DE10355935A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch mit wenigstens einem Kältemittelkreislauf und/oder wenigstens einem Kältemittelgemischkreislauf erfolgt, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß erfolgt die Entspannung des Kältemittels des oder wenigstens eines der Kältemittelkreisläufe und/oder die Entspannung des Kältemittelgemisches des oder wenigstens einer der Kältemittelgemischkreisläufe mittels wenigstens eines Zwei-Phasen-Expanders (T1, T1', ...). DOLLAR A Ferner können der oder die mittels Zwei-Phasen-Expander (T1, T1', ...) entspannten Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischströme einer Phasentrennung (D) unterworfen werden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch mit wenigstens einem Kältemittelkreislauf und/oder wenigstens einem Kältemittelgemischkreislauf erfolgt.
- Nachfolgend werden nurmehr die Begriffe "Kältemittel" und "Kältemittelkreislauf" verwendet; hierbei steht der Begriff "Kältemittel" sowohl für ein- als auch mehrkomponentige Kältemittel(gemische), während unter dem Begriff "Kältemittelkreislauf" alle Arten von Kältemittelkreisläufe, in denen ein- oder mehrkomponentige Kältemittel(gemische) zirkulieren, zu verstehen sind.
- Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl unterschiedlichster Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bekannt.
- Erdgasverflüssigungsanlagen werden entweder als so genannte LNG-Baseload-Anlagen – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie – oder als so genannte Peak-Shaving-Anlagen – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfs – ausgelegt.
- LNG-Baseload-Anlagen werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, wobei die in den Kältekreisläufen zirkulierenden Kältemittel aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Diese Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als Expander-Kreisläufe und ermöglichen bei den großen Verflüssigungsleistungen der LNG-Baseload-Anlagen entsprechend relativ niedrige Energieverbräuche.
- Bei einer Vielzahl der bekannten Erdgasverflüssigungsverfahren erfolgt die Abkühlung der in dem oder den Kältekreisläufen zirkulierenden Kältemittel durch eine Druckentspannung in Joule-Thomson-Ventilen.
- Ergänzend werden so genannte Flüssig-Expander eingesetzt, mit denen jedoch lediglich eine geringe Temperaturabsenkung erreicht werden kann. Der Hauptzweck derartiger Flüssig-Expander ist jedoch in erster Linie die Energierückgewinnung. Die bekannten Flüssig-Expander haben jedoch den Nachteil, dass sie an ihrem Austritt kein Zwei-Phasen-Gemisch zulassen, und damit die Energie im Zweiphasengebiet nicht zurückgewonnen werden kann.
- Flüssig-Expander werden darüber hinaus meist in Verbindung mit einem Joule-Thomson-Ventil eingesetzt, was zur Folge hat, dass jeweils wenigstens zwei Apparate vorzusehen sind, nämlich der Flüssig-Expander und das Joule-Thomson-Ventil..
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes anzugeben, dessen Gesamtenergiebedarf gegenüber jeweils vergleichbaren Verfahren niedriger ist.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Entspannung des Kältemittels des oder wenigstens eines der Kältemittelkreisläufe und/oder die Entspannung des Kältemittelgemisches des oder wenigstens einer der Kältemittelgemischkreisläufe mittels wenigstens eines Zwei-Phasen-Expanders erfolgt.
- Es hat sich gezeigt, dass Zwei-Phasen-Expander bei allen bekannten Verflüssigungsverfahren, bei denen eine Entspannung einer Flüssigkeit in das Zweiphasengebiet erfolgt, die bisher verwendeten Joule-Thomson-Ventile bzw. Kombinationen aus Flüssig-Expander und Joule-Thomson-Ventile ersetzen können.
- Zwei-Phasen-Expander weisen Wirkungsgrade von mehr als 80 % auf. Sie lassen einen beliebig hohen Gasanteil an ihrem Austritt zu, so dass – verglichen mit den vorbeschriebenen Flüssig-Expandern – weitaus größere Temperaturabsenkungen realisierbar sind. Somit kann ebenfalls mehr Energie zurückgewonnen werden.
- Im Gegensatz zu der vorbeschriebenen Kombination aus Joule-Thomson-Ventil und Flüssig-Expander wird nunmehr lediglich ein Apparat benötigt. Dies führt insbesondere bei Verfahren, bei denen der Zwei-Phasen-Expander die vorbeschriebene Kombination aus Joule-Thomson-Ventil und Flüssig-Expander ersetzt, zu deutlich niedrigeren Investitionskosten, insbesondere auch deshalb, weil weniger externe Energie dem Verflüssigungsprozess zugeführt werden muss, wobei neben der Energieerzeugungseinheit auch die Maschinen, wie Antriebsturbinen und Kreislaufkompressoren, sowie die Kreislaufkühler kleiner und damit kostengünstiger werden.
- Bei der Verwendung von Zwei-Phasen-Expandern ist es nunmehr nicht mehr erforderlich, das dem bzw. den Zwei-Phasen-Expandern zugeführte Kältemittel (gegen sich selbst) zu unterkühlen. Dies hat zur Folge, dass die verwendeten Wärmetauscher entsprechend kleiner ausgelegt und somit kostengünstiger werden können.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes weiterbildend wird vorgeschlagen, dass der oder die mittels Zwei-Phasen-Expander entspannten Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischströme einer Phasentrennung unterworfen werden.
- Dies kann einerseits günstig sein für den getrennten Eintritt von Gas- und Flüssigphase in die nachfolgenden Wärmetauscher, andererseits kann die Gasphase aber auch ohne Wärmeaustausch der Saugseite des Kreislaufkompressors bzw. -verdichters zugeführt werden und nur die Flüssigphase tritt in den Wärmetauscher ein. Die letztgenannte Variante kann in bestimmten Fällen zu einem geringeren Energiebedarf führen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie weitere Ausgestaltung desselben seien nachfolgend anhand der in der
1 dargestellten Verfahrensweise näher erläutert. - Die
2 zeigt eine zu der in der1 dargestellten Ausführungsform alternative Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. - Eine, wie in der
1 dargestellte Verfahrensweise ist in ihren Grundzügen bspw. aus der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415, deren Inhalt mit dieser Zitierung in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung aufgenommen sei, bekannt. Hierbei erfolgt die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen bzw. Erdgas-Stromes gegen eine Kältemittelgemischkreislaufkaskade, die aus drei unterschiedlichen Kältemittelzusammensetzungen aufweisenden Kältemittelgemischkreisläufen besteht. - Hierbei dient der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe
1 ,...,4' der Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, der zweite Kältemittelgemischkreislauf5 ,...,8 der eigentlichen Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf9 ,...,12 der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes. - Gemäß der in der
1 dargestellten Verfahrensweise wird ein gegebenenfalls vorbehandelter Erdgasstrom, der eine Temperatur zwischen 10 und 50°C und einen Druck zwischen 30 und 80 bar aufweist, über Leitung a einem ersten Wärmetauscher E1 und dann nachfolgend über Leitung b einem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt. - Auf die gegebenenfalls notwendigen Vorbehandlungsschritte, wie beispielsweise Trocknung, CO2- und/oder Schwefelentfernung, etc. sei im Folgenden nicht näher eingegangen; die gängigen Verfahrensweisen sind dem Fachmann bekannt.
- Das Kältemittel des ersten bzw. PRC (Precooling Refrigerant Cycle)-Kältemittelgemischkreislaufes, das über Leitung
1 aus dem Verdichter C1 abgezogen wird, wird vor dem Wärmetauscher E1 in zwei Teilströme2 und2' aufgeteilt. Der erste Teilstrom2 wird in dem Zwei-Phasen-Expander T1 entspannt, über Leitung3 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem gegen den vorzukühlenden Erdgasstrom angewärmt, bevor er über Leitung4 auf einer Zwischendruckstufe dem Verdichter C1 zugeführt wird. - Der zweite Teilstrom
2' wird nach Abkühlung im Wärmetauscher E1 in dem Zwei-Phasen-Expander T1' entspannt, über Leitung3' dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen den bereits teilweise vorgekühlten Erdgasstrom angewärmt, bevor er über Leitung4' der ersten Stufe des Verdichters C1 zugeführt wird. - Der derart vorgekühlte Erdgasstrom, der aus dem Wärmetauscher E2 über Leitung c abgezogen wird, weist eine Temperatur zwischen –35 und –55°C auf. Im Wärmetauscher E3 wird der vorgekühlte Erdgasstrom gegen das Kältemittel des zweiten bzw. LRC (Liquefaction Refrigerant Cycle)-Kältemittelgemischkreislaufes verflüssigt. Dazu wird das im Verdichter C2 verdichtete Kältemittel des zweiten Kältemittelkreislaufes über Leitung
5 durch die Wärmetauscher E1 und E2 geführt und in diesen abgekühlt. Anschließend wird das Kältemittel über Leitung6 dem Zwei- Phasen-Expander T2 zugeführt und in diesem entspannt; der entspannte Kältemittelstrom wird über Leitung7 dem Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen den zu verflüssigenden Erdgasstrom angewärmt, bevor er über Leitung8 wieder dem Verdichter C2 zugeführt wird. - Der verflüssigte Erdgasstrom, der nunmehr eine Temperatur zwischen –70 und –90°C aufweist, wird anschließend über Leitung d dem Wärmetauscher E4, in dem er unterkühlt wird, zugeführt. Die Unterkühlung des verflüssigten Erdgasstromes erfolgt gegen das Kältemittel des dritten bzw. SRC (Subcooling Refrigerant Cycle)-Kältemittelgemischkreislaufes. Das Kältemittel des dritten Kältekreislaufes wird dazu nach erfolgter Verdichtung im Verdichter C3 über Leitung
9 durch die Wärmetauscher E1, E2 und E3 geführt und in diesen abgekühlt. Anschließend wird das Kältemittel über Leitung10 dem Zwei-Phasen-Expander T3 zugeführt, in diesem entspannt und über Leitung11 wiederum dem Wärmetauscher E4 zugeführt. In diesem wird das Kältemittel gegen den zu unterkühlenden Erdgasstrom angewärmt und anschließend über Leitung12 wieder dem Verdichter C3 zugeführt. - Der unterkühlte Erdgasstrom liegt am Ausgang des Wärmetauschers E4 unter einer Temperatur zwischen –140 und –160°C vor. Er wird anschließend über Leitung e einem Zwei-Phasen-Expander T4 zugeführt, in diesem entspannt und sodann über Leitung f seiner weiteren Verwendung und/oder (Zwischen)Speicherung zugeführt.
- Im Gegensatz zu der bisher realisierten Verfahrensweise werden die Kältemittel der einzelnen Kältekreisläufe nunmehr vor ihrer Entspannung nicht mehr (gegen sich selbst) unterkühlt. Dieses Unterkühlen kann unterbleiben, da durch die Entspannung in dem Zwei-Phasen-Expander mit gleichzeitiger Energierückgewinnung ausreichend Temperaturabsenkung erreicht wird.
- Die in der
1 dargestellten Verdichter C1, C2 und C3 können ein- oder mehrstufig ausgelegt sein. Ihnen ist jeweils ein Kühler K1, K2 bzw. K3 nachgeschaltet, in dem das verdichtete Kältemittel jeweils gegen ein geeignetes Kühlmedium, wie beispielsweise Meerwasser, abgekühlt wird. - Die durch die Entspannung der Kältemittel bzw. des verflüssigten Erdgasstromes in den Zwei-Phasen-Expandern T1 bis T4 gewonnene Energie wird vorzugsweise zum Antreiben von Generatoren verwendet. Der erzeugte Strom verringert den Gesamtstrombedarf der Anlage und kann unter anderem als Anteil zum Antrieb der Verdichter C1, C2, C3 verwendet werden, sofern deren Antriebe Elektromotoren sind.
- Die
2 zeigt eine mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei diese lediglich beispielhaft anhand der Verfahrensführung im Zusammenhang mit der Entspannung des über Leitung10 dem Zwei-Phasen-Expander T3 zugeführten und in diesem entspannten Kältemittels erläutert wird. - Eine derartige Verfahrensweise wird in der Praxis hauptsächlich jedoch bei den Wärmetauschern E1 und E2 bzw. den Zwei-Phasen-Expandern T1 und T1' in Erwägung gezogen werden.
- Erfindungsgemäß wird das am Ausgang des Zwei-Phasen-Expanders T3 vorliegende Zwei-Phasen-Gemisch über Leitung
13 nunmehr einem Abscheider D zugeführt und in diesem in eine Flüssig- sowie eine Gasfraktion aufgetrennt. - Während die im Abscheider D gewonnene Gasphase über Leitung
14 am Kopf des Abscheiders T abgezogen und nach Beimischung zur Leitung12 unmittelbar dem in der Figur nicht dargestellten Verdichter C3 zugeführt wird, wird der aus dem Sumpf des Abscheiders D abgezogene Flüssiganteil über Leitung15 dem Wärmetauscher E4 zugeführt und in diesem gegen den zu unterkühlenden Erdgasstrom angewärmt, bevor dieser Anteil ebenfalls über Leitung12 dem Verdichter C3 zugeführt wird. Diese Verfahrensweise hat den Vorteil, dass die Verteilung der Flüssigphase auf den Wärmetauscher E4 gegenüber einer Zweiphasenverteilung einfacher wird. In manchen Fällen kann der Energiebedarf durch diese Verfahrensführung verringert werden. - Die erfindungsgemäße Idee – also die Entspannung eines Kältemittels in einem Zwei-Phasen-Expander – kann bei allen bekannten Verflüssigungsverfahren, bei denen Kältekreisläufe mit Entspannung von der Flüssigphase in das Zweiphasengebiet zur Anwendung kommen, realisiert werden.
- Die Verwendung von Zwei-Phasen-Expandern ermöglicht eine größere Temperaturabsenkung und darüber hinaus eine erhöhte Energie(rück)gewinnung. Der Gesamtenergiebedarf der bekannten Verflüssigungsverfahren, bei denen anstelle der bisher verwendeten Joule-Thomson-Ventile bzw. der bisher verwendeten Kombinationen aus Flüssig-Expander und Joule-Thomson-Ventile Zwei-Phasen-Expander zum Einsatz kommen, wird dadurch erniedrigt.
Claims (4)
- Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch mit wenigstens einem Kältemittelkreislauf und/oder wenigstens einem Kältemittelgemischkreislauf erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Kältemittels des oder wenigstens eines der Kältemittelkreisläufe und/oder die Entspannung des Kältemittelgemisches des oder wenigstens einer der Kältemittelgemischkreisläufe mittels wenigstens eines Zwei-Phasen-Expanders (T1, T1',...) erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die mittels Zwei-Phasen-Expander (T1, T1',...) entspannten Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischströme einer Phasentrennung (D) unterworfen werden.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die den Zwei-Phasen-Expandern (T1, T1',...) zugeführten Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischströme vor der Entspannung nicht gegen sich selbst unterkühlt werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom einer Entspannung in einem Zwei-Phasen-Expander (T4) unterworfen wird.
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