DE1245396B

DE1245396B - Verfahren zur Zwischenlagerung von Erdgas

Info

Publication number: DE1245396B
Application number: DEC31630A
Authority: DE
Inventors: William Wood Bodle; Alexander Russell Young
Original assignee: Conch International Methane Ltd
Current assignee: Conch International Methane Ltd
Priority date: 1963-05-23
Filing date: 1963-12-09
Publication date: 1967-07-27
Also published as: US3285719A; AT263729B; DE1245396C2; ES293448A1

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CI.:

F17c

Deutsche KL: 17 g-5/02

Nummer: 1 245 396

Aktenzeichen: C 316301 a/17 g

Anmeldetag: 9. Dezember 1963

Auslegetag: 27. Juli 1967

Die Verwendung von Erdgas für Heizzwecke sowohl für den häuslichen als auch für den industriellen Bereich, die in den industriell hochentwickelten Ländern wegen des Bestehens umfangreicher Verteilungsrohrnetze stark zugenommen hat, wirft bei der Ver- sorgung der Verbraucher mit Erdgas konstanten Heizwerts und konstanten Drucks unabhängig von der Belastung große Probleme auf. Insbesondere der Ausgleich von Niedrigst- und Höchstbelastungen über lange Zeiten macht Schwierigkeiten. Darüber hinaus werden von den Normalverbrauchern während der warmen Monate des Jahres erhebliche kleinere Gasmengen abgenommen, als dies bei außerordentlich kaltem Wetter der Fall ist. Es muß daher ein als Puffer wirkendes Zwischenlagerungssystem vorgesehen werden, welches die erforderlichen Erdgasmengen auch bei schwankendem Verbrauch mit gleichbleibendem Heizwert abgeben kann.

Die Lagerung von Erdgas in gasförmiger Form ist wegen des großen Gasvolumens und des erforderlichen höheren Gaslieferungsdrucks praktisch nicht mehr möglich. Auch Versuche, das Gas in flüssigem Zustand während der Zeiten geringen Verbrauchs in normalen Gasspeicheranlagen zu speichern, haben zunächst zu keinen befriedigenden Ergebnissen geführt, da die Kosten für die Gasverfiüssigungsanlage sowie für die Lagerbehälter sehr hoch und die Lagerung flüssigen Erdgases oberhalb der Oberfläche mit Gefahren verbunden ist. Diese Schwierigkeiten ließen sich nun neuerdings durch die Entwicklung wirtschaftlicherer Gasverflüssigungsanlagen und durch die Lagerung des flüssigen Erdgases in Bodenbehältern, die durch die Ausschachtung von verhältnismäßig großen Höhlungen im Erdboden und durch Gefrieren der Erdwände entstehen, beheben.

Neue Probleme hat jedoch der Umstand aufgeworfen, daß das dem Lagerbehälter zugeführte Gas einen anderen Heizwert als das abgezogene Gas aufweist und daß die Heizwerte zeitlich schwanken. Erdgas enthält neben Methan noch Stickstoff sowie höhere Kohlenwasserstoffe und hat einen Heizwert von etwa 8900 bis 9350 kcal/Nm³. Das aus dem Lagerbehälter abgezogene gasförmige Erdgas enthält nun außer Methan hauptsächlich Stickstoff, da diese leichter siedenden Komponenten zunächst abdestillieren, wodurch die schwerer siedenden höheren Kohlenwasserstoffe mit sehr hohem Heizwert zurückbleiben und das abgezogene Gas einen geringeren Heizwert als das dem Lagerbehälter zugeführte Erdgas aufweist. Die Folge ist, daß der Heizwert der im Lagerbehälter 5p verbleibenden Flüssigkeit zunimmt. Dies ist deshalb unerwünscht, weil der Gasverkauf und der Betrieb Verfahren zur Zwischenlagerung von Erdgas

Anmelder:

Conch International Methane Limited,

Nassau (Bahama-Inseln)

Vertreter:

Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls
und Dr. E. v. Pechmann, Patentanwälte,
München 90, Schweigerstr. 2

