DE19707475A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents

Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, bei Verflüssigungsdrücken von < 40 bar durch indirekten Wärmetausch mit dem mehrkomponentigen Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes.
Bekannte Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmetausch mit dem mehrkomponentigen Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes weisen als Kältemittel des Kältemittelkreislaufes ein Gemisch aus Stickstoff und C6-- oder C5-- Kohlenwasserstoffen auf. Für den Betrieb eines derartigen Kältemittelkreislaufes müssen jedoch die einzelnen (Kohlenwasserstoff-)Komponenten des Kältemittels bzw. Kältemittelgemisches bereitgestellt und separat gelagert werden. Im Regelfall werden die für das Kältemittelgemisch benötigten (Kohlenwasserstoff-)Komponenten aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom gewonnen. Dies erfordert bei herkömmlichen Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes eine Vielzahl von Vortrennkolonnen, die der Abtrennung der für den Kältekreislauf benötigten (Kohlenwasserstoff-)Komponenten dienen, sowie gerade so viele Speicherbehälter, wie unterschiedliche (Kohlenwasserstoff-)Komponenten zwischengelagert werden sollen bzw. müssen. Desweiteren muß die Zusammensetzung des Kältemittels hinsichtlich einer Vielzahl von Komponenten fortlaufend überprüft werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, anzugeben, bei dem die genannten Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.
Dies wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß als Kältemittel des Kältemittelkreislaufes ein Gemisch aus Stickstoff und C3--Kohlenwasserstoffen verwendet wird.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bei Drücken zwischen 40 und 120 bar, insbesondere bei Drücken oberhalb von 60 bar, erfolgt.
Das erfindungsgemäße Kältemittelgemisch aus Stickstoff und C3--Kohlenwasserstoffen weist, gemäß einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens, für einen Verflüssigungsdruck von < 60 bar folgende Zusammensetzung auf:
Stickstoff: bis 10 Vol.-%, vorzugsweise bis 2 Vol.-%
Methan: bis 50 Vol.-%, vorzugsweise bis 40 Vol.-%
Äthan/Äthylen: bis 30 Vol.-%, vorzugsweise bis 20 Vol.-%
Propan/ Propylen: bis 60 Vol.-%, vorzugsweise bis 40 Vol.-%
Es hat sich gezeigt, daß sich mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes die spezifische Verflüssigungsleistung bei höheren Verflüssigungsdrücken und bei gleicher Wärmeübertragungsfläche im kalten Teil des Verflüssigungsprozesses nur unmerklich verringert. Gleichzeitig wird jedoch der Aufwand für die Bereitstellung des Kältemittels bzw. der Kältemittelkomponenten beträchtlich verringert; zum einen verringert sich die Zahl der benötigten Vortrennkolonnen und zum anderen die der benötigten (Zwischen-) Speicherbehälter. Zudem läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren bzgl. des Kältemittelkreislaufes einfacher regeln. Auch der Platzbedarf, der aufgrund der bisher benötigten Vortrennkolonnen und Speicherbehälter vergleichsweise groß ist, kann entsprechend verringert werden. Dies alles hat zur Folge, daß der Investitionskostenaufwand eines derartigen Verflüssigungsverfahrens deutlich verringert werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren, weitere Ausgestaltungen desselben und die daraus resultierenden Vorteile gegenüber den zum Stand der Technik zählenden Verfahren seien anhand der Fig. näher erläutert.
Die Figur zeigt ein lediglich schematisch dargestelltes Verflüssigungsverfahren für einen Kohlenwasserstoff-reichen Strom, insbesondere für einen Erdgas-Strom, wie es z. B. im Rahmen einer LNG-Baseload-Anlage Verwendung findet.
Bei dem Verfahren gemäß der Figur wird der über die Leitung 1 herangeführte Kohlenwasserstoff-reiche Strom, der zuvor bereits von höheren Kohlenwasserstoffen, Wasser und unter Umständen in in der Figur nicht dargestellten Reinigungsstufen, wie z. B. einer Kohlendioxid-Wäsche, von unerwünschten Komponenten befreit wurde, einem (gewickelten) Wärmetauscher E1 zugeführt. In diesem wird er im Gegenstrom zu dem Kältemittelgemisch des mehrkomponentigen Kältemittelkreislaufes, auf den im folgenden noch näher eingegangen werden wird, abgekühlt und verflüssigt.
Der in dem gewickelten Wärmetauscher E1 abgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird anschließend über Leitung 2 einem möglichen zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem weiter abgekühlt.
Der so abgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird nunmehr über Leitung 3 und Entspannungsventil a der Trennkolonne T zugeführt. Alternativ zu dem Entspannungsventil a können auch ein oder mehrere Flüssigkeits-Expander - in der Figur nicht dargestellt - vorgesehen sein.
Am Kopf der Trennkolonne T wird über Leitung 4, in der ein Verdichter V3 vorgesehen sein kann, eine gasförmige Stickstoff-reiche Fraktion abgezogen und ihrer weiteren Verwendung zugeführt.
Über Leitung 5 wird aus dem Sumpf der Trennkolonne T eine flüssige Methan-reiche Fraktion abgezogen und mittels der Pumpe P ihrer weiteren Verwendung, wie z. B. einer Zwischenspeicherung in einem LNG-Tank S, etc., zugeführt.
Die Trennkolonne T weist einen Reboiler 12 auf, weshalb aus dem unteren Bereich der Trennkolonne T eine Flüssig-Fraktion abgezogen, im Wärmetauscher E2 im indirekten Wärmetausch gegen den zu unterkühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom in der Leitung 2 verdampft und anschließend der Trennkolonne T unterhalb der Abzugsstelle wieder zugespeist wird.
Diese Trennkolonne T ist jedoch nur dann erforderlich, wenn der Stickstoffgehalt in dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom eine Abtrennung des Stickstoffes aus dem verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Strom erfordert. Sollte dies nicht der Fall sein, würde der über Leitung 3 aus dem Wärmetauscher E2 abgezogene Kohlenwasserstoff-reiche Strom in einen Abscheider entspannt und die Flüssigkeit aus diesem Abscheider direkt der Pumpe P bzw. der Zwischenspeicherung in einem LNG-Tank S, etc., zugeführt oder direkt in einen LNG-Tank S entspannt.
Es sei nun der Kältemittelkreislauf, der der Abkühlung und Verflüssigung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, näher erläutert.
Das Kältemittel dieses Kältemittelkreislaufes besteht erfindungsgemäß aus einem Gemisch aus Stickstoff und C3--Kohlenwasserstoffen. Das in dem Wärmetauscher E1 angewärmte Kältemittel(gemisch) wird über Leitung 6 aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen und dem ersten Kreislaufverdichter V1 des Kältemittelkreislaufes zugeführt. Nach erfolgter Verdichtung wird das Kältemittel in dem dem Kreislaufverdichter V1 nachgeschalteten Wärmetauscher E5 gegen ein Kühlmedium, wie z. B. Wasser oder Luft, abgekühlt und anschließend in dem zweiten Kreislaufverdichter V2 auf den höchsten Druck innerhalb des Kältemittelkreislaufes verdichtet. Die beiden Kreislaufverdichter V1 und V2 können z. B. mittels einer Gasturbine GT angetrieben werden. Selbstverständlich kann das Kältemittel auch in mehr als zwei Stufen verdichtet werden. Das verdichtete Kältemittel wird anschließend in einem weiteren Wärmetauscher E6 abgekühlt und teilkondensiert, wonach es über Leitung 7 dem Abscheider D1 zugeführt wird.
Aus dem Sumpf des Abscheiders D1 wird über Leitung 8 ein flüssiger Teilstrom des Kältemittels, bestehend im wesentlichen aus C3- und C2-Kohlenwasserstoffen abgezogen, im Wärmetauscher E1 abgekühlt und nach einer Entspannung im Entspannungsventil b wiederum dem Wärmetauscher E1 zugeführt.
Die am Kopf des Abscheiders D1 über Leitung 9 abgezogene gasförmige, Stickstoff- und C1-Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion wird ebenfalls dem Wärmetauscher E1 zugeführt, in diesem abgekühlt und teilkondensiert. Anschließend wird diese teilkondensierte Fraktion einem zweiten Abscheider D2 zugeführt.
Aus dem Sumpf des zweiten Abscheiders D2 wird über Leitung 10 eine flüssige C1-Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen und im Wärmetauscher E1 abgekühlt. Anschließend wird diese Fraktion im Entspannungsventil c entspannt und in den Wärmetauscher E1 zurückgeführt.
Am Kopf des zweiten Abscheiders D2 wird über Leitung 11 eine gasförmige, Stickstoff­ reiche Fraktion abgezogen und im Wärmetauscher E1 abgekühlt. Anschließend wird sie in dem Entspannungsventil d entspannt und ebenfalls in den Wärmetauscher E1 zurückgeführt. Die Stickstoff-reiche Fraktion des Kältemittels dient der Bereitstellung der für den Verflüssigungsprozeß benötigten Spitzenkälte in dem Wärmetauscher E1. Die entspannte Stickstoff-reiche Fraktion wird in dem Wärmetauscher E1 im Gegenstrom zu dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom und den erwähnten Hochdruck-Kältemittelfraktionen geführt, mit den anderen entspannten Fraktionen des Kältemittels vereinigt und schließlich wieder über Leitung 6 dem Kreislaufverdichter V1 zugeführt.
Alternativ können einzelne oder alle der in der Figur dargestellten Entspannungsventile b, c und d des Kältemittelkreislaufes auch als Flüssigkeits-Expander ausgebildet sein.

Claims (3)

1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, bei Verflüssigungsdrücken von < 40 bar durch indirekten Wärmetausch mit dem mehrkomponentigen Kältemittel eines Kältemittelkreislaufes, dadurch gekennzeichnet, daß als Kältemittel des Kältemittelkreislaufes ein Gemisch aus Stickstoff und C3--Kohlenwasserstoffen verwendet wird.
2. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verflüssigung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bei Drücken zwischen 40 und 120 bar, insbesondere bei Drücken < 60 bar, erfolgt.
3. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch aus Stickstoff und C3--Kohlenwasserstoffen für einen Verflüssigungsdruck von < 60 bar folgende Zusammensetzung aufweist:
Stickstoff: bis 10 Vol.-%, vorzugsweise bis 2 Vol.-%
Methan: bis 50 Vol.-%, vorzugsweise bis 40 Vol.-%
Äthan/Äthylen: bis 30 Vol.-%, vorzugsweise bis 20 Vol.-%
Propan/Propylen: bis 60 Vol.-%, vorzugsweise bis 40 Vol.-%.
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