (6, 14), die reich an tiefersiedenden Komponenten (LMR) des Kältemittelgemisches ist, vermischt wird, dass sich ein Mischungsverhältnis HMR/LMR zwischen 1,2 und 10 einstellt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, durch indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufes, wobei das Kältemittelgemisch verdichtet wird, in eine Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR = Heavy Mixed Refrigerant) des Kältemittelgemisches ist, und eine Gasphase, die reich an tiefersiedenden Komponenten (LMR = Light Mixed Refrigerant) des Kältemittelgemisches ist, aufgetrennt wird und diese Phasen vor dem indirekten Wärmetausch vermischt werden.
  • Verfahren zum Verflüssigen Kohlenwasserstoff-reicher Fraktionen bzw. Gasgemische, insbesondere Erdgas, bedienen sich u. a. geschlossener Kältemittelgemischkreisläufe, bei denen das Mehrkomponenten-Kältemittel unter erhöhtem Druck gegen Umgebungstemperatur zumindest teilweise kondensiert und bei niedrigem Druck kälteleistend unterhalb der Umgebungstemperatur verdampft wird. Bei einfachen Verfahren wird nur ein Kältemittelgemischkreislauf eingesetzt, bei dem die während der Verdichtung anfallenden Kältemittelfraktionen vor dem indirekten Wärmetausch mit der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion gemischt und im Wärmetauscher gemeinsam genutzt werden.
  • Anhand der in der 1 dargestellten Verfahrensführung sei nachfolgend ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abkühlen und Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, wie es bspw. in der deutschen Patentanmeldung 10 2011 010 633 offenbart ist, näher erläutert.
  • Über Leitung 100 wird die abzukühlende und zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion, bei der es sich beispielsweise um Erdgas handelt, dem Wärmetauscher E3' zugeführt. In diesem wird die Einsatzfraktion gegen den noch zu beschreibenden Kältemittelgemischkreislauf vorgekühlt und über Leitung 101 einer Trenneinheit T zugeführt. Diese lediglich als Black-Box dargestellte Trenneinheit T dient bspw. der Abtrennung von Stickstoff und/oder höheren Kohlenwasserstoffen aus der zu verflüssigenden Einsatzfraktion 100/101. Der in der Trenneinheit T realisierte Abtrennprozess bestimmt die Temperatur, auf die die Einsatzfraktion 100/101 im Wärmetauscher E3' wenigstens abgekühlt werden muss. Über Leitung 104 wird bzw. werden die aus der Einsatzfraktion abgetrennten Komponenten aus der Trenneinheit T abgezogen, während die verbleibende, zu verflüssigende Einsatzfraktion über Leitung 102 erneut dem Wärmetauscher E3' zugeführt und in diesem weiter abgekühlt, verflüssigt und gegebenenfalls unterkühlt wird. Die derart behandelte Einsatzfraktion 103 wird anschließend ihrer weiteren Verwendung oder einem Speicherbehälter zugeführt.
  • Der für die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion 100/102 erforderliche Kältemittelgemischkreislauf umfasst eine wenigstens zweistufige Verdichtereinheit C, einen der Verdichtereinheit C vorgeschalteten Abscheider D1 sowie zwei den Verdichterstufen nachgeschalteten Abscheider D2 und D3. Des Weiteren sind zwei Nachkühler E1 und E2, die der Abführung der Verdichtungswärme und der Teilkondensation des Kältemittelgemisches dienen, und eine Pumpe bzw. Pumpeneinheit P vorgesehen.
  • Das im Wärmetauscher E3' gegen die abzukühlende und zu verflüssigende Einsatzfraktion 100/102 verdampfte Kältemittelgemisch wird über Leitung 1 dem vorgenannten Abscheider D1 zugeführt. Die aus dem Kopf dieses Abscheiders über Leitung 1' abgezogene Gasphase wird der ersten Verdichterstufe der Verdichtereinheit C zugeführt und auf einen gewünschten Zwischendruck verdichtet. Über Leitung 2 wird das verdichtete Kältemittelgemisch nach Durchgang durch den Nachkühler E1 dem Abscheider D2 zugeführt. Aus dessen Sumpf wird über Leitung 3 eine Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten des Kältemittels ist (HMR), abgezogen und mittels der Pumpe bzw. Pumpeneinheit P auf den Druck der noch zu beschreibenden Gasphase des Kältemittelgemisches gepumpt.
  • Die aus dem Abscheider D2 über Leitung 4 abgezogene Gasphase wird der zweiten Stufe des Verdichters C zugeführt und auf den gewünschten Enddruck des Kältemittelgemischkreislaufes verdichtet. Über Leitung 5 wird das verdichtete Kältemittelgemisch nach Durchgang durch den Nachkühler E2 dem Abscheider D3 zugeführt. Die im Sumpf des Abscheiders E3 anfallende Flüssigfraktion 7 wird über das Regelventil V1 vor den Eingang des Abscheiders D2 zurückgeführt. Am Kopf des Abscheiders D3 wird über Leitung 6 eine Gasphase, die reich an tiefer siedenden Komponenten des Kältemittelgemisches ist (LMR), abgezogen und nach Vermischung mit der vorbeschriebenen Flüssigphase 3 über Leitung 8 dem Wärmetauscher E3' zugeführt. Die Flüssigphase 3 sowie die Gasphase 6 werden vor dem Wärmetauscher oder unmittelbar zu Beginn des im Wärmetauscher E3' stattfindenden Wärmeaustausches vereinigt und als Zweiphasenstrom zugeführt. Das Kältemittelgemisch wird im Wärmetauscher E3' abgekühlt und vollständig verflüssigt. Am kalten Ende des Wärmetauschers E3' wird das Kältemittelgemisch 9 im Ventil V2 kälteleistend entspannt und anschließend beim erneuten Durchgang durch den Wärmetauscher E3' vollständig verdampft.
  • Mittels der vorbeschriebenen Verfahrensweise ist jedoch keine gezielte Einflussnahme auf das Temperaturprofil im Wärmetauscher E3' möglich. Die zur Verfügung stehenden, veränderlichen Größen des Kältemittelgemischkreislaufes, wie Druckprofil, Massenstrom und Zusammensetzung, werden zur Regelung der Anlagenkapazität und der Temperatur der Einsatzfraktion am kalten Ende des Wärmetauschers E3' sowie zur Optimierung des Energieverbrauchs eingesetzt. Wird nun im Rahmen der Gasverflüssigung eine beliebige Zwischentemperatur im Wärmetauscher E3' gefordert, bspw. zur Vermeidung von Feststoffausfall im Einsatzgas oder zur Einstellung einer angestrebten Stofftrennung, wie etwa der vorbeschriebenen Abtrennung von Stickstoff oder höherer Kohlenwasserstoffe, so ist diese nicht unabhängig von der Last und der Temperatur der zu verflüssigenden Fraktion am kalten Ende des Wärmetauschers E3' regelbar.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, anzugeben, das es ermöglicht, neben der Temperatur am kalten Ende des für den indirekten Wärmetausch verwendeten Wärmetauschers eine weitere Temperatur hinreichend genau zu regeln. Hierunter sei eine Regelung auf wenigstens 3°C, vorzugsweise auf wenigstens 1°C zu verstehen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, angegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – der indirekte Wärmetausch in wenigstens zwei Wärmetauschern erfolgt,
    • – wobei der erste Wärmetauscher der Vorkühlung und der zweite Wärmetauscher der Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dient, und
    • – dem ersten Wärmetauscher ein Kältemittelgemisch zugeführt wird, das 5 bis 50% der Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, aufweist, und derart mit der Gasphase, die reich an tiefersiedenden Komponenten (LMR) des Kältemittelgemisches ist, vermischt wird, dass sich ein Mischungsverhältnis HMR/LMR zwischen 1,2 und 10 einstellt.
  • Bei dem vorbeschriebenen, zum Stand der Technik zählenden Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion werden die Flüssig- sowie die Gasphase des Kältemittelgemisches jeweils zur Gänze vermischt und gemeinsam zur Kühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion verwendet. Erfindungsgemäß erfolgt der indirekte Wärmetausch zwischen der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion und dem Kältemittelgemisch nunmehr in wenigstens zwei Wärmetauschern, wobei der erste Wärmetauscher der Vorkühlung und der zweite Wärmetauscher der Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dienen. Hierbei wird der erste bzw. Vorkühlwärmetauscher überwiegend mit der Flüssigphase des Kältemittelgemisches gekühlt, während der zweite Wärmetauscher bzw. Verflüssiger überwiegend mit der Gasphase des Kältemittelgemisches gekühlt wird. Erfindungsgemäß wird dem ersten Wärmetauscher daher ein Kältemittelgemisch zugeführt, das 5 bis 50% der Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, aufweist. Diese Flüssigphase wird derart mit der Gasphase, die reich an tiefersiedenden Komponenten (LMR) des Kältemittelgemisches ist, vermischt, dass sich ein Mischungsverhältnis HMR/LMR zwischen 1,2 und 10 einstellt. Die verbleibenden Anteile der Flüssig- und der Gasphase werden für die Kühlung des zweiten Wärmetauschers verwendet. Das für den ersten Wärmetauscher verwendete Kältemittelgemisch ist nun um ein Vielfaches an höhersiedenden Komponenten angereichert und ist dementsprechend höhersiedend. Folglich ist das Kältemittelgemisch des zweiten Wärmetauschers an tiefersiedenden Komponenten des Kältemittelgemisches angereichert und dementsprechend tiefersiedend.
  • Die Kälteleistungen und Temperaturprofile der beiden Wärmetauscher können nun über die Mischungen und Mengen der jeweiligen Kältemittelfraktionen derart beeinflusst werden, dass die Temperatur am kalten Ende des ersten Wärmetauschers – wie auch die Temperatur am kalten Ende des zweiten Wärmetauschers – auf wenigstens 3°C, vorzugsweise auf wenigstens 1°C genau geregelt werden kann.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – dem ersten Wärmetauscher ein Kältemittelgemisch zugeführt wird, das 10 bis 30% der Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, aufweist,
    • – sich ein Mischungsverhältnis HMR/LMR zwischen 2 und 5 einstellt, und/oder
    • – ein Teilstrom der Gasphase dem Kältemittelgemisch am kalten Ende des ersten und/oder des zweiten Wärmetauschers zugeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die abzukühlende und zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 200 wird nunmehr einem ersten Wärmetauscher bzw. Vorkühler E4 zugeführt. In diesem wird die Einsatzfraktion gegen den noch zu beschreibenden Kältemittelgemischkreislauf vorgekühlt und über Leitung 201 der Trenneinheit T zugeführt. Über Leitung 204 wird bzw. werden die aus der Einsatzfraktion abgetrennten Komponenten aus der Trenneinheit T abgezogen, während die verbleibende, zu verflüssigende Einsatzfraktion über Leitung 202 dem zweiten Wärmetauscher bzw. Verflüssiger E3 zugeführt und in diesem weiter abgekühlt, verflüssigt und ggf. unterkühlt wird. Die derart behandelte Einsatzfraktion 203 wird anschließend ihrer weiteren Verwendung oder einem Speicherbehälter zugeführt.
  • Der für die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion 200/202 erforderliche Kältemittelgemischkreislauf entspricht mit Ausnahme der Verteilung der Gas- und Flüssigphase 6 bzw. 3 auf die beiden Wärmetauscher E3 und E4 dem anhand der 1 erläuterten Kältemittelgemischkreislauf. Im Folgenden sei daher nun auf die Unterschiede zu dem anhand der 1 erläuterten Kältemittelgemischkreislauf eingegangen.
  • Erfindungsgemäß wird die aus dem Sumpf des Abscheiders D2 abgezogene Flüssigphase 3 mittels der Regelventile V6 und V7 über die Leitungsabschnitte 11 und 15 auf die Wärmetauscher E3 und E4 verteilt. Dabei wird dem Wärmetauscher E4 ein Kältemittelgemisch zugeführt, das 5 bis 50%, vorzugsweise 10 bis 30% der Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, zugeführt. Die Verteilung der am Kopf des Abscheiders D3 abgezogenen Gasphase 6, die reich an tiefersiedenden Komponenten (LMR) des Kältemittelgemisches ist, über die Leitungsabschnitte 10 und 14 auf die Wärmetauscher E3 und E4 ergibt sich aus der Massenbilanz der vereinigten Kältemittelgemischströme 12 und 16 über die Ventile V2 und V4.
  • Über die Leitungsabschnitte 13 und 17 können Teilströme der Gasphase 6 dem Kältemittelgemisch 12 bzw. 16 am kalten Ende des ersten und/oder des zweiten Wärmetauschers E4 bzw. E3 zugeführt werden. Mittels der Regelventile V3 und V5 ergibt sich damit eine weitere Möglichkeit der Temperaturkontrolle am kalten Ende der Wärmetauscher E3 und E4. Zudem kann mittels der beiden Ventile V3 und V5 eine Gasmindestgeschwindigkeit eingestellt werden, die dem stabilen Kaltfahren der Wärmetauscher E3 und E4 dient, indem die Entmischung der Gas- und Flüssigphase während der Verdampfung vermieden wird.
  • 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 102011010633 [0003]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, durch indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufes, wobei das Kältemittelgemisch verdichtet wird, in eine Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, und eine Gasphase, die reich an tiefersiedenden Komponenten (LMR) des Kältemittelgemisches ist, aufgetrennt wird und diese Phasen vor dem indirekten Wärmetausch vermischt werden, dadurch gekennzeichnet, dass – der indirekte Wärmetausch in wenigstens zwei Wärmetauschern (E3, E4) erfolgt, – wobei der erste Wärmetauscher (E4) der Vorkühlung und der zweite Wärmetauscher (E3) der Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (200–203) dient, und – dem ersten Wärmetauscher (E4) ein Kältemittelgemisch zugeführt wird, das 5 bis 50% der Flüssigphase (3, 15), die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, aufweist, und derart mit der Gasphase (6, 14), die reich an tiefersiedenden Komponenten (LMR) des Kältemittelgemisches ist, vermischt wird, dass sich ein Mischungsverhältnis HMR/LMR zwischen 1,2 und 10 einstellt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Wärmetauscher (E4) ein Kältemittelgemisch zugeführt wird, das 10 bis 30% der Flüssigphase, die reich an höhersiedenden Komponenten (HMR) des Kältemittelgemisches ist, aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Mischungsverhältnis HMR/LMR zwischen 2 und 5 einstellt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom (13, 17) der Gasphase (6) dem Kältemittelgemisch (12, 16) am kalten Ende des ersten und/oder des zweiten Wärmetauschers (E3, E4) zugeführt wird.
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