Als Erfinder benannt:
William Wood Bodle, Deerfield, JlL; ■
Alexander Russell Young,
Kansas City, Mo. (V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 23. Mai 1963 (282 727)

von Gasbrennern ein Gas konstanten Heizwerts erfordern. Teilweise wird hier schon durch ein Verfahren zur Verflüssigung und Lagerung von Erdgas in flüssigem Zustand Abhilfe geschaffen, bei welchem das Erdgas zunächst von CO₂ und Wasser befreit wird, sodann die höheren Kohlenwasserstoffe, ausgenommen Äthan, verflüssigt und abgetrennt werden und in weiteren Schritten das Erdgas unter Entspannung verflüssigt und in einem Lagerbehälter entspannt wird, wobei durch Abziehen des bei der Entspannung abgegebenen Gases, das hauptsächlich aus Stickstoff und Äthan neben geringen Methananteilen besteht, ein nahezu reines Methan in den Lagerbehälter gelangt. Sowohl die höheren Kohlenwasserstoffe wie auch die bei der Erdgasverflüssigung stufenweise abgetrennten Gase, wie Äthan und Stickstoff, werden als Kälteträger verwendet, um in vorhergehenden Stufen zunächst ein verflüssigtes Äthylen und mit dessen HiKe als Kälteträger dann ein verflüssigtes Methan zu erzeugen, welches wiederum als Hauptkälteträger für die Erdgasverflüssigung dient. Die höheren Kohlenwasserstoffe werden Verwendungszwecken unmittelbar zugeführt. Die kalten Dämpfe aus dem Lagerbehälter werden nach Verwendung als Kälteträger zum Abkühlen des Kühlmediums der ersten Stufe ebenfalls dem System entzogen, wobei noch ein Verdünnungsgas, insbesondere Luft, zur Erniedrigung des Heizwertes zugemischt werden kann.

709 618/171

Bei diesem Verfahren werden also dem Ausgangserdgas Stickstoff ganz und Kohlenwasserstoff zum größten Teil entzogen, bevor es in den Lagerbehälter gelangt und aus diesem gegebenenfalls nach Zumischung von Luft als Brenngas abgezogen wird. Die Anlage zur Ausführung dieses Verfahrens ist verwickelt und apparativ aufwendig, da es umfangreiche Kühlanlagen und fremde Kältemittel sowie ein fremdes Zusatzgas erforderlich macht. Die Abkühlung des bei der Verflüssigung der höheren Kohlenwasserstoffe verbleibenden, hauptsächlich Methan enthaltenden Restgases durch Entspannung erlaubt keine sehr hohen Verflüssigungsausbeuten, da die bei der Drosselung des Restgases jeweils frei werdenden Gase nicht dem aus der Anlage abgezogenen Gas wieder zugeleitet werden. Sie gehen als Brenngas verloren. Außerdem macht es der Betrieb einer solchen Anlage erforderlich, daß für die Verwendung der abgetrennten Gasanteile gesorgt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile dieses bekannten Verfahrens zu vermeiden und ein Verfahren zu schaffen, das in der Durchführung einfacher ist und bei dem der Heizwert des abgezogenen Gases ohne Verwendung — von Zusatzgas und ohne endgültige Abtrennung von Erdgasbestandteilen — auf einem konstanten Wert gehalten werden kann.

Das neue Verfahren zum Aufrechterhalten etwa des gleichen Heizwerts von als Brenngas dienendem Erdgas am Auslaß eines einen Lagerbehälter für verflüssigtes Erdgas aufweisenden Erdgaszwischenlagerungssystems wie denjenigen, den es an dessen Einlaß aufweist, geht aus von einem solchen Verfahren, bei dem das Erdgas, das neben Methan noch Stickstoff sowie höhere Kohlenwasserstoffe enthält, unter höherem Druck und teilweise verflüssigt in das System eintritt, in welchem die höheren Kohlenwasserstoffe mindestens teilweise abgeschieden und das verbleibende, hauptsächlich Methan enthaltende Restgas mit Hilfe eines Kältemittels größtenteils verflüssigt und nach weiterer Abkühlung in den Lagerbehälter entspannt wird, aus dem das Restgas entnommen und nach Zumischen eines weiteren Gases zur Heizwertbeeinflussung als Brenngas aus dem Zwischenlagerungssystem abgezogen wird. Es ist erfindungsgemäß dadurch charakterisiert, daß die weitere Abkühlung des Restgases in mindestens einstufigem Wärmeaustausch im Gegenstrom mit einem auf einen Zwischendruck entspannten Teilstrom des flüssigen Restgases und mit aus dem Lagerbehälter abgezogenem verdampftem Restgas erfolgt und daß dem Restgas nach dem Wärmeaustausch die abgeschiedenen höheren Kohlenwasserstoffe in Abhängigkeit vom gewünschten Heizwert des Brenngases zugeführt werden.

Im Unterschied zum bekannten Verfahren läßt sich der Heizwert des aus dem Lagersystem abgezogenen Gases ohne Verwendung eines fremden Zusatzgases und ohne Abtrennung von Gasbestandteilen auf dem Heizwert des Ausgangserdgases halten. Da ein Teilstrom des Restgases gedrosselt wird und damit stickstoffhaltiges Gas zusammen mit dem aus dem Lagerbehälter abgezogenen verdampften Gas dem System entnommen werden kann, lassen sich zur Heizwertbeeinflussung die verflüssigten Kohlenwasserstoffe verwenden. Die Anlage zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich gegenüber der bekannten erheblich einfacher aufbauen, da der gedrosselte Teilstrom und das Restgas aus dem Lagerbehälter zur Kühlung des flüssigen Restgases verwendet werden.

Es ist zweckmäßig, den Wärmeaustausch zur weiteren Abkühlung des Restgaees stufenweise vorzunehmen und nach jedem Wärmeaustausch einen Teilstrom des flüssigen Erdgases jeweils auf einen Zwischendruck zu entspannen und im Gegenstrom zu dem flüssigen Restgas zu erwärmen, da dann ein größerer Anteil des Stickstoffes dem Auslaßgas direkt zugeführt wird und nicht den Lagerbehälter belastet. Erfolgt überdies die jeweilige Entspannung des Teilstroms des

ίο flüssigen Restgases in einem Abscheider und dient der hierbei abgeschiedene gasförmige Teil zum weiteren Abkühlen des Restgases, so ist die Abtrennung von Stickstoff und Methan noch vollkommener, so daß die Gefahr, daß zuviel im Methan gelöster Stickstoff in den Lagerbehälter gelangt, weiter verringert ist. Führt man schließlich gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens den in dem Lagerbehälter verdampften Teil des Restgaees dem entspannten Teilstrom des Restgases zwischen den Wärmeaustauschstufen zu, so kann die zweite Wärmeaustauschstufe relativ klein ausgebildet werden.

Die Erfindung ist an Hand von Zeichnungen ao zwei vorteilhaften Ausführungsbeispielen beschrieben. Es stellt dar

F i g. 1 ein Fließschaubild eines Erdgaszwischenlagerungssystems zur Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung und

F i g. 2 eine vorteilhafte Abwandlung des Erdgas-Zwischenlagerungssystems gemäß Fig. 1.

In das Erdgaszwischenlagerungssystem 10 tritt da« auf eine Temperatur von -68⁰C vorgekühlte Erdgas mit einem Druck von 42 at, einem Heizwert von 9210 kcal/Nm³ und einer Menge von 1,58 · 10^u m*/ Tag über Leitung 12 in den Abscheider 14, in dessen Unterteil sich 2,66 · 10^e m³/Tag höhere Kohlenwasserstoffe mit einem Heizwert von 15 100 kcal/Nm³ abscheiden, ein. Das eintretende Erdgas befindet sich in einem Zustand partieller Kondensation, damit die höheren Kohlenwasserstoffe im Abscheider 14 ausgeschieden werden können. Das über Leitung 20 am Kopf des Abscheiders 14 abgezogene gasförmige Restgas wird im Kühler 32 weitgehend verflüssigt, der mit Äthylen oder Freon als Kältemittel betrieben wird, um das Restgas auf -97⁰C zu kühlen. Das anschlie» ßend über Einlaß 16 in die Rohrschlangen 86 des Wärmeaustauschers 18 eintretende weitgehend verflüssigte Restgas wird dort auf etwa —132° C abgekühlt und über Auslaß 34 und Leitung 4Ö durch Einlaß 36 in die Schlangen 90 eines weiteren Wärmearatauschers 38 eingeleitet, an dessen Ausgang 42 es mit —151° C ansteht. Von dort gelangt es durch Leitung 46 zum unmittelbar vor dem Bodenlagerbehälter 44 angeordneten, über Leitung 62 druckgesteuerten Drosselventil 48, aus dem es direkt in den Lagerbehälter 44 entspannt wird, so daß sich im Lagerbehälter eine Temperatur von -161⁰C oder darüber bei Normaldruck einstellt. In den Lagerbehälter treten 7,8· 10¹⁰m³/Tag Gas mit einem Heizwert von 9205 kcal/Nm* ein. Als Lagerbehälter kommen außer BodenbehäHera in Felsen solche aus Metall über und unterhalb der Erdoberfläche oder Bodenbehälter mit gefrorenen Erdwänden und geeigneter Abdeckung zum Abzog der in ihnen entwickelten Dämpfe in Frage. Das Erdgas tritt in den Behälter 44 mit einem Zustand ein, bei dem dieses in annähernd flüssigem Zustand erhalten bleibt. Es sollte daher bei einer Temperatur von oberhalb —161°C eintreten. Um zur Lagerung nicht kontinuierlich Wärme abziehen zu müssen, läßt man einen

bestimmten Anteil des Flüssiggases abdestillieren und zieht es durch das Gebläse 76 mit einer Menge von 2,542 · 10¹⁰ m³/Tag ab. Als Kältemittel im Wärmeaustauscher 18 dient eine Teilmenge des verflüssigten Restgases, die über das temperaturgesteuerte Drosselventil 54, Leitung 50 und Einlaß 52 in ihn zum Gegenstromwärmeaustausch in den Rohrschlangen 84 od. dgl. mit einem Druck von etwa 5,6 at und der auf konstantem Wert gehaltenen Temperatur von -136⁰C eingeleitet wird und am Auslaß 26 mit einer Temperatur von—96° C, einem Heizwert von 9070kcal/Nm³ und einer Menge von 4,815 · 10¹⁰ m³/Tag in die Leitung 22 austritt. Zum Gegenstromwärmeaustausch im Wärmeaustauscher 38, aus dessen Rohrschlangen 90 das Restgas mit -151⁰C austritt, dient eine über Leitung 56 mit einer Menge von 1,42 · 10¹⁰ m³/Tag und einem Heizwert von 8980 kcal/Nm³ abgezogene Teilmenge, die über das temperaturgesteuerte Drosselventil 60, das über Leitung 66 mit Leitung 46 in Verbindung steht, direkt in den Einlaß 58 zu den Rohrschlangen 92 auf einen Druck von 1,24 at und eine Temperatur von —159 ⁰C entspannt wird. Das am Auslaß 70 mit —136°C anstehende Gas wird in Leitung 68 mit dem aus dem Lagerbehälter 44 über Gebläse 76 und Leitung 74 abgezogenen Gas vermischt und gemeinsam durch Einlaß 72 den dritten Rohrschlangen 88 des Wärmeaustauschers 18 zugeführt, an dessen Auslaß 78 diese Gasmenge mit — 100⁰C anfällt. Die Gasströme der Leitungen 22 und 80 werden gegebenenfalls zur Temperaturerhöhung durch einen Wärmeaustauscher 85 geleitet und, nachdem der Gasstrom in Leitung 80 von etwa 1,03 at auf den Gasdruck in Leitung 22 durch Kompressor 82 erhöht worden ist, in der Auslaßleitung 100 vereinigt. Dort werden 8,54 · 10¹⁰ m³/Tag Erdgas mit einem Heizwert 9210 kcal/Nm³ von +1O⁰C und 3,5 at abgezogen. Der Heizwert wird durch Zugabe der aus dem Abscheider 14 über das Drosselventil 28 und Leitung 24 abgezogenen und in Leitung 22 zugegebenen höheren Kohlenwasserstoffe auf dem angegebenen Wert gehalten. Hierzu wird ständig der Heizwert des Gases in der Auslaßleitung 100 mittels des Kalorimeters 30 gemessen, das über Leitung 31 das Drosselventil 28 steuert. Die höheren Kohlenwasserstoffe können auch in die Leitung 80 oder direkt in die Leitung 100 den entsprechenden Gasströmen zugeführt werden. Dadurch, daß der Heizwert des aus dem Lagerungssystem austretenden Gases etwa auf dem gleichen Wert wie dem des in das System eintretenden Gases gehalten wird, ist notwendigerweise auch der Heizwert des im Lagerbehälter 44 gespeicherten Flüssiggases ebenso hoch. Dem Abscheider 14 zugeordnete Regeleinrichtungen bewirken, daß im Abscheider 14 so viel flüssige höhere Kohlenwasserstoffe anfallen, daß die notwendigen Mengen zur Regelung des Heizwerts des Auslaßgases zur Verfügung stehen. Hierzu kann erforderlichenfalls die Temperatur des in den Abscheider 14 eingeleiteten, wenigstens teilweise verflüssigten Erdgases verändert werden, so daß eine größere oder niedrigere Menge flüssiger höherer Kohlenwasserstoffe abgeschieden wird.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Abwandlung der Anlage gemäß F i g. 1 wird das aus den dem Kühler nachgeschalteten Wärmeaustauschern austretende Restgas jeweils in einen Abscheider entspannt, aus dem die im Gegenstrom durch den vorgeschalteten Wärmeaustauscher zu führende Teilmenge am Kopf entnommen wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß die aus den Abscheidern abgezogenen Teilmengen stark stickstoffangereichert sind, so daß sie mit dem Produktstrom aus der Auslaßleitung austreten, ohne vorher den Lagerbehälter belastet zu haben. In F i g. 2 weisen die Anlagenteile, die denen der Anlage gemäß Fig. 1 gleichen, jeweils um 100 erhöhte Bezugszeichen auf. Bei einem Betriebsbeispiel strömen dem Abscheider 114 über die Leitung 112 1,657 · 10¹¹ m³/Tag teilweise verflüssigtes Erdgas mit einer

ίο Temperatur von —19°C und einem Druck von 42 at zu. Davon werden 6,17 · 10⁹ m³/Tag flüssige höhere Kohlenwasserstoffe mit einem Heizwert von 13 350 kcal/Nm³ abgeschieden. Das am Kopf des Abscheiders abgezogene Erdgas weist einen Heizwert von 9033 kcal/Nm³ auf und wird im nachgeschalteten Kühler 132 auf —97 ⁰C abgekühlt durch ein Kältemittel, das mit —100° C in den Kühler eintritt. Im Wärmeaustauscher 118 wird es auf — 108⁰C weitergekühlt und mittels des druckgesteuerten Drosselventils 154 auf 5,62 at und —134° C in den Abscheider 139 entspannt. Die an dessen Kopf über Leitung 150 abgezogene Teilgasmenge wird im Gegenstrom im Wärmeaustauscher 118 auf —100⁰C angewärmt und tritt in einer Menge von 4,815 · 10¹⁰ m³/Tag und mit einem Heizwert von 8900 kcal/Nm³ über Leitung 122 und durch den gegebenenfalls vorzusehenden Wärmeaustauscher 185 in die Auslaßleitung 200 ein. Das aus dem Abscheider 139 über Leitung 141 abgezogene flüssige Erdgas wird im zweiten Wärmeaustauscher 138 auf —138°C gekühlt und über Leitung 156 mittels des Drosselventils 160 in den zweiten Abscheider 145 auf 1,24 at und —159° C entspannt. Die Kühlung erfolgt durch die am Kopf des Abscheiders 145 über Leitung 149 abgezogene Teilgasmenge, die sich auf —137° C am Ausgang 170 erwärmt hat. Die Steuerung des Ventils 160 erfolgt mittels eines Standhöhegebers des Abscheiders 139. Auch das Drosselventil 148, mittels dessen das aus dem Abscheider 145 abgezogene verflüssigte Erdgas in den Lagerbehälter 144 entspannt wird, arbeitet in Abhängigkeit der Standhöhe des Abscheiders 145. Das aus dem Lagerbehälter und dem zweiten Wärmeaustauscher abgezogene gasförmige Restgas wird ebenso wie bei der Anlage gemäß Fig. 1 zusammengeführt und im ersten Wärmeaustauscher 118 im Gegenstrom zum zu verflüssigenden Erdgas auf —100° C erwärmt und nach gegebenenfalls weiterer Erwärmung der Auslaßleitung 200 zugeführt. Am Auslaß 126 des Wärmeaustauschers 118 stehen 4,815 · 10¹⁰ m³/Tag und am Ausgang 178 3,962 ■ 10¹⁰ m³/Tag jeweils mit einem Heizwert von 8900 kcal/Nm³ an. In den Wärmeaustauscher 118 treten insgesamt 7,08 · 10¹⁰ m³/Tag gasförmiges entspanntes Erdgas ein. Zur Heizwertbeeinflussung werden in die Leitung 122 6,17 · 10⁹ m³/Tag entspannte höhere Kohlenwasserstoffe mit einem Heizwert von 13 350 kcal/Nm³ in gleicher Weise wie bei der Anlage gemäß F i g. 1 eingeführt. Aus Leitung 200 treten 9,39 · 10¹⁰ m³/Tag Erdgas mit einem Heizwert von 9,205 kcal/Nm³, einer Temperatur von 1O⁰C und einem Druck von 3,51 at aus.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aufrechthalten etwa des gleichen Heizwerts von als Brenngas dienendem Erdgas am Auslaß eines einen Lagerbehälter für verflüssigtes Erdgas aufweisenden Erdgaszwischenlagerungssystems wie denjenigen, den es an dessen

Einlaß aufweist, bei dem das Erdgas, das neben Methan noch Stickstoff sowie höhere Kohlenwasserstoffe enthält, unter höherem Druck und teilweise verflüssigt in das System eintritt, in welchem die höheren Kohlenwasserstoffe mindestens teilweise abgeschieden und das verbleibende, hauptsächlich Methan enthaltende Restgas mit Hilfe eines Kältemittels größtenteils verflüssigt und nach weiterer Abkühlung in den Lagerbehälter entspannt wird, aus dem das Restgas entnommen und nach Zumischen eines weiteren Gases zur Heizwertbeeinflussung als Brenngas aus dem Zwischenlagerungssystem abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Abkühlung des Restgases in mindestens einstufigem Wärmeaustausch im Gegenstrom mit einem auf einen Zwischendruck entspannten Teilstrom des flüssigen Restgases und mit aus dem Lagerbehälter abgezogenem verdampften Restgas erfolgt und daß dem Restgas nach dem Wärmeaustausch die abgeschiedenen höheren Kohlenwasserstoffe in

Abhängigkeit vom gewünschten Heizwert des Trenngases zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch stufenweise erfolgt und nach jedem Wärmeaustausch ein Teilstrom des flüssigen Restgases jeweils auf einen Zwischendruck entspannt und im Gegenstrom zu dem flüssigen Restgas erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Entspannung des Teilstroms des flüssigen Restgases im Abscheider erfolgt und der hierbei abgeschiedene gasförmige Teil zum weiteren Abkühlen des Restgases dient.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der in dem Lagerbehälter verdampfte Teil des Restgases dem entspannten Teilstrom des Restgases zwischen den Wärmeaustauschstufen zugeführt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 2 541 569.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen