DE102016000394A1 - Verfahren zum Abkühlen eines Mediums - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abkühlen eines Mediums beschrieben, wobei das Medium gegen das Kältemittel eines Gemischkältekreislaufs abgekühlt wird. Erfindungsgemäß – enthält das Kältemittel die Komponenten Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder Ethylen, wobei der Stickstoffanteil wenigstens 20 Mol-% beträgt, – wird das Kältemittel mittels lediglich eines Verdichters ein- oder mehrstufig verdichtet (V1, V2, V3), – wird das verdichtete Kältemittel (1) gegen sich selbst auf eine Zwischentemperatur von –120 bis –130°C abgekühlt (E1), – wird das abgekühlte Kältemittel (2) auf einen Zwischendruck entspannt (b), wobei dieser so gewählt wird, dass das entspannte Kältemittel zweiphasig vorliegt, – wird das entspannte Kältemittel in eine Gas- und eine Flüssigphase aufgetrennt, – wird die Flüssigphase (6) entspannt (c), – wird die Gasphase (3) um 3 bis 10°C gegen sich selbst angewärmt (E1), – wird die angewärmte Gasphase in einem Gasexpander (X1) auf den niedrigsten Kreislaufdruck (Niederdruck) entspannt, und – werden die entspannte Gasphase (4) und die entspannte Flüssigphase (7) gegen das abzukühlende Medium (A) angewärmt (E1, E2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines Mediums, wobei das Medium gegen das Kältemittel eines Gemischkältekreislaufs abgekühlt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abkühlen eines Mediums sowie der Stand der Technik seien nachfolgend anhand der Verflüssigung von Erdgas näher beschrieben. Es sei jedoch betont, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Abkühlen eines Mediums nicht nur bei Erdgasverflüssigungsverfahren zur Anwendung kommen kann.
  • Es ist eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren zur Erdgasverflüssigung bekannt. Eine relativ große Gruppe bilden die sog. Gemisch-Verfahren. Diese weisen einen, zwei oder sogar drei miteinander gekoppelte Kältekreisläufe auf, wobei in wenigstens einem ein Gemisch aus zwei oder mehr Komponenten als Kältemittel verwendet wird. Derartige Verfahren weisen keine Gasexpander auf.
  • Unter dem Begriff Gasexpander sei nachfolgend eine Maschine zu verstehen, bei der das Kältemittel am Eintritt gasförmig und am Austritt: gasförmig oder zweiphasig vorliegt, wobei der Dampfanteil mehr als 80% beträgt.
  • Zur Entspannung von Kältemitteln werden in der Regel Drosselventile verwendet. Anstelle eines Entspannungsventils können sog. Joule-Thomson-Expander – auch als Flüssigexpander, Flüssigturbine oder Dense-Fluid-Expander bezeichnet – verwendet werden. Dies sind Maschinen, bei denen das Kältemittel am Eintritt flüssig und am Austritt flüssig oder zweiphasig vorliegt, wobei der Dampfanteil weniger als 20% beträgt. Die Thermodynamik des Verfahrens ändert sich dadurch jedoch nicht grundsätzlich; die Verwendung eines Joule-Thomson-Expanders erhöht jedoch den Wirkungsgrad des Verfahrens.
  • Eine weitere Gruppe von Erdgasverflüssigungsverfahren basiert auf der Verwendung von einem oder zwei Gasexpandern. Als Kältemittel werden hierbei üblicherweise Reinstoffe, bspw. Stickstoff oder Methan, verwendet. Die Unterscheidung zwischen einem Gas- und einem Flüssigexpander ist dabei sehr wichtig; verfahrenstechnisch ist es nicht möglich, die Entspannung in einem Gasexpander durch die Entspannung in einem Drosselventil zu ersetzen, da das Erdgasverflüssigungsverfahren in diesem Fall entweder nicht funktioniert oder der Wirkungsgrad dramatisch – üblicherweise um mehr als 20% – abnimmt. Energetisch schneiden Gasexpander-Verfahren etwas schlechter ab als die eingangs beschriebenen Gemisch-Verfahren.
  • Ein „Single Expander”-Verfahren – also ein Verfahren mit einem einzigen Gasexpander – ist dabei energetisch schlechter als ein „Dual Expander”-Verfahren – also ein Verfahren, bei dem zwei Gasexpander auf unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten. Bekannt ist zudem ein Verfahren, das lediglich einen Expander aufweist und bei dem das Kältemittel ein Zweikomponentengemisch ist, bestehend aus Stickstoff und Methan. Dieses Verfahren ist energetisch etwas besser als ein „Single Expander”-Verfahren, jedoch schlechter als ein „Dual Expander”-Verfahren.
  • Grundsätzlich gilt, dass die eingangs beschriebenen Gemisch-Verfahren effizienter sind als Verfahren mit Reinstoffen, wie bspw. das sog. „Nitrogen-Dual Expander”-Verfahren. Jedoch ist der Wärmetauscher eines Gemisch-Verfahrens deutlich größer und deswegen auch teuerer als der Wärmetauscher eines „Dual Expander”-Verfahrens. Selbst bei etwa gleicher mittlerer Temperaturdifferenz ist dies der Fall, da der spezifische Umsatz des Kältemittels pro Nm3 des zu verflüssigenden Erdgases in einem Gemisch-Verfahren größer ist als in einem Reinstoff-Verfahren, wie bspw. dem „Nitrogen-Dual Eexpander”-Verfahren. Von Nachteil bei den Gemisch-Verfahren ist das vergleichsweise aufwendige und daher teure Gemischzusammensetzungsmanagement. Der Nachteil eines „(Nitrogen-)Dual Expander”-Verfahrens besteht darin, dass es wenigstens drei Maschinen (zwei Gasexpander und einen Verdichter) erfordert, während der Wärmetauscher vergleichsweise kompakt ausgeführt ist. „Single Expander”-Verfahren weisen einen vergleichsweise niedrigen Wirkungsgrad und hohe Betriebskosten auf und sind deswegen nur in seltenen Fällen wirtschaftlich; ihr Wärmetauscher ist hingegen vergleichsweise kompakt ausgeführt und sie weisen ein einfaches Maschinenkonzept auf.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abkühlen eines Mediums anzugeben, das es ermöglicht, die vorbschriebenden Nachteile zu vermeiden. Insbesondere soll ein Verfahren zum Abkühlen eines Mediums angegeben werden, das ein einfaches Maschinenkonzept, einen vergleichsweise kompakten Wärmetauscher und eine relativ hohe Effizienz aufweist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abkühlen eines Mediums vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – das Kältemittel die Komponenten Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder Ethylen enthält, wobei der Stickstoffanteil wenigstens 20 Mol-% beträgt,
    • – das Kältemittel mittels lediglich eines Verdichters ein- oder mehrstufig verdichtet wird,
    • – das verdichtete Kältemittel gegen sich selbst auf eine Zwischentemperatur von –120 bis –130°C abgekühlt wird,
    • – das abgekühlte Kältemittel auf einen Zwischendruck entspannt wird, wobei dieser so gewählt wird, dass das entspannte Kältemittel zweiphasig vorliegt,
    • – das entspannte Kältemittel in eine Gas- und eine Flüssigphase aufgetrennt wird,
    • – die Flüssigphase entspannt wird,
    • – die Gasphase um 3 bis 10°C gegen sich selbst angewärmt wird,
    • – die angewärmte Gasphase in einem Gasexpander auf den niedrigsten Kreislaufdruck (Niederdruck) entspannt wird, und
    • – die entspannte Gasphase und die entspannte Flüssigphase gegen das abzukühlende Medium angewärmt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Kühlen eines Medium weist im Gegensatz zu den zum Stand der Technik zählenden Verfahren ein vergleichsweise einfaches Maschinenkonzept auf, da es lediglich einen Verdichter und einen Gasexpander erfordert. Zudem weist das Kältemittel eine vergleichsweise einfache Zusammensetzung auf, da es lediglich aus den Komponenten Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder den Komponenten Stickstoff, Methan, Propan und Ethylen besteht, wobei der Stickstoffanteil in beiden Fällen wenigsten 20 Mol-% beträgt. Erfindungsgemäß wird das auf einen Druck zwischen 30 und 100 bar verdichtete Kältemittel zunächst gegen sich selbst auf eine Zwischentemperatur von –120 bis –130°C abgekühlt. Anschließend wird das abgekühlte Kältemittel auf einen Druck entspannt, der möglichst hoch ist, jedoch so gewählt wird, dass das entspannte Kältemittel zweiphasig vorliegt. Vorzugsweise beträgt der Zwischendruck zwischen 20 und 40 bar. Das entspannte Kältemittel wird in eine Gas- und eine Flüssigphase aufgetrennt. Die Gasphase wird um 3 bis 10°C gegen sich selbst angewärmt bzw. überhitzt und anschließend in einem Gasexpander auf den niedrigsten Kreislaufdruck (Niederdruck) entspannt. Dieser Niederdruck beträgt vorzugsweise 6 bis 10 bar. Die bei der Phasentrennung gewonnene Flüssigfraktion wird ebenfalls entspannt; sie und die entspannte Gasphase werden gegen das abzukühlende Medium angewärmt, dabei ggf. verdampft und dem ein- oder mehrstufig ausgelegten Verdichter auf geeigneten Druckniveaus zugeführt. Die Flüssigphase wird in vorteilhafter Weise entweder auf den gleichen Druck wie die in dem Gasexpander entspannte Gasphase entspannt oder auf einen Druck, der um den Faktor 1,5 bis 2 größer ist als der Druck, auf den die Gasphase im Gasexpander entspannt wird.
  • Der Wärmetausch zwischen dem Kältemittel bzw. seiner Gas- und Flüssigphase und dem abzukühlenden Medium erfolgt vorzugsweise in einem Plattenwärmetauscher, insbesondere in einem Aluminium-Plattenwärmertauscher.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen eines Mediums, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – das abzukühlende Medium eine Wasserstoff-reiche Fraktion, eine Stickstoff-reiche Fraktion, eine Helium-reiche Fraktion oder eine Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion, insbesondere Erdgas ist,
    • – das Kältemittel auf einen Druck zwischen 30 und 100 bar verdichtet wird,
    • – der Zwischendruck 20 bis 40 bar und/oder der Niederdruck 6 bis 10 bar betragen,
    • – die Flüssigphase auf den Niederdruck der in dem Gasexpander entspannten Gasphase oder einen Druck, der um den Faktor 1,5 bis 2 größer als der Niederdruck der in dem Gasexpander entspannten Gasphase ist, entspannt wird,
    • – das Medium in wenigstens einem Plattenwärmetauscher, vorzugsweise in wenigstens einem Aluminium-Plattenwärmetauscher gegen das Kältemittel abgekühlt wird,
    • – der Verdichter und der Gasexpander in einer Maschine (Compander) integriert sind, und
    • – die Flüssigphase vor ihrer Entspannung unterkühlt wird.
  • Unter den vogenannten Begriffen „Wasserstoff-reiche Fraktion”, „Stickstoff-reiche Fraktion” und „Helium-reiche Fraktion” seien Fraktionen zu verstehen, deren Wasserstoff-, Stickstoff- bzw. Helium-Anteil wenigstens 70 Mol.-% beträgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abkühlen eines Mediums sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • In den 1 und 2 dargestellt ist ein Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas, wobei das ggf. einer Vorbehandlung unterzogene Erdgas A gegen anzuwärmendes Kältemittel in den Wärmetauschern E1 und E2 abgekühlt, verflüssigt und unterkühlt wird. Dabei wird das zu verflüssigende Erdgas A im Regelfall soweit unterkühlt, dass nach einer Entspannung im Drosselventil a keine Gasphase bzw. kein Flash entsteht. Das entspannte, verflüssigte Erdgas (LNG) B wird üblicherweise einem in den 1 und 2 nicht dargestellten Speicherbehälter zugeführt.
  • Das in dem der Abkühlung des Erdgases A dienenden Kältekreislauf zirkulierende Kältemittel enthält die Komponenten Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder die Komponenten Stickstoff, Methan, Propan und Etylen, wobei der Stickstoffanteil jeweils wenigstens 20 Mol-% beträgt.
  • Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Verdichtung des Kältemittels in lediglich einem Verdichter, der zwei Verdichterstufen V1 und V2 (1) bzw. drei Verdichterstufen V1 bis V3 (2) aufweist. Den Verdichterstufen ist jeweils ein Nachkühler E3, E4 bzw. E5 nachgeschaltet, die der Abführung der Verdichterwärme dienen.
  • Das auf einen Druck zwischen 30 und 100 bar verdichtete Kältemittel 1 wird im Wärmetauscher E1 gegen sich selbst auf eine Zwischentemperatur von –120 bis –130°C abgekühlt. Das derart abgekühlte Kältemittel 2 wird anschließend im Drosselventil b auf einen Zwischendruck, der zwischen 20 und 40 bar liegt, entspannt. Erfindungsgemäß wird der Zwischendruck zwar möglichst hoch gewählt, jedoch muss sichergestellt sein, dass das entspannte Kältemittel zweiphasig vorliegt. Im Abscheider D erfolgt eine Auftrennung in eine Gasphase 3 und eine Flüssigphase 6. Erfindungsgemäß wird die Gasphase 3 im Wärmetauscher E1 um 3 bis 10°C gegen sich selbst sowie das abzukühlende Erdgas angewärmt und anschließend in dem Gasexpander X1 auf den niedrigsten Kreislaufdruck bzw. Niederdruck, der vorzugsweise zwischen 6 und 10 bar beträgt, entspannt. Die aus dem Abscheider D abgezogene Flüssigphase 6 wird im Drosselventil c auf den Druck, auf den die Gasphase 4 entspannt wird, oder auf einen Druck, der um den Faktor 1,5 bis 2 größer ist als der Druck, auf den die Gasphase 4 entpannt wird, gedrosselt.
  • Die entspannte Gasphase 4 und die entspannte Flüssigphase 7 werden im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Erdgas A durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführt. Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen erfolgt der Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem abzukühlenden und zu verflüssigenden Erdgas A in zwei Wärmetauschern E1 und E2, wobei lediglich die entspannte Gasphase 4 im Wärmetauscher E2 der Unterkühlung des verflüssigten Erdgases A dient.
  • Wie in der 1 dargestellt, wird die im Wärmetauscher E1 angewärmte und vollständig verdampfte Fraktion 8 der ersten Verdichterstufe V1 zugeführt, während die in den Wärmetauschern E2 und E1 angewärmte Gasphase 5 der zweiten Verdichterstufe V2 zugeführt wird.
  • Im Gegensatz dazu erfolgt bei dem in der 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Entspannung der überhitzten Gasphase 3 im Gasexpander X1 auf einen Druck, der niedriger ist als der Druck der im Drosselventil b entspannten Flüssigfraktion. Daher wird die im Gasexpander X1 entspannte und in den Wärmetauschern E2 und E1 angewärmte Gasphase 5' zunächst einer Vorverdichtung V3 unterzogen und anschließend der „ersten” Verdichterstufe V1 zugeführt. Somit stellt die Vorverdichtungsstufe V3 die erste Verdichterstufe dar, der sich die Verdichterstufen V1 und V2 anschließen.
  • Sofern die Drücke der im Gasexpander X1 entspannten Gasphase 4' und der im Drosselventil c entspannten Flüssigphase 7 identisch sind, werden diese gemeinsam der ersten Verdichterstufe V1 zugeführt.
  • In vorteilhafter Weise sind der Verdichter bzw. seine Verdichterstufen V1, V2 und V3 sowie der Gasexpander X1 in einer als Compander bezeichneten Maschine zusammengefasst bzw. integriert. Dies ist in den 1 und 2 durch die gestrichelt gezeichneten Linien dargestellt. In der 2 ist darüber hinaus der für den Antrieb der Verdichterstufen V1, V2 und V3 erforderliche Motor M dargestellt; über entsprechende Getriebe sind die Verdichterstufen V1, V2 und V3 und der Gasexpander X1 gekoppelt.
  • Die für den Wärmeaustausch zwischen dem Kältemittel und dem abzukühlenden Erdgas vorgesehenen Wärmetauschern E1 und E2 sind vorzugsweise als Plattenwärmetauscher, insbesondere als Aluminium-Plattenwärmetauscher ausgebildet.
  • Zur Steigerung der Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Flüssigphase 6 vor ihrer Entspannung im Drosselventil c unterkühlt werden, wobei diese Unterkühlung vorzugsweise im Wärmetauscher E2 gegen die anzuwärmende Gasphase 4 erfolgt.
  • Des Weiteren kann das Kältemittel nach seiner Verdichtung auf einen Zwischendruck oder auf den Enddruck in eine höhersiedende und eine tiefersiedende Fraktion aufgetrennt werden. Während die höhersiedende Fraktion entspannt und anschließend erneut verdichtet wird, wird nur die tiefersiedende Fraktion weiterverdichtet bzw. abgekühlt und anschließend auf einen Zwischendruck entspannt. Auch diese Ausgestaltung steigert die Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Es sei nochmals betont, dass das erfindungsgemäße Verfahren zum Abkühlen eines Mediums nicht nur bei der vorbeschriebenen Verflüssigung von Erdgas, sondern insbesondere auch bei der Abkühlung und/oder Verflüssigung einer Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-reichen, Helium-reichen oder Wasserstoff-reichen Fraktion Anwendung finden kann. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren zum Abkühlen eines Mediums in der Vorkühlstufe eines Helium- oder Wasserstoff-Verflüssigungsanlage realisiert werden.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Abkühlen eines Mediums, wobei das Medium gegen das Kältemittel eines Gemischkältekreislaufs abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – das Kältemittel die Komponenten Stickstoff, Methan, Propan und Ethan oder Ethylen enthält, wobei der Stickstoffanteil wenigstens 20 Mol-% beträgt, – das Kältemittel mittels lediglich eines Verdichters ein- oder mehrstufig verdichtet wird (V1, V2, V3), – das verdichtete Kältemittel (1) gegen sich selbst auf eine Zwischentemperatur von –120 bis –130°C abgekühlt wird (E1), – das abgekühlte Kältemittel (2) auf einen Zwischendruck entspannt wird (b), wobei dieser so gewählt wird, dass das entspannte Kältemittel zweiphasig vorliegt, – das entspannte Kältemittel in eine Gas- und eine Flüssigphase aufgetrennt wird (D), – die Flüssigphase (6) entspannt wird (c), – die Gasphase (3) um 3 bis 10°C gegen sich selbst angewärmt wird (E1), – die angewärmte Gasphase in einem Gasexpander (X1) auf den niedrigsten Kreislaufdruck (Niederdruck) entspannt wird, und – die entspannte Gasphase (4) und die entspannte Flüssigphase (7) gegen das abzukühlende Medium (A) angewärmt werden (E1, E2).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das abzukühlende Medium (A) eine Wasserstoff-reiche Fraktion, eine Stickstoff-reiche Fraktion, eine Helium-reiche Fraktion oder eine Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion, insbesondere Erdgas ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel auf einen Druck zwischen 30 und 100 bar verdichtet wird (V1, V2, V3).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischendruck 20 bis 40 bar und/oder der Niederdruck 6 bis 10 bar betragen.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigphase (6) auf den Niederdruck der in dem Gasexpander (X1) entspannten Gasphase (4) oder einen Druck, der um den Faktor 1,5 bis 2 größer als der Niederdruck der in dem Gasexpander (X1) entspannten Gasphase (4) ist, entspannt wird (c).
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium (A) in wenigstens einem Plattenwärmetauscher, vorzugsweise in wenigstens einem Aluminium-Plattenwärmetauscher gegen das Kältemittel abgekühlt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (V1, V2, V3) und der Gasexpander (X1) in einer Maschine (Compander) integriert sind.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigphase (6) vor ihrer Entspannung (c) unterkühlt wird.
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