EP0975923B1 - Verfahren zum verflüssigen eines kohlenwasserstoff-reichen stromes - Google Patents

Verfahren zum verflüssigen eines kohlenwasserstoff-reichen stromes Download PDF

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EP0975923B1
EP0975923B1 EP98924120A EP98924120A EP0975923B1 EP 0975923 B1 EP0975923 B1 EP 0975923B1 EP 98924120 A EP98924120 A EP 98924120A EP 98924120 A EP98924120 A EP 98924120A EP 0975923 B1 EP0975923 B1 EP 0975923B1
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refrigerant mixture
liquefying
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EP98924120A
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Rudolf Stockmann
Wolfgang FÖRG
Manfred BÖLT
Manfred Steinbauer
Christian Pfeiffer
Pentti Paurola
Arne Olav Fredheim
Oystein Sorensen
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Linde GmbH
Equinor ASA
Original Assignee
Linde GmbH
Den Norske Stats Oljeselskap AS
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    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S62/00—Refrigeration
    • Y10S62/912—External refrigeration system
    • Y10S62/913—Liquified gas

Definitions

  • the invention relates to a process for liquefying a hydrocarbon-rich Electricity, especially a natural gas flow, through indirect heat exchange with the refrigerants of a refrigerant mixture circuit cascade, the Refrigerant mixture circuit cascade from at least 3 different ones Refrigerant mixture circuits having refrigerant compositions, the first of the 3 pre-cooling refrigerant mixture circuits, the second Refrigerant mixture circuit of the liquefaction and the third Refrigerant mixture circuit of the subcooling of the liquefied Hydrocarbon-rich electricity is used.
  • liquefaction processes are known in which the for Liquefaction does not require refrigeration energy using a refrigerant circuit cascade however, a mixed refrigerant cycle cascade is provided; see e.g. B. LINDE reports from technology and science, issue 75/1997, pages 3 - 8.
  • the ones in it The refrigerant circuit cascade described consists of a propane or propylene, an ethane or ethylene and a methane refrigeration cycle.
  • This Refrigerant circuit cascade can be viewed as energetically optimized, is however comparatively complicated due to the 9 compressor stages.
  • DE-A 35 21 060 A generic method is known from DE-A 35 21 060. This However, according to this knowledge, the procedure has never been implemented Service. The reason for this is likely to be that in DE-A 35 21 060 described method is comparatively complex in terms of plant technology and moreover has a comparatively high need for investment.
  • the object of the present invention is to provide a generic method for Liquefying a hydrocarbon-rich stream, in particular a natural gas stream, to specify a one compared to the named liquefaction processes has reduced specific energy consumption and the realization of a smaller antagen size and associated lower investment costs allows.
  • Such cold suction compressors have the advantage that the suction The medium should not be warmed up to ambient temperature before being drawn in must, which saves heating surface and thus the heat exchanger is dimensioned smaller and can be made cheaper.
  • the cold suction compression thus also enables the realization of a liquefaction process that a reduced specific compared to the known liquefaction processes Has energy consumption.
  • the first of the three coolant mixture circuits the refrigerant mixture circuit cascade - the so-called P recooling R efrigerant C ycle (PRC) -. Serves for cooling and partial or complete condensation of the required for the liquefaction and subcooling refrigerant mixtures as well as the pre-cooling of the hydrocarbon-rich stream.
  • the second refrigerant mixture circuit - the so-called L iquefaction R efrigerant C ycle (LRC) -. Is the partial or total condensation of the need for sub-cooling the refrigerant mixture and the condensation of the hydrocarbon-rich stream.
  • the third refrigerant mixture circuit - the so-called S ubcooling R efrigerant C ycle (SRC) -. Serves the necessary subcooling of the liquefied hydrocarbon-rich stream and the sub-cooling of the SRC-refrigerant mixture circuit itself.
  • SRC S ubcooling R efrigerant C ycle
  • the first of the three refrigerant mixture circuits as a refrigerant Ethylene or ethane
  • propane and butane are used.
  • This PRC mixed refrigerant circuit serves the provision of refrigerant in one Temperature range from ambient temperature to between approx. -35 and approx. -55 ° C.
  • the second of the three refrigerant mixture circuits as a refrigerant Methane
  • ethylene or ethane and propane are used.
  • the third of the three Refrigerant mixture circuits are preferably a mixture of refrigerants Nitrogen, methane and ethylene or ethane are used.
  • the third or SRC refrigerant mixture circuit is used for Provision of cold to between approx. -85 and approx. -160 ° C.
  • the procedure according to the invention leads to a reduction in the specific Energy consumption and investment costs because the three refrigerant mixture circuits optimally to the enthalpy-temperature curves of the hydrocarbon to be liquefied Current and the refrigerant mixtures are adapted or are adapted can. This compares to a dual flow refrigeration process
  • the more efficient procedure can either be the required liquefaction plant reduce and thus reduce the cost of the system or the capacity of the liquefying hydrocarbon-rich electricity can with constant Plant size can be enlarged.
  • the refrigerant required for the liquefaction of the hydrocarbon-rich stream is provided by at least three refrigerant mixture circuits.
  • a "P", "L” or “S” for P RC, L RC or S RC refrigerant mixture circuit is placed in front of the reference numerals of the individual refrigerant mixture circuits in FIGS. 1 to 5.
  • an optionally pretreated natural gas stream which has a temperature between 10 and 40 ° C. and a pressure between 30 and 70 bar, is fed via line 1 to a first heat exchanger E1.
  • the natural gas flow is pre-cooled to a temperature between -35 and -55 ° C. against the refrigerant mixture of the first or PRC-refrigerant mixture circuit in line P14, which has been expanded in an expansion valve P13.
  • the refrigerant mixture of the third or SRC refrigerant mixture circuit is the Heat exchanger E1 via line S5 with a temperature between 10 and 40 ° C and a pressure between 30 and 60 bar and counter in the heat exchanger E1 the previously mentioned refrigerant mixture in line P14 cooled and partially condensed, the refrigerant mixture in line P 14 at a pressure between 2 and 6 bar evaporated.
  • the refrigerant mixture of the SRC refrigerant mixture circuit leaves the heat exchanger E1 via line S6 a temperature between -35 and -55 ° C.
  • the refrigerant mixture of the second or LRC refrigerant mixture circuit is the Heat exchanger E1 via line L5 with a temperature between 10 and 40 ° C and fed a pressure between 15 and 25 bar and in the heat exchanger E1 the refrigerant mixture of the PRC refrigerant mixing circuit in line P14 condensed.
  • the refrigerant mixture in the LRC-refrigerant mixture circuit is switched off the heat exchanger E1 with a temperature between -35 and -55 ° C.
  • the evaporated and overheated refrigerant mixture of the PRC refrigerant mixture circuit in line P14 contains, according to an advantageous Embodiment of the method according to the invention, essentially 0 to 40 mol% Ethylene or ethane, 30 to 40 mol% propane and 20 to 30 mol% butane.
  • This Refrigerant mixture is the separator P1 with a pressure of 2 to 6 bar fed.
  • the gaseous gas drawn off at the top of the separator P1 via line P2 Refrigerant mixture is in the compressor P3 to a pressure between 6 and 10 bar compacted. This is followed, preferably against sea water, air or against an appropriate cooling medium, cooling the compressed Mixture in the cooler P4 to a temperature between 10 and 40 ° C.
  • the refrigerant mixture is then passed to another via line P5 Separator P6 fed.
  • the gaseous product at the top of the separator P6 Fraction of the refrigerant mixture is fed to the second compressor stage P8 and compressed to a pressure between 10 and 20 bar.
  • the liquid fraction from the separator P6 is by means of the pump P7, preferably a centrifugal pump, pumped to a pressure between 10 and 20 bar and then with the in the Compressor P8 merged compressed refrigerant mixture flow.
  • the compression of the refrigerant mixture of the first or PRC refrigerant mixture circuit preferably takes place in a two-stage, housed centrifugal compression device that both the cooler P4 and contains the separator P6.
  • Centrifugal compression device instead of Centrifugal compression device also an axial compression device be provided.
  • the compressed refrigerant mixture of the PRC-refrigerant mixture circuit is in the cooler P9, preferably against sea water or an equivalent Cooling medium, condensed and slightly up to a temperature range of 10 to 40 ° C supercooled.
  • the mixture of refrigerants is then added to line P10 Heat exchanger E1 supplied and in this to a temperature between -35 and -50 ° C against itself supercooled.
  • the evaporation temperature which after the Joule-Thomson expansion in Pressure relief valve P13 - or alternatively in a pressure relief turbine - achieved depends essentially on the degree of hypothermia before Expansion as well as the evaporation pressure in the temperature range between -38 and from -53 ° C.
  • the second or LRC refrigerant mixture circuit serves the liquefaction of the pre-cooled natural gas stream in line 2.
  • the refrigerant mixture of this LRC-refrigerant mixture circuit essentially consists from a mixture of 5 to 15 mol% methane, 0 to 80 mol% ethylene or ethane and 10 to 20 mole percent propane.
  • the pre-cooled natural gas flow is the heat exchanger E2 supplied via line 2, in this up to a temperature between -80 and -100 ° C cooled and then via line 3 from the heat exchanger E2 deducted.
  • the refrigerant mixture of the third or SRC refrigerant mixture circuit is the Heat exchanger E2 via line S6 with a temperature between -35 and -50 ° C supplied and against the refrigerant of the LRC-refrigerant mixture circuit in the Line L10 condensed.
  • the refrigerant mixture in line L10 evaporates a pressure level between 1.5 and 6 bar.
  • the cooled refrigerant mixture of the SRC refrigerant mixture circuit is at a temperature between -80 and -100 ° C withdrawn from the heat exchanger E2 via line S7.
  • the evaporated and overheated refrigerant mixture of the LRC-refrigerant mixture circuit in line L10 the separator L1 is connected with a Pressure supplied between 1.5 and 6 bar.
  • the one at the head of the separator L1 gaseous refrigerant mixture is fed to the compressor L3 via line L2 and compressed to a pressure between 10 and 20 bar.
  • the compressor is E3 preferably designed as a single-case axial or centrifugal compressor.
  • Such cold suction compressors have the advantage that the suction Medium does not have to be warmed up to ambient temperature before being drawn in, which saves heating area and thus reduces the size of the heat exchanger and can be made cheaper.
  • the compressed refrigerant mixture of the LRC-refrigerant mixture circuit is in the cooler L4, preferably against sea water or an equivalent Cooling medium, cooled down to a temperature between 10 and 40 ° C. That from the Cooler L4, drawn off via line L5, as previously mentioned, liquefied in the heat exchanger E1, via line L6 to the heat exchanger E2 fed and in this up to a temperature between -80 and -100 ° C against itself even hypothermic.
  • the evaporation temperature of the refrigerant mixture after the Joule-Thomson relaxation in the relaxation valve L9 - or alternatively in one Expansion turbine - is between -82 and -112 ° C.
  • the third or SRC refrigerant mixture circuit serves to subcool the liquefied hydrocarbon-rich electricity or natural gas electricity. This Hypothermia is sensible or necessary so that it does not exceed the required amount of the flash gas after the expansion of the liquefied hydrocarbon-rich Electricity occurs in a downstream nitrogen removal unit.
  • the refrigerant mixture of the third or SRC refrigerant mixture circuit consists of according to a further advantageous embodiment of the method according to the invention, essentially from a mixture of 0 to 10 mol% nitrogen, 40 to 65 mol% Methane and 0 to 40 mole% ethylene or 0 to 30 mole% ethane.
  • the liquefied hydrocarbon rich supplied via line 3 to the heat exchanger E3 Current is in the heat exchanger E3 up to a temperature of -150 to -160 ° C supercooled. After this supercooling, the hydrocarbon-rich or Natural gas electricity withdrawn via line 4 from the heat exchanger E3 and in essentially to atmospheric pressure using a Joule-Thomson relaxation in the relief valve 5 - or alternatively in a relaxation turbine - relaxed.
  • the refrigerant mixture supplied to the heat exchanger E3 via line S9 third or SRC refrigerant mixture circuit is in the heat exchanger E3 undercooled and then in the expansion valve S10 also a Joule-Thomson expansion subjected.
  • the expansion valve S10 can again an expansion turbine can be provided.
  • the relaxation in Relief valve S10 takes place at a pressure level between 2 and 6 bar.
  • the Evaporation of the refrigerant mixture in the heat exchanger E3 serves both Hypothermia of the already liquefied hydrocarbon-rich stream as well the self-subcooling of the refrigerant mixture of the SRC-refrigerant mixture circuit that has not yet relaxed.
  • the evaporated and overheated refrigerant mixture of the SRC refrigerant mixture circuit is fed to a separator S1 via line S11.
  • the gaseous refrigerant mixture obtained at the top of the separator S1 is over Line S2 fed to a compressor S3.
  • the refrigerant mixture emerging from the compressor S3 is then in the Cooler S4, preferably against sea water or an appropriate cooling medium, cooled.
  • each of the three refrigerant mixing circuits has Design of the method according to the invention, downstream of the respective Expansion valves P13, L9 and S10 a separator / storage tanks P11, L7 or S8.
  • these separators / storage tanks can also be used on everyone other suitable location of the refrigerant mixture circuits can be provided.
  • Control valves P15, L11 and S12 are provided in lines P16, L12 and S13. These control valves are used to control the fluid level within the Regulate separator / storage tank P 11, L7 or S8.
  • the control valves P15, L11 and S12 closed so that the separator / storage tank P11, L7 and S8 with the Refrigerant mixture of the respective refrigerant mixture circuit are filled; to it makes sense that the separators / storage tanks P11, L7 and S8 control valves - which are not shown in Figures 1 to 5 - are provided.
  • This will store the refrigerant mixture at the coldest point of the enables the respective refrigerant mixture circuit, whereby the start-up procedure at the restart is accelerated.
  • the separators / storage tanks P11, L7 and S8 should preferably be dimensioned so that they cover the entire Can store the mixed refrigerant quantity of a mixed refrigerant circuit.
  • the method according to the invention is further developed that the Compressors P8, P3, L3 and S3 driven by only one gas turbine drive G. become; represented by the dash-dotted line (Note: Even if the Figures 3 to 5 the names of the compressors or compressor stages compared Figures 1 and 2 have been changed, it should be clarified by the dash-dotted line, that even in these embodiments of the method according to the invention only one Compressor drive is required.).
  • FIG. 2 shows a liquefaction process for natural gas, which is essentially identical to that of FIG. 1. However, the first, second and third or PRC, LRC and SRC refrigerant mixture circuits are only partially shown for the sake of clarity.
  • the hydrocarbon-rich stream or natural gas stream to be liquefied becomes the Heat exchanger E1 supplied via line 1. On an appropriately chosen one Temperature level, it is withdrawn from the heat exchanger E1 via line 1 'and a separation column T1, which has a reboiler R1. This separation column T1 is used to separate heavy hydrocarbons at the bottom of the Separation column T1 are withdrawn via line 8.
  • the heavy hydrocarbons obtained at the top of the separation column T1 depleted natural gas is in turn the heat exchanger E1 via line 2 ' fed. In this it is cooled further and over as a partially condensed stream Line 2 "to a separator D. The accumulating in the bottom of the separator D. Liquid fraction is returned to the head by means of pump P1 via line 2 "' given the separation column T1. The one at the head of the separator Hydrocarbon-rich fraction is the heat exchanger E2 via line 2 fed and liquefied in this. The liquefied passes through line 3 Hydrocarbon-rich electricity then in the heat exchanger E3, in which he is hypothermic.
  • the supercooled liquefied hydrocarbon-rich stream is then over Line 4 of the separation column T2, wherein it is used for the purpose of heating the Reboilers R2 before relaxing in the relaxation valve 5 through the column sump to be led.
  • the separation column T2 is used to separate nitrogen and methane, one of which is these two components rich current at the top of the separation column T2 via line 6 is subtracted.
  • This nitrogen and methane-rich withdrawn via line 6 Electricity - the so-called tail gas - is in the heat exchanger E4 against a partial flow of the am Head of the separator D withdrawn hydrocarbon-rich stream that the Heat exchanger E4 is fed via line 9, heated.
  • the liquefied it Hydrocarbon-rich partial flow is then via line 10 and Expansion valve 11 also on the separation column T2 - either on the same Soil or any soil below the hydrocarbon-rich feed point Current in line 4 - given.
  • Figure 3 shows a further advantageous embodiment of the method according to the invention.
  • the first or PRC refrigerant mixture circuit is modified.
  • the LRC and SRC refrigerant mixture circuits are identical to those as shown in Figure 1.
  • the compressed (P3) refrigerant mixture is brought to a temperature in the cooler P4 cooled between 10 and 40 ° C and liquefied. Then it becomes the Heat exchanger E1 supplied via line P10 and supercooled in it. A partial flow of the supercooled refrigerant mixture is in the expansion valve P13 - or alternatively in a relaxation turbine - relaxed and in the heat exchanger E1 evaporated again. This partial refrigerant mixture stream is then piped P14 fed to the separator P1 at a pressure of 2 to 6 bar. That on the head of the Separator P1 drawn off via line P2 gaseous refrigerant mixture is in compresses the compressor P3 to a pressure between 6 and 10 bar.
  • a second partial flow of the liquefied and supercooled refrigerant mixture is opened withdrawn from a higher temperature level from the heat exchanger E1 and in Pressure relief valve P17 - or alternatively in a pressure relief turbine - relaxed.
  • Pressure relief valve P17 or alternatively in a pressure relief turbine - relaxed.
  • this partial flow of The refrigerant mixture also evaporates in the heat exchanger E1 and via line P18 fed to the separator P6. That at the head of the separator P6 via line P19 withdrawn gaseous refrigerant mixture is also the compressor P3 on one Intermediate pressure stage supplied.
  • Partial refrigerant mixture After mixing and compressing the two described Partial refrigerant mixture flows to approx. 15 to 20 bar in the compressor P3, preferably against sea water, against air or against a corresponding one Cooling medium, cooling and liquefying the compressed refrigerant mixture in the Cooler P4 at a temperature between 10 and 40 ° C.
  • the enthalpy-temperature diagram of the one to be evaporated and heated The mixed refrigerant flow of the PRC mixed refrigerant circuit can better match the Enthalpy-temperature diagrams of all flows to be cooled (natural gas flow, PRC, LRC and SRC refrigerant mixture circuit) can be adapted.
  • the very big one Gas flow on the suction side of the compressor P3 is divided into two flows. This requires additional piping and control equipment. The However, the dimensions of the pipelines are smaller. Overall, the Energy consumption of this embodiment of the method according to the invention lower.
  • FIGS. 4 and 5 show further advantageous configurations of the method according to the invention.
  • the first or PRC and / or the second or LRC refrigerant mixture circuit are modified.
  • the SRC refrigerant mixture circuit is identical to that as shown in Figures 1 and 3.
  • the SRC refrigerant mixture cycle is therefore not shown in full.
  • the first or PRC refrigerant mixture circuit is also identical to that as shown in FIG. 3.
  • the compressed and then in the cooler L4 to a temperature between 10 and Refrigerant mixture cooled to 40 ° C of the second or LRC refrigerant mixture circuit is first the heat exchanger E1 via line L5 fed and liquefied in this. Then the refrigerant mixture is over Line L6 supplied to the heat exchanger E2 and supercooled in it. A partial flow of the supercooled refrigerant mixture is in the expansion valve L9 - or alternatively in addition in a relaxation turbine - relaxed and evaporated in the heat exchanger E2. Then this refrigerant mixture partial flow is via line L10 Separator L1 supplied. That at the head of the separator L1 via line L2 withdrawn gaseous refrigerant mixture is in the compressor L3 to a pressure compressed between 10 and 20 bar.
  • a second partial flow of the supercooled refrigerant mixture of the LRC-refrigerant mixture circuit is at a higher temperature level from the Heat exchanger E2 removed and in expansion valve L13 - or alternatively in a relaxation turbine - relaxed.
  • this partial flow of the refrigerant mixture is also in the Heat exchanger E2 evaporates and is fed to separator L15 via line L14.
  • the gaseous gas drawn off at the top of the separator L15 via line L16 Refrigerant mixture is also the compressor L3 at an intermediate pressure level fed.
  • Cooler L4 After mixing the two partial refrigerant mixture flows described in the Compressor L3 takes place, preferably against sea water, against air or against an appropriate cooling medium, a cooling of the compressed refrigerant mixture in the Cooler L4 to a temperature between 10 and 40 ° C.
  • the compressed and then in the cooler L21 to a temperature between 10 and 40 ° C cooled and partially liquefied refrigerant mixture is first about Line L5 fed to a separator L13.
  • the gaseous fraction of the Refrigerant mixture is drawn off at the top of the separator L13 via line L6, liquefied in the heat exchanger E1 and supercooled in the heat exchanger E2.
  • the liquid part of the refrigerant mixture is obtained from the bottom of the separator L13 withdrawn via line L14, subcooled in the heat exchanger E1 and in the Heat exchanger E2 brought to a less low temperature level.
  • This liquefied and supercooled partial refrigerant mixture stream is then in the Pressure relief valve L15 - or alternatively in a pressure relief turbine - relaxed, also evaporated in the heat exchanger E2 and the evaporated Refrigerant mixture partial flow mixed in line L 10.
  • the relief valve L15 Separator / storage tank and the corresponding control valves in FIG. 5 not shown.
  • the gaseous gas drawn off at the top of the separator L1 via line L2 Refrigerant mixture is in the compressor L3 to a pressure between 6 and 10 bar compacted. This is followed, preferably against sea water, air or against an appropriate cooling medium, cooling the compressed Refrigerant mixture in the cooler L4 to a temperature between 10 and 40 ° C.
  • the refrigerant mixture is passed to another via line L16 Separator L17 supplied.
  • the gaseous product at the top of the L17 separator Fraction of the refrigerant mixture is via line L18 of the second compressor stage L19 fed and compressed to a pressure between 12 and 25 bar.
  • the Liquid fraction from the separator L17 is preferably by means of the pump L20 a centrifugal pump, pumped to a pressure between 12 and 25 bar and then with the mixed refrigerant flow compressed in the compressor L19 merged.
  • the compression of the refrigerant mixture of the second or LRC refrigerant mixture circuit preferably takes place in a two-stage, housed centrifugal compression device that both the cooler L4 and contains the separator L17.
  • Centrifugal compression device instead of Centrifugal compression device also an axial compression device be provided.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmetausch mit den Kältemitteln einer Kältemittelgemischkreislaufkaskade. Erfindungsgemäß besteht die Kältemittelgemischkreislaufkaskade aus wenigstens 3 unterschiedliche Kältemittelzusammensetzungen aufweisenden Kältemittelgemischkreisläufen. Hierbei dient der erste der 3 Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung (E1), der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung (E2) und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung (E3) des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (1). Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu einer Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs und der Investitionskosten, da die drei Kältemittelgemischkreisläufe optimal an die Enthalpie-Temperaturkurven des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffreichen Stromes sowie der Kältemittelgemische angepaßt sind bzw. angepaßt werden können.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmetausch mit den Kältemitteln einer Kältemittelgemischkreislaufkaskade, wobei die Kältemittelgemischkreislaufkaskade aus wenigstens 3 unterschiedliche Kältemittelzusammensetzungen aufweisenden Kältemittelgemischkreistäufen besteht, der erste der 3 Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient.
Auf möglicherweise notwendige Vorbehandlungsschritte des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vor der Verflüssigung, wie z. B. Sauergas- und/oder Quecksilber-Entfernung, Entfernung von aromatischen Komponenten, etc., die nicht Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind, wird im folgenden nicht näher eingegangen werden.
Heutzutage werden die meisten Baseload-LNG-Anlagen als sog. Dual-Flow-Refrigeration-Prozesse ausgelegt. Hierbei wird die für die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. des Erdgases benötigte Kälteenergie mittels zweier separater Kältemittelgemischkreisläufe, die zu einer Kältemittelgemischkreislaufkaskade geschaltet sind, bereitgestellt. Ein derartiges Verflüssigungsverfahren ist z. B. aus der GB-PS 895 094 bekannt.
Des weiteren sind Verflüssigungsverfahren bekannt, bei denen die für die Verflüssigung benötigte Kälteenergie mittels einer Kältemittelkreisiaufkaskade, nicht jedoch einer Kältemittelgemischkreislaufkaskade bereitgestellt wird; siehe z. B. LINDE-Berichte aus Technik und Wissenschaft, Heft 75/1997, Seite 3 - 8. Die darin beschriebene Kältemittelkreislaufkaskade besteht aus einem Propan- oder Propylen-, einem Ethan- oder Ethylen- und einem Methan-Kältekreistauf. Diese Kältemittelkreislaufkaskade kann zwar als energetisch optimiert angesehen werden, ist jedoch aufgrund der 9 Verdichterstufen vergleichsweise kompliziert.
Femer sind, wie z. B. in der DE-AS 19 60 301 beschrieben, Verflüssigungsverfahren bekannt, bei denen die für die Verflüssigung benötigte Kälteenergie mittels einer Kaskade, bestehend aus einem Kältemittelgemischkreislauf sowie einem Propan-Vorkühlungskreislauf, bereitgestellt wird.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist aus der DE-A 35 21 060 bekannt. Diese Verfahrensweise ist jedoch nach diesseitigem Wissen bisher niemals realisiert worden. Der Grund hierfür dürfte darin liegen, dass das in der DE-A 35 21 060 beschriebene verfahren anlagentechnisch vergleichweise aufwendig ist und zudem einen vergleichweise hohen Investitionsbedarf aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, anzugeben, das gegenüber den genannten Verflüssigungsprozessen einen verringerten spezifischen Energieverbrauch aufweist und dabei die Realisierung einer geringeren Antagengröße und damit verbunden geringeren Investitionskosten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Kältemittelgemische aller Kältemittelgemischkreisläufe verdampft und überhitzt und mittels kaltansaugender Verdichter verdichtet werden, wobei das Kältemittelgemisch des dritten Kältemittelgemischkreislaufes nur gegen den Kohlenwasserstoff-reichen Strom und gegen sich selbst verdampft und überhitzt wird.
Derartige kaltansaugende Verdichter besitzen den Vorteil, daß das anzusaugende Medium vor dem Ansaugen nicht bis auf Umgebungstemperatur erwärmