DE4440401A1 - Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas - Google Patents

Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines unter Druck stehenden Erd­ gasstromes, bei dem der Erdgasstrom zunächst mittels einer adsorptiven Abtrennvor­ richtung von CO₂ und H₂O gereinigt und der vorgereinigte Erdgasstrom anschließend in Wärmetausch mit wenigstens einem in einem Kältekreislauf geführten Kältemittel gebracht und verflüssigt wird und bei dem die adsorptive Abtrennvorrichtung mittels eines Regeneriergases, bestehend aus einem Teilstrom des vorgereinigten Erdgas­ stromes und gegebenenfalls weiterer Restgasströme, wie z. B. einem Flashgasstrom, regeneriert wird.
Ein Verfahren zum Verflüssigen eines unter Druck stehenden Erdgasstromes ist z. B. aus der DE-OS 28 20 212 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der unter Druck stehende Erdgasstrom in Wärmetausch mit zwei im geschlossenen Kreisläufen geführten Kältemitteln, die jeweils verdichtet, mindestens teilweise verflüssigt und ent­ spannt werden, gebracht, wobei das Kühlmittel des ersten Kreislaufes zur Vorkühlung des Erdgases sowie des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs und das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs zur Verflüssigung des vorgekühlten Erdgases verwendet wird. Das verflüssigte Erdgas wird anschließend entspannt und nach der Vorkühlung in zwei Teilströme aufgeteilt, von denen der eine durch Wärmetausch mit dem Kühlmittel des zweiten Kreislaufs und der andere durch Wärmetausch mit dem bei der Entspannung des verflüssigten Erdgases gebildeten Flashgases verflüssigt wird. Das Flashgas wird nach dem Wärmetausch mit dem vorgekühlten Erdgas verdichtet, mindestens teilweise in Wärmetausch mit den Kühlmitteln des ersten und des zweiten Kreislaufs verflüssigt und anschließend wieder entspannt. Erdgas besteht in der Regel im wesentlichen aus Methan, geringen Anteilen an Ethan, Propan und höhersiedenden Kohlenwasserstoffen sowie geringe Mengen Stickstoff, Kohlendioxid und Wasser. Vor der Abkühlung und Verflüssigung sind all diejenigen Komponenten, die während des Abkühl- bzw. Verflüs­ sigungsprozesses ausfrieren und damit zu Verlegungen in Leitungen und Ventilen füh­ ren könnten, aus dem Erdgas abzutrennen. Dies geschieht sinnvollerweise mittels einer adsorptiven Abtrennvorrichtung. In dieser können Kohlendioxid und Wasser bis auf sehr kleine Restgehalte abgetrennt werden, so daß die Gefahr des Ausfrierens dieser Komponenten im Tieftemperaturteil nicht mehr besteht. Das verwendete Adsorptions­ mittel, vorzugsweise ein Molsieb, ist jedoch zyklisch zu regenerieren. Dazu kann, wie in der DE-OS 28 20 212 vorgeschlagen, ein Teilstrom des Flashgases verwendet werden, wodurch sich die Bereitstellung eines besonderen Regeneriergases erübrigt. Das aus einem regenerierten Adsorber abgezogene Regeneriergas kann aufgrund seiner Zu­ sammensetzung anschließend z. B. zum Antreiben einer Gasturbine verbrannt werden. Häufig wird als Regeneriergas auch ein Teil des aus der adsorptiven Abtrennvorrich­ tung austretenden Erdgasstromes verwendet.
Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verflüssigen ei­ nes unter Druck stehenden Erdgasstromes anzugeben, das gegenüber den bekannten Verfahren eine verbesserte Energiebilanz aufweist.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß während des Abkühl- und Ver­ flüssigungsprozesses des Erdgasstromes wenigstens der zur Regenerierung der adsorptiven Abtrennvorrichtung benötigte Erdgasteilstrom bei Erreichen derjenigen Temperatur abgetrennt wird, bei der der Wirkungsgrad der Kältenutzung durch die Drosselung auf den Regeneriergasdruck maximal ist.
Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand der Figur erläutert.
Über Leitung 1 wird der Erdgasstrom, bestehend aus 1,0 Mol-% N₂, 94,0 Mol-% Met­ han, 2,0 Mol-% Ethan, 1,22 Mol-% C3+-Kohlenwasserstoffen, 1,75 Mol-% Kohlendioxid und 0,03 Mol-% Wasser bei einer Temperatur von 18°C und einem Druck von 42 bar der Adsorptionsvorrichtung A zugeführt. Diese besteht aus wenigstens zwei, parallel zueinander angeordneten Adsorbern, die zyklisch Adsorptions- und Regenerierphasen durchlaufen. Der vorgereinigte Erdgasstrom mit 50 ppm CO₂ und < 1 ppm H₂O verläßt mit einer Temperatur von 38°C und einem Druck von 40 bar die Adsorptionsvorrichtung A und wird über Leitung 2 durch die Wärmetauscher E1 und E2 geführt. Der nunmehr auf -73°C abgekühlte Erdgasstrom wird dem Abscheider D zugeführt. In diesem Ab­ scheider D erfolgt eine Abtrennung von Aromaten und schweren Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise C3+-Kohlenwasserstoffen, aus dem vorgereinigten Erdgasstrom. Diese Abtrennung von Aromaten und schweren Kohlenwasserstoffen ist notwendig, da diese ansonsten bei der Entspannung bzw. bei der weiteren Abkühlung ausfrieren würden. Die Aromaten- und schwere Kohlenwasserstoff-Fraktion wird über Leitung 4 aus dem Abscheider D abgezogen, im Ventil V2 kälteleistend entspannt und anschließend im indirekten Wärmetausch mit dem abzukühlenden Erdgasstrom in Leitung 2 mittels Lei­ tung 4′ durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführt. Diese in Leitung 4′ geführte Frak­ tion besteht im wesentlichen aus 61,0 Mol-% Methan, 12,0 Mol-% Ethan, 10,0 Mol-% Propan und 17,0 Mol-% C4+-Kohlenwasserstoffe und weist am Austritt des Wärme­ tauschers E1 eine Temperatur von 36°C und einen Druck von 9 bar auf. Sie wird nun der Leitung 7′, auf die später noch eingegangen wird, beigemischt. Die von Aromaten und schweren Kohlenwasserstoffen befreite Erdgasfraktion, bestehend im wesentlichen aus 1,0 Mol-% Stickstoff, 97,0 Mol-% Methan, 1,8 Mol-% Ethan und 0,2 Mol-% C3+- Kohlenwasserstoffen wird über Leitung 3 vom Kopf des Abscheiders D abgezogen und in den Wärmetauschern E2 und E3 weiter abgekühlt, verflüssigt und unterkühlt. Am Ausgang des Wärmetauschers E3 weist diese Fraktion bei einem Druck von 39,6 bar eine Temperatur von -133°C auf. Es erfolgt nun eine Entspannung im Ventil V1, bevor die Erdgasfraktion bei Atmosphärendruck und einer Temperatur von -161°C mittels Leitung 3′ dem Speichertank T zugeführt wird. Aus diesem kann über Leitung 6 ver­ flüssigtes Erdgas abgezogen werden. Das innerhalb des Speichertanks T anfallende Flashgas wird über Leitung 7 aus diesem abgeführt und im Gegenstrom zu dem abzu­ kühlenden Erdgasstrom durch die Wärmetauscher E3, E2 und E1 geführt. Am Austritt des Wärmetauschers E1 erfolgt mittels des Verdichters V eine Druckerhöhung auf den notwendigen Regeneriergasdruck. Das so verdichtete Flashgas wird nun über Leitung 7′ dem bzw. den zu regenerierenden Adsorbern der Adsorptionsvorrichtung A zuge­ führt. Diesem verdichteten Flashgas wird, wie bereits beschrieben, die mittels Leitung 4′ durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführte Aromaten- und/oder schwere Kohlen­ wasserstoff-Fraktion beigemischt. Die beiden, über Leitung 4′ und 7′ herangeführten Fraktionen können den Regeneriergasbedarf jedoch nicht vollständig decken. Aus die­ sem Grund ist es notwendig, einen Teil des vorgereinigten Erdgasstromes zu Regene­ riergaszwecken zu verwenden. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der dafür be­ nötigte Teilstrom des Erdgasstromes zwischen den beiden Wärmetauschern E2 und E3 abgezogen. Die Abzugsstelle ist bezüglich der Temperatur so zu wählen, daß der Wir­ kungsgrad der Kältenutzung durch die Entspannung des Erdgasteilstromes auf den notwendigen Regeneriergasdruck maximal ist. Diese Menge wird über Leitung 5 abge­ führt, im Ventil V3 unter Ausnutzung des Joule-Thompson-Effekts kälteleistend ent­ spannt und anschließend mittels Leitung 5′ im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Erdgasstrom durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführt. Während der über Leitung 5 abgezweigte Erdgasteilstrom vor dem Entspannungsventil V3 eine Temperatur von -126°C bei einem Druck von 39,7 bar aufweist, erfolgt im Entspannungsventil V3 eine Entspannung auf 9,3 bar. Am Ausgang des Wärmetauschers E1 schließlich weist die­ ser Teilstrom in Leitung 5′ eine Temperatur von 36°C auf und wird über Leitung 7′ der Adsorptionsvorrichtung A als Regeneriergas zugeführt. Nach erfolgter Regenerierung wird das Regeneriergas über Leitung 8 aus der Adsorptionsvorrichtung A abgezogen. Die Deckung des für die Abkühlung und Verflüssigung des Erdgasstromes benötigten Kältebedarfs erfolgt mittels eines zusätzlichen Kältekreislaufes. Dieser Kältekreislauf sei hier nur schematisch dargestellt, wobei über Leitung 9 und 10 das Kältemittel bzw. Kältemittelgemisch zur Abkühlung und teilweisen Verflüssigung durch die Wärme­ tauscher E1, E2 und E3 bzw. durch den Wärmetauscher E1 geführt wird, in den Ent­ spannungsventilen V4 und V5 kälteleistend entspannt und anschließend mittels Leitung 9′ im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Erdgasstrom durch die Wärmetauscher E3, E2 und E1 geleitet wird. Als Kältemittel haben sich Gemische aus Stickstoff und Methan oder Gemische aus Stickstoff, Methan sowie C₂- bis C₅-Kohlenwasserstoffen bewährt. Derartige Kältekreisläufe gehören jedoch zum Stand der Technik, so daß auf sie nicht näher eingegangen werden muß.
Es wäre auch denkbar, als den für die Regenerierung der Adsorptionsvorrichtung A benötigten Erdgasteilstrom, den am Sumpf des Abscheiders D abgezogenen Aromaten- und höhere Kohlenwasserstoff-reichen Strom zu verwenden. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn der Gehalt an Aromaten und höheren Kohlenwasserstoffen des die Adsorptionsvorrichtung A verlassenden Erdgasstromes so niedrig ist, daß auch bei einer Abkühlung auf diejenige Temperatur, die eine Entspannung auf den Regeneriergasdruck sinnvoll macht, diese Komponenten nicht bereits vor dem Abscheider D oder nach dem Entspannungsventil V2 ausfrieren und zu Verlegungen in den Leitungen führen. In der Regel wird schon aus Sicherheitsgründen der Abschei­ der D auf ein Temperaturniveau ausgelegt, das auch die Abtrennung einer größeren Menge an Aromaten und höheren Kohlenwasserstoffen ermöglicht.
Selbstverständlich ist es auch denkbar, nicht nur die zur Regenerierung der adsorptiven Abtrennvorrichtung benötigte Erdgasteilstrommenge aus dem Erdgasstrom abzu­ trennen, sondern die maximal an ein gegebenenfalls vorhandenes Niederdrucknetz abführbare Menge. Wie groß die aus dem Erdgasstrom abgetrennte Erdgasteilstrom­ menge sein wird, wird sich also immer nach den Randbedingungen, wie z. B. vorhandenes Niederdrucknetz, etc., orientieren.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nun das Druckgefälle zwischen Erd­ gasdruck und Regeneriergasdruck als Kältequelle ausgenutzt werden. Dies führt dazu, daß die für den Kältekreislauf benötigte Energie verringert werden kann, so daß sich der spezifische Energieverbrauch bei der Erdgasverflüssigung erniedrigt. Gerade der spezifische Energiebedarf ist neben den Investitionskosten der bestimmende Faktor für derartige Verfahren. Da der Joule-Thompson-Effekt eine größere Temperaturdifferenz bewirkt als dies bei bekannten Verfahren, die einen Teil des Erdgasstromes zu Rege­ nerierzwecken bereits unmittelbar hinter der Druckwechseladsorptionsvorrichtung A abziehen, der Fall ist, wird die benötigte Wärmeaustauschfläche trotz leicht erhöhtem Wärmeumsatz geringer. Dadurch erniedrigen sich zusätzlich die Kosten für die Wärme­ tauscher im kalten Teil des Verfahrens. Zusammenfassend läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren ohne einen Mehraufwand an Investitionen zu einer Erniedrigung des spezifischen Energieverbrauchs führt. Der Energieverbrauch ist hierbei direkt proportional zu der Teilstrommenge, die unter Ausnutzung des Joule- Thompson-Effekts entspannt wird.

Claims (1)

1. Verfahren zum Verflüssigen eines unter Druck stehenden Erdgasstromes, bei dem der Erdgasstrom zunächst mittels einer adsorptiven Abtrennvorrichtung von CO₂ und H₂O gereinigt und der vorgereinigte Erdgasstrom anschließend in Wärme­ tausch mit wenigstens einem in einem Kältekreislauf geführten Kältemittel gebracht und verflüssigt wird und bei dem die adsorptive Abtrennvorrichtung mittels eines Regeneriergases, bestehend aus einem Teilstrom des vorgereinigten Erdgasstro­ mes und gegebenenfalls weiterer Restgasströme, wie z. B. einem Flashgasstrom, regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abkühl- und Ver­ flüssigungsprozesses des Erdgasstromes wenigstens der zur Regenerierung der adsorptiven Abtrennvorrichtung benötigte Erdgasteilstrom bei Erreichen derjenigen Temperatur abgetrennt wird, bei der der Wirkungsgrad der Kältenutzung durch die Drosselung auf den Regeneriergasdruck maximal ist.
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