DE1501695B - Verfahren zum Verflüssigen von Na turgas - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ver- austausch mit dem Naturgas dieses vor seiner Verflüssigen von im wesentlichen Methan enthaltendem flüssigung weiter abkühlen.

Naturgas durch Wärmeaustausch mit zwei Kühl- Dadurch erfolgt die Kühlung bei dem erfindungs-

mitteln, von denen das erste aus einem Gemisch von gemäßen Verfahren im wesentlichen über einen

Methan und Äthan oder Äthylen und das zweite aus 5 normalen Wasserkühler, in den Wasser bei +18⁰C

Propan oder Propylen besteht. eingeführt wird, wodurch das komprimierte, erwärmte

Bekannt ist ein Verfahren zur Kühlung einer Gas- zweite Kühlmittel in ausreichendem Maße abgekühlt

mischung, ζ. B. Naturgas, das Butan, Propan, Äthan wird. Zur Kühlung muß also nur Energie für das Ver-

und zum größten Teil Methan enthält, auf niedrige dichten der beiden Kühlmittel aufgewendet werden,

Temperatur, mit dem mindestens ein Bestandteil der io wenn man die Pumpenenergie für den Wasserkühler

Mischung im flüssigen Zustand gewonnen wird. Bei vernachlässigt.

dem bekannten Verfahren wird die Gasmischung, In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung bez. B. Erdgas, einer fraktionierten Kondensation unter- steht das erste Kühlmittel aus 45 Volumprozent Meworfen. Hierbei durchläuft das Erdgas fünf hinter- than und 55 Volumprozent Äthan. Hierbei ist es einandergeschaltete Wärmeaustauscher. Drei der kon- 15 gemäß der Erfindung günstig, wenn das zweite Kühldensierten Fraktionen, nämlich Butan, Propan und mittel ein Gemisch bildet, welches durch Wärmeaus-Methan werden entspannt, in die vorgeschalteten tausch mit kaltem Wasser zu verflüssigen ist. Ein VerWärmeaustauscher zurückgeleitet und im Wärme- fahren, bei dem das Naturgas einen größeren Anteil austausch mit dem gegenströmenden Erdgas im Ver- flüchtigerer Bestandteile als Methan enthält und vor lauf der Kondensation desselben verdampft. Die ge- 20 seiner Verwendung auf Niederdruck entspannt oder nannten verdampften Fraktionen werden dann korn- gespeichert wird, ist gemäß der Erfindung besonders primiert und wieder, wenigstens teilweise, mit dem zu bevorzugt, wenn die bei der Entspannung oder der kühlenden Erdgas vereinigt. Dagegen wird der im Speicherung sich bildenden Dämpfe mindestens teilflüssigen Zustand zu gewinnende Bestandteil des Erd- weise wieder verdichtet und mit dem zu verflüssigenden gases, das Methan, nach seiner Kondensation in den 25 Naturgas vereinigt werden. Der zusätzliche Schaltungsletzten Wärmeaustauschern in drei Ventilen nach- aufwand einer solchen Anlage ist nicht erheblich, einander auf den Druck entspannt, bei dem es ge- steigert aber in vorteilhafter Weise den Wirkungsgrad, wonnen wird. Das Methan wird also im flüssigen Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des erfin-Zustand gewonnen. dungsgemäßen Verfahrens, bei dem das verflüssigte

In der bekannten Anlage, der sogenannten Kaskade 30 Naturgas auf einen niedrigen Druck entspannt wird, mit einheitlicher Strömung, besteht einer der Vorteile besteht darin, daß das erste Kühlmittel eine ausdarin, daß man nur einen Kompressor benötigt. reichende Stickstoffmenge enthält, damit seine Ver-Dadurch ist man jedoch an die Leistungskapazität der dampfung eine Unterkühlung des verflüssigten Naturverfügbaren Kompressoren gebunden. Für eine be- gases bewirkt, die eine Verdampfung desselben bei der sondere Anlage, deren Erfordernis an Leistung etwa 35 Entspannung verhindert.

1,2- bis l,5mal größer ist als die bekannter Korn- Unter den anderen Kühlmitteln, die getrennt oder

pressoren, bringt die Verwendung von zwei Korn- in Mischung zur Sicherstellung der Verflüssigung des

pressoren oder von zwei Verflüssigungseinheiten daher Kühlmittels auf Grundlage von Methan und Äthan

eine beachtliche Steigerung der Anlagekosten mit oder Äthylen durch ihre Verdampfung geeignet sein

sich. 40 können, sind besonders zu nennen Isobutan, Ammo-

Es besteht die Aufgabe der Erfindung, diese Nach- niak und Monochlordifluormethan.

teile dadurch zu vermeiden,· daß man die erforderliche Nachstehend wird als Ausführungsbeispiel an Hand

Uberschußleistung über einen unabhängigen Zyklus der Zeichnung eine Verflüssigungsanlage für Naturgas

aufbringt. Außerdem, insbesondere in dem Fall, wo beschrieben, bei der das Verfahren nach der Erfindung

der Gehalt an schweren Kohlenwasserstoffen bedeu- 45 durchgeführt wird und die einen Propankältekreis

tend ist und man diese zu entfernen wünscht, benötigt aufweist, der es gestattet, das Naturgas auf -35⁰C

man eine wesentliche Kühlleistung zur Sicherung des abzukühlen, worauf ein Kreis eines Gemisches aus

Rückflusses der Kolonne in einer relativ hohen Tem- Äthan und Methan folgt, der seine Verflüssigung

peraturzone, der Propan-Verdampfungszone, wobei sicherstellt.

die Kühlleistung wirtschaftlicher durch einen unab- 50 Das zu verflüssigende Naturgas steht unter einem

hängigen Zyklus, z. B. einen Propanzyklus, aufge- Druck von ungefähr 42 Bar und bei Umgebungs-

bracht wird. temperatur zur Verfügung. Seine Zusammensetzung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, nach einer eventuellen Reinigung in einem nicht dar-

daß das Naturgas im Gleichstrom mit dem ersten ver- gestellten Gerät zur Entfernung korrosiver Bestand-_;

dichteten Kühlmittel zum Wärmeaustausch mit dem 55 teile, wie Schwefelwasserstoff und sehr wenig flüchtiger !

zweiten Kühlmittel gebracht und dabei das Naturgas Kohlenwasserstoff, ist die folgende in Volumprozent: j

durch das im Gegenstrom verdampfende zweite Wasserstoff 017°/ '

Kühlmittel gekühlt und das erste Kühlmittel konden- Stickstoff 120 °/°

siert wird, worauf das erste Kühlmittel im Wärme- Methan 93*00 °/° i

austausch mit einer abgekühlten und entspannten 60 Äthan 415 °/° 1

Teilmenge von sich selbst weiter abgekühlt und sodann Prooan 110°/°

in eine erste und eine zweite Teilmenge aufgeteilt Butane 0 33°l°

wird, die beide entspannt werden und von denen die '

erste Teilmenge zur Weiterkühlung des ersten Kühl- Das durch Leitung 1 in einer Menge von 1042 nr'/h.

mittels dient, während die zweite Teilmenge im Wärme- 65 (zurückgeführt auf Normalbedingungen) ankommende

austausch mit dem Naturgas dieses verflüssigt, wonach Naturgas wird über Leitung 3 mit einem an Methan: ^:

die hierbei verdampften beiden Teilmengen des ersten und Stickstoff reichen brennbaren Gas in einer Menge ι

Kühlmittels wieder vereinigt werden und im Wärme- von 223 m³/h, dessen Herkunft später erläutere ^;

werden wird, nach dessen Wiederverdichtung im Kompressor 2 auf einen etwas über Luftdruck liegendem Druck versetzt. Die Mischung wird dann durch Leitung 4 zum Wärmeaustauscher 5 geschickt, wo sie mit flüssigem Propan im Verlaufe einer Verdampfung unter einem Druck von 4,3 Bar auf ungefähr +3⁰C abgekühlt wird. Sie geht dann durch Leitung 6 zum Wärmeaustauscher 7, wo sie durch Wärmeaustausch mit flüssigem Propan von annähernd Luftdruck auf etwa -35⁰C abgekühlt wird. Dann geht die Mischung durch Leitung 8 und die Parallelleitungen 9 und 10 zu den zwei Wärmeaustauschern 11 und 12, wo sie auf etwa — 80⁰C abgekühlt wird. Im Wärmeaustauscher 11 fließt sie im Gegenstrom zu einem brennbaren Gas, das hauptsächlich aus Methan und Stickstoff besteht und aus dem verflüssigten Naturgas bei seiner Entspannung und Speicherung abgetrennt wurde. Im Wärmeaustauscher 12 fließt die Mischung im Gegenstrom zu einer Gasmischung aus Äthan und Methan unter annähernd Luftdruck. Die beiden abgekühlten und teilweise verflüssigten Naturgasströme werden über die Leitungen 13 und 14 vereinigt und dann durch Leitung 15 zum Wärmeaustauscher 16 geschickt. Hier wird das Naturgas durch Wärmeaustausch mit dem Gasgemisch aus Äthan und Methan unter Niederdruck auf -90⁰C abgekühlt.

Das Naturgas wird dann durch Leitung 17 zum Wärmeaustauscher 18 geschickt, wo es sich im Gegenstrom mit flüssigem Äthan-Methan-Gemisch, das durch Leitung 74 nach Entspannung auf Niederdruck im Ventil 73 ankommt, auf ungefähr — 140⁰C abkühlt und verflüssigt. Das verflüssigte Naturgas· entspannt sich dann im Entspannungsventil 20 der Leitung 19 auf 1,1 Bar und tritt in den Abscheider 21 ein. Am Kopf des Abscheiders gehen durch Leitung 22 ungefähr 220 m³/h brennbares Gas mit 84 % Methan, 14,5% Stickstoff und 1,5% Wasserstoff ab. Am Boden des Abscheiders zieht man flüssiges Naturgas in einer Menge entsprechend etwa 1040 m³/h ab, das durch Leitung 23 in den Speicherbehälter 24 eingeführt wird. Aus letzterem werden die infolge Wärmeeinfalls gebildeten Dämpfe am Dom durch Leitung 25 abgeführt und durch diese Leitung mit dem vom Abscheider 21 kommenden Gas vereinigt. Das verflüssigte Naturgas, das in einer Menge von 1000 m³/h gewonnen worden ist und eine dem behandelten Gas sehr ähnliche Zusammensetzung hat, kann durch Leitung 26 zur Verbrauchsstelle geschickt werden.

Die an Methan und Stickstoff reichen, durch die Leitungen 22 und 25 abgezogenen brennbaren Gase werden nach Vereinigung in Leitung27 im Wärmeaustauscher 11 auf — 40⁰C wiedererwärmt. Dann gehen sie durch Leitung 28 und ein Teil in einer Menge von 223 m³/h durch Leitung 29 zum Kompressor 2, um I dort auf den Druck des Naturgases (etwas über Luft- ; druck) wieder verdichtet zu werden, während der I andere Teil von 42 m³/h zum Verbrauch beispielsweise in Dampfkesseln durch Leitung 30 abgeführt wird.

Der Propankühlkreis arbeitet mit zwei verschiedenen

Druckstufen. Man kann ihn jedoch auch mit einer größeren Zahl von Druckstufen arbeiten lassen, um eine mehr abgestufte Kältezuführung und damit eine

ι bessere Kühlungsausbeute zu erzielen. Das Propan ■ unter annähernd Luftdruck wird im Kompressor 58 , auf 4,3 Bar verdichtet. Es wird über Leitung 59 mit ;: dem unter diesem Mitteldruck verdampften Propan ti aus der Leitung 50 vereinigt und dann durch Leitung 40 in den Kompressor 41 eingeführt, der es auf einen Druck von 9,5 Bar bringt. Das verdichtete Propan in einer Menge von annähernd 1290 m³/h (zurückgeführt auf Normalbedingungen) wird durch Leitung 42 in den Wasserkühler 43 eingeführt, dessen mit +18⁰C eingeführter Wasserkreislauf mit 44 bezeichnet ist. In dieser Weise bei ungefähr +25⁰C verflüssigt geht das Propan durch Leitung 45 zum Entspannungsventil 46, wo sein Druck auf 4,3 Bar gesenkt wird, und dann

ίο zum Abscheider 47. In diesem werden ungefähr 266 m³/h Dämpfe freigesetzt, die durch die Leitungen 48 und 50 zur Saugseite des Kompressors 41 geschickt werden.

Das verbleibende flüssige Propan in einer Menge entsprechend 1020 m³/h Gas unter Normalbedingungen wird in zwei Teile geteilt. Der erste Teil in einer Menge von ungefähr 200 m³/h wird durch Leitung 51 zum Wärmeaustauscher 5 für eine Vorkühlung des Naturgases geschickt, wo er verdampft und sich aufungefähr —3°C erwärmt. Dann vereinigt er sich durch Leitung 49 mit den Dämpfen, die in den Leitungen 48 und 50 umlaufen und wird mit diesen unter 4,3 Bar wieder zur Saugseite des Kompressors 41 geschickt. Der zweite Teil des flüssigen Propans geht in einer Menge von ungefähr 820 m³/h durch Leitung 52 zum Wärmeaustauscher 53, wo er im Wärmeaustausch mit den Propandämpfen unter Niederdruck unterkühlt wird. Dann wird dieser Teil durch die Leitung 54 zum Entspannungsventil 55 geschickt, wo es sich annähernd auf Luftdruck entspannt. Er verdampft dann im Wärmeaustauscher 7 im Gegenstrom mit dem zu kühlenden Naturgas und Kühlmittel auf der Grundlage von Methan und Äthan. Dann kehrt der Propananteil durch Leitung 56 zum Wärmeaustauscher 53 zurück und erwärmt sich dort auf etwa —8⁰C, bevor er durch Leitung 57 zum Kompressor 58 der ersten Verdichtungsstufe zurückgeschickt wird.

Der Kühlkreis der Methan-Äthan-Mischung besitzt ebenfalls zwei Druckstufen. Das Kühlmittel besteht aus ungefähr 45 Volumprozent Methan und 55 Volumprozent Äthan. Sein Äthangehalt ist also ausreichend, um seine vollständige Verflüssigung unter einem Druck von 47,5 Bar im Wärmeaustausch mit dem flüssigen Propan zu gestatten, das bei annähernd Luftdruck siedet, während seine Verdampfung unter Luftdruck die vollständige Verflüssigung des Naturgases unter 42 Bar sicherstellt.

Die Methan-Äthan-Mischung, die unter einem etwas höheren Druck als Luftdruck durch Leitung 79 ankommt, wird durch den Kompressor 80 auf einen Druck von 6,8 Bar gebracht und dann über Leitung 81 mit dem Mitteldruckgemisch vereinigt, das durch Leitung 67 ankommt. Darauf wird die Gesamtmischung in einer Menge von 1500 Nm³/h durch den Kompressor 60 auf 48 Bar gebracht und gelangt durch Leitung 61 zum Wärmeaustauscher 5, wo sie im Gleichstrom mit dem Naturgas durch flüssiges Propan unter Mitteldruck auf +3⁰C abgekühlt wird. Das Gas geht dann durch die Leitung 62 zum Wärmeaustauscher dann durch die Leitung 62, zum Wärmeaustauscher 7, wo es mit Naturgas auf etwa -35⁰C abgekühlt wird; dann wird es im Gegenstrom mit flüssigem, unter Niederdruck verdampfendem Propan verflüssigt.

Das flüssige Methan-Äthan-Gemisch wird darauf durch Leitung 63 zum Wärmeaustauscher 64 geschickt, wo es sich durch indirekten Wärmeaustausch mit einem entspannten flüssigen Teilstrom derselben Mischung auf ungefähr —82° C abkühlt. Der im Ventil 66

entspannte Teilstrom wird wieder auf ungefähr —42° C erwärmt und durch Leitung 67 zur Saugseite des Kompressors 60 zurückgeschickt.

Der verbleibende unterkühlte Methan-Äthan-Teilstrom aus Leitung 65 geht durch Leitung 68 zum Wärmeaustauscher 69, wo er sich im Gegenstrom zu einem auf Niederdruck entspannten flüssigen Teilstrom auf ungefähr — 140°C unterkühlt. Von der durch Leitung 70 aus diesem Wärmeaustauscher austretenden unterkühlten Flüssigkeit wird ein erster Teilstrom von 505 m³/h im Ventil 71 auf etwa 1,5 Bar entspannt und durch Leitung 72 im Gegenstrom zur Druckflüssigkeit in den Wärmeaustauscher 69 zurückgeschickt. Der zweite Teilstrom von 535 m³/h wird im Ventil 73 ebenfalls auf 1,5 Bar entspannt und durch Leitung 74 in den Wärmeaustauscher 18 im Gegenstrom zu sich verflüssigendem Naturgas eingeführt. Die beiden auf ungefähr — 100⁰C wieder erwärmten Teilströme werden nach Verdampfung des Hauptteiles des darin enthaltenen Methans durch die Leitung 75 bzw. 76 abgezogen und dann durch Leitung 77 zum Wärmeaustauscher 16 geschickt, wo sich ihre Verdampfung unter Anhebung der Temperatur auf ungefähr —92°C fortsetzt. Die teilweise verdampfte Kältemischung geht dann durch Leitung 78 in _den Wärmeaustauscher 12, wo das darin enthaltene Äthan seinerseits verdampft und wo die Mischung sich im Gegenstrom zum abzukühlenden Naturgas auf —40° C erwärmt. Das so teilweise wieder erwärmte Gemisch wird durch Leitung 79 zum Kompressor 80 zurückgeschickt.

Der Energieverbrauch der eben beschriebenen Anlage geht nicht über ungefähr 500kwhbei einer Erzeugung von verflüssigtem Naturgas in einer Menge von 1000 Nm³/h hinaus.

Es versteht sich, daß die für den Ausgleich der unvermeidlichen Verluste der Propan- und Methan-Äthan-Kühlkreise erforderlichen Ergänzungsmengen leicht durch Abzapfen vom Naturgaskreis erhalten werden können, indem man die abgenommenen Mengen anschließend in kleine Rektifizierkolonnen einführt, um die gewünschten Komponenten zu erhalten. Selbstverständlich kann das verflüssigte Naturgas statt das Endprodukt der Zerlegung darzustellen, selbst als Kühlmittel bei der Verflüssigung eines flüchtigeren Gases, wie Stickstoff bzw. noch allgemeiner bei der Sicherstellung einer Kältezufuhr auf bestimmten Temperaturstufen benutzt werden.

Gewünschtenfalls kann man jede Verdampfung des Naturgases im Verlauf seiner Entspannung vermeiden, indem man dem ersten Kühlmittel 5 bis 25 % Stickstoff zusetzt. Auf diese Weise senkt man die Verdampfungstemperatur des Kühlmittels, was die Unterkühlung des verflüssigten Naturgases vor seiner Entspannung auf eine niedrigere oder gleiche Temperatur wie seine Siedetemperatur unter Niederdruck nach der Entspannung gestattet. Man kann dann den Kompressor 2 für die Rezyklierung der an Methan und Stickstoff reichen Dämpfe fortlassen.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Verflüssigen von im wesentlichen Methan enthaltendem Naturgas durch Wärmeaustausch mit zwei Kühlmitteln, von denen das erste aus einem Gemisch von Methan und Äthan oder Äthylen und das zweite aus Propan oder Propylen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß das Naturgas im Gleichstrom mit dem ersten verdichteten Kühlmittel zum Wärmeaustausch mit dem zweiten Kühlmittel gebracht und dabei das Naturgas durch das im Gegenstrom verdampfende zweite Kühlmittel gekühlt und das erste Kühlmittel kondensiert wird, worauf das erste Kühlmittel im Wärmeaustausch mit einer abgekühlten und entspannten Teilmenge von sich selbst weiter abgekühlt und sodann in eine erste

; und eine zweite Teilmenge aufgeteilt wird, die beide entspannt werden und von denen die erste Teilmenge zur Weiterkühlung des ersten Kühlmittels dient, während die zweite Teilmenge im Wärmeaustausch mit dem Naturgas dieses verflüssigt, wonach die hierbei verdampften beiden Teilmengen des ersten Kühlmittels wieder vereinigt werden und im Wärmeaustausch mit dem Naturgas dieses vor seiner Verflüssigung weiter abkühlen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kühlmittel aus 45 Volumprozent Methan und 55 Volumprozent Äthan besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Kühlmittel ein Gemisch bildet, welches durch Wärmeaustausch mit kaltem Wasser zu verflüssigen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Naturgas einen größeren Anteil flüchtigerer Bestandteile als Methan enthält und vor seiner Verwendung auf Niederdruck entspannt oder gespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Entspannung oder der Speicherung sich bildenden Dämpfe mindestens teilweise wieder verdichtet und mit dem zu verflüssigenden Naturgas vereinigt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das verflüssigte Naturgas auf einen niedrigen Druck entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Kühlmittel eine ausreichende Stickstoffmenge enthält, damit seine Verdampfung eine Unterkühlung des verflüssigten Naturgases bewirkt, die eine Verdampfung desselben bei der Entspannung verhindert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen