DE19848280A1 - Wärmetauscher und Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents

Wärmetauscher und Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes

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Abstract

Wärmetauscher, bestehend aus wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehr räumlich übereinander angeordneten Wärmeaustauschbereichen, insbesondere Rohrbündeln, wobei dem oder den Wärmeaustauschbereichen (E1, E2, E3) Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den oder die Wärmeaustauschbereiche (E1, E2) strömenden Medien von einem Wärmeaustauschbereich (E2, E3) in den oder die darunter liegenden Wärmeaustauschbereiche (E1, E2) und/oder in die vorgeschaltete(n) Leitung(en) (8, 11) zugeordnet sind. DOLLAR A Hierbei können die Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den Wärmetauscher (E) strömenden Medien als dem oder den Wärmeaustauschbereichen (E1, E2, E3) vorgeschaltete Leitungsabschnitte, die in Form von Schwanenhälsen (6', 8', 11', 13') angeordnet sind, ausgebildet werden. Zusätzlich oder alternativ können in den Leitungsabschnitten vor dem oder den Wärmeaustauschbereichen (E1, E2, E3) Rückschlagklappen angeordnet werden. DOLLAR A Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Abkühlung, Verflüssigung und gegebenenfalls Unterkühlung in einem Wärmetauscher der o. g. Art erfolgt. Hierbei werden der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom (6') und/oder die Kältemittelströme und/oder Kältemittelgemischströme (8', 11', 13') vor dem oder den Wärmeaustauschbereichen (E1, E2, E3) in Leitungsabschnitten, die in Form von Schwanenhälsen (6', 8', 11', 13') ausgebildet sind und/oder wenigstens eine ...

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, bestehend aus wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehr räumlich übereinander angeordneten Wärmeaus­ tauschbereichen, insbesondere Rohrbündeln.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff­ reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Abkühlung, Verflüssi­ gung und gegebenenfalls Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff­ reichen Stromes in einem Wärmetauscher, bestehend aus wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehr räumlich übereinander angeordneten Wärmeaus­ tauschbereichen, insbesondere Rohrbündeln, im Gegenstrom zu wenigstens einem Kältemittelstrom und/oder Kältemittelgemischstrom erfolgt.
In der Fig. 1 ist ein gattungsgemäßer Wärmetauscher E, der sich insbesondere für die Verflüssigung eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes 1, insbesondere eines Erdgasstromes, eignet, dargestellt.
In derartigen Wärmetauschern E erfolgt in mehreren Schritten ein Abkühlen, Verflüssigen und Unterkühlen des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes 1. Der Wärmetauscher E kann, wie in der Fig. 1 gezeigt, in einer Cold-Box B angeordnet werden. Denkbar ist jedoch auch, den gesamten Wärmetauscher E, also die Wärmetauscherkolonne, und lediglich die einzelnen Leitungen isoliert auszuführen.
Der Wärmetauscher E besteht vorzugsweise aus mehreren übereinander angeordneten Rohrbündeln, wobei jedes Rohrbündel einen Wärmeaustauschbereich E1, E2 bzw. E3 definiert. Eine wie in der Fig. 1 gezeigte Konstruktion wird als gewickelter Wärmetauscher bezeichnet. Bei dieser Wärmetauscherkonstruktion werden der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom und die Kältemittel­ ströme und/oder Kältemittelgemischströme, auf die im folgenden noch näher eingegangen werden wird, im Kreuzgegenstrom zu einem oder mehreren verdampfenden Kältemittelströmen und/oder Kältemittelgemischströmen geführt.
Über Leitung 1 wird der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom 1 dem Wärmetauscher E, genauer dem ersten Rohrbündel und Wärmeaustauschbereich E1 zugeführt. In diesem wird der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom 1 gegen den aus dem Sumpf des Abscheiders D abgezogenen, höhere Kohlenwasser­ stoffe enthaltenden Restgasstrom sowie den oder die entlang der Wärmetauscher­ bündel E1 bis E3 strömenden Kältemittel(gemisch)ströme, auf die im folgenden noch näher eingegangen wird, abgekühlt.
Anschließend wird der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom über Leitung 2 dem bereits erwähnten Abscheider D, in dem die höheren Kohlenwasser­ stoffe abgetrennt werden, zugeführt. Die so abgetrennten höheren Kohlenwasser­ stoffe werden im Wärmeaustauschbereich E1 angewärmt und über Leitung 4 aus der Anlage abgeführt. Auf diesen Abtrennschritt kann selbstverständlich dann verzichtet werden, wenn der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom keine abzutrennenden Komponenten (mehr) enthält.
Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung 5 ein im wesentlichen C2-Kohlen­ wasserstoff-reicher Gasstrom abgezogen und dem zweiten Wärmeaustauschbereich E2 zugeführt. In diesem erfolgt die weitere Abkühlung und Verflüssigung dieses Stromes gegen die bereits genannten Kältemittel(gemisch)ströme.
Daran anschließend wird der verflüssigte Strom über Leitung 6 einem dritten Wärmeaustauschbereich E3 zugeführt und in diesem unterkühlt. Der so verflüssigte und unterkühlte, im wesentlichen C2-Kohlenwasserstoffe enthaltende Flüssigstrom wird über Leitung 7 aus dem Wärmetauscher E sowie der Cold-Box B abgezogen.
Der Wärmetauscher E weist bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Verfahren lediglich einen Kältemittel(gemisch)kreislauf auf, der vor der Zuführung in den Wärmetauscher E in einen Gas- (Leitung 11) und einen Flüssigstrom (Leitung 8) zerlegt wird. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr Kältemittel(gemisch)- kreisläufe als "Kältelieferanten" vorgesehen werden. Der flüssige Kältemittel­ (gemisch)strom wird dem Wärmetauscher E über Leitung 8 zugeführt, im ersten Wärmeaustauschbereich E1 abgekühlt, über Leitung 9 dem zweiten Wärmeaus­ tauschbereich E2 zugeführt und in diesem weiter abgekühlt. Der Kältemittel(gemisch)- strom wird anschließend über Leitung 10, in der ein Entspannungsventil V1 vorgesehen ist, oberhalb des zweiten Wärmeaustauschbereiches E2 in die Wärme­ austauschkolonne E entspannt. Er strömt entlang der Wärmeaustauschbereiche E2 und E1 in den Sumpf der Kolonne und wird aus diesem über Leitung 15 abgezogen.
Der gasförmige Kältemittel(gemisch)strom wird dem Wärmetauscher E über Leitung 11 zugeführt. Wiederum erfolgt in den Wärmeaustauschbereichen E1, E2 sowie E3 ein Abkühlen dieses Kältemittel(gemisches), bevor es über Leitung 14, in der ebenfalls ein Entspannungsventil V2 angeordnet ist, in den Bereich oberhalb des dritten Wärmeaustauschbereiches E3 der Wärmeaustauschkolonne E zugeführt wird und entlang der Wärmeaustauschbereiche E3, E2 und E1 in den Sumpf der Kolonne strömt.
Aus energetischen und strömungstechnischen Gründen befindet sich das kalte Ende des Wärmetauschers E oben. Die Kondensation findet somit aufwärts, die Verdampfung abwärts statt. Die Temperaturdifferenz zwischen dem warmen und kalten Ende des Wärmetauschers E beträgt dabei je nach Verfahren bis zu 190°C.
Bei Anlagenstörungen, wie Ausfall des Kreislaufverdichters oder Unterbrechung der- Zufuhr des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes 1, läuft kalte Flüssigkeit von oben nach unten. Dadurch kommt es zu einer Verwischung des stationär aufgeprägten Temperaturprofils entlang des Wärmetauschers E.
Am warmen Ende des Wärmetauschers E resultieren dadurch deutlich niedrigere Temperaturen und es kommt zu einer Ansammlung von Flüssigkeit im Sumpf der Wärmetauscherkolonne E. Abhängig von dem realisierten Verflüssigungsverfahren kann die Temperatur im Sumpf der Wärmetauscherkolonne E von z. B. +20°C auf -50°C absinken.
Damit gehen folgende Nachteile einher:
  • - Die Werkstoffe am warmen Ende des Wärmetauschers E, der prozeßmäßig angrenzenden Apparate und der verbindenden Rohrleitungen müssen ebenfalls für die tiefsten Temperaturen ausgelegt werden; dies führt zu erhöhten Investitions­ kosten.
  • - Aufgrund der zurücklaufenden Flüssigkeiten ergeben sich steile und unkontrollier­ bare Temperaturgradienten. Dies führt zu einer erheblichen Beanspruchung des bzw. der für den Wärmetauscher E verwendeten Materialien.
  • - Im Zuge der Wiederinbetriebnahme muß zunächst wiederum ein stationäres Temperaturprofil hergestellt werden. Dazu müssen Teile der Wärmetauscherkolonne E kälter, andere wärmer gefahren werden. Bei einem vorgegebenen maximal zulässigen Temperaturgradienten pro Zeiteinheit erfordert dies einen beträchtlichen Zeitaufwand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, sowie einen Wärmetauscher, der sich insbesondere für das genannte Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes eignet, anzugeben, daß bzw. der die genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher ist dadurch gekennzeichnet, daß dem oder den Wärmeaustauschbereichen Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den oder die Wärmeaustauschbereiche strömenden Medien von einem Wärmeaus­ tauschbereich in den oder die darunter liegenden Wärmeaustauschbereiche und/oder in die vorgeschaltete(n) Leitung(en) zugeordnet sind.
Aufgrund des Vorsehens der genannten Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den oder die Wärmeaustauschbereiche strömenden Medien können die oben angeführten Nachteile beseitigt werden. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher wird durch diese Mittel in mehrere Sektionen unterteilt, wobei ein Zurückfließen der Medien nur innerhalb der einzelnen Sektionen erfolgen kann.
Dies hat zur Folge, daß das Temperaturprofil bei einem Anlagenstillstand im wesentlichen erhalten bleibt, da das Zurückfließen von kalten bzw. tiefkalten Flüssigkeiten verhindert wird. Folglich können kostengünstigere Werkstoffe eingesetzt, die Materialbeanspruchung erniedrigt und die Wiederanfahrzeit verkürzt werden.
Den erfindungsgemäßen Wärmetauscher weiterbildend wird vorgeschlagen, daß die Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den Wärmetauscher strömenden Medien als dem oder den Wärmeaustauschbereichen vorgeschaltete Leitungs­ abschnitte, die in Form von Schwanenhälsen angeordnet sind, ausgebildet sind.
Hierbei sind die in Form von Schwanenhälsen angeordneten Leitungsabschnitte vorzugsweise so ausgebildet, daß aufgrund des Thermosiphoneffekts ein Zurückfließen der Medien verhindert wird.
Alternativ oder ergänzend zu dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers können die Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den Wärmetauscher strömenden Medien als in den Leitungsabschnitten vor dem oder den Wärmeaustauschbereichen angeordneten Rückschlagklappen ausgebildet werden.
Den erfindungsgemäßen Wärmetauscher weiterbildend wird vorgeschlagen, daß die Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den Wärmetauscher strömenden Medien lediglich in den Leitungsabschnitten, in denen abzukühlende Medien geführt werden, vorgesehen sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist dadurch gekennzeichnet, daß der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff­ reiche Strom und/oder die Kältemittelströme und/oder Kältemittelgemischströme vor dem oder den Wärmeaustauschbereichen in Leitungsabschnitten, die in Form von Schwanenhälsen ausgebildet sind und/oder wenigstens eine Rückschlagklappe aufweisen, geführt werden.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher, das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie weitere Ausgestal­ tungen desselben seien anhand der Fig. 2 näher erläutert.
Der Übersichtlichkeit halber sind in der Fig. 2 lediglich diejenigen Konstruktionsmerk­ male mit Bezugszeichen versehen, die sich von denjenigen der in der Fig. 1 dargestellten Wärmetauscherkonstruktion unterscheiden.
Die dem Wärmeaustauschbereich E1 das oder die Kältemittel oder Kältemittel­ gemische zuführenden Leitungsabschnitte sind erfindungsgemäß in Form von sog. Schwanenhälsen 8' und 11' ausgebildet. Ebenso die Leitungsabschnitte 6' sowie 13', über die der im wesentlichen C2-Kohlenwasserstoffe enthaltende Strom bzw. der dem Wärmetauscher E gasförmig zugeführte Kältemittel(gemisch)strom dem dritten Wärmeaustauschbereich E3 zugeführt werden.
Kommt es nunmehr zu einem Anlagenstillstand, kann, bei einer Ausgestaltung der Schwanenhälse wie in der Fig. 2 gezeigt, diejenige Flüssigkeit, die sich in den Leitungsabschnitten oberhalb der Schwanenhälse befindet, aufgrund des Thermosiphoneffekts nicht in die vorgeschalteten Wärmeaustauschbereiche bzw. Leitungen zurückfließen.
Anstelle der in der Fig. 2 dargestellten Schwanenhälse 6', 8', 11' sowie 13', können alternativ oder zusätzlich Rückschlagklappen in den entsprechenden Leitungsab­ schnitten vorgesehen werden.

Claims (6)

1. Wärmetauscher, bestehend aus wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehr räumlich übereinander angeordneten Wärmeaustauschbereichen, insbesondere Rohrbündeln, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder den Wärmeaustausch­ bereichen (E1, E2, E3) Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den oder die Wärmeaustauschbereiche (E1, E2) strömenden Medien von einem Wärmeaustauschbereich (E2, E3) in den oder die darunter liegenden Wärmeaus­ tauschbereiche (E1, E2) und/oder in die vorgeschaltete(n) Leitung(en) (8, 11) zugeordnet sind.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den Wärmetauscher (E) strömenden Medien als dem oder den Wärmeaustauschbereichen (E1, E2, E3) vorgeschal­ tete Leitungsabschnitte, die in Form von Schwanenhälsen (6', 8', 11', 13') angeordnet sind, ausgebildet sind.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die in Form von Schwanenhälsen angeordneten Leitungsabschnitte (6', 8', 11', 13') so ausgebildet sind, daß aufgrund des Thermosiphoneffekts ein Zurückfließen der Medien verhindert wird.
4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den Wärmetauscher (E) strömenden Medien als in den Leitungsabschnitten vor dem oder den Wärmeaustauschbereichen (E1, E2, E3) angeordneten Rückschlagklappen ausgebildet sind.
5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Verhindern des Zurückfließens von durch den Wärmetauscher (E) strömenden Medien lediglich in den Leitungsabschnitten (6', 8', 11', 13'), in denen abzukühlende Medien geführt werden, vorgesehen sind.
6. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Abkühlung, Verflüssigung und gegebenenfalls Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in einem Wärmetauscher, bestehend aus wenigstens einem, vorzugsweise zwei oder mehr räumlich übereinander angeordneten Wärmeaustauschbereichen, insbesondere Rohrbündeln, im Gegenstrom zu wenigstens einem Kältemittelstrom und/oder Kältemittelgemischstrom erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom (6') und/oder die Kältemittelströme und/oder Kältemittelgemischströme (8', 11', 13') vor dem oder den Wärmeaustauschbereichen (E1, E2, E3) in Leitungs­ abschnitten, die in Form von Schwanenhälsen (6', 8', 11', 13') ausgebildet sind und/oder wenigstens eine Rückschlagklappe aufweisen, geführt werden.
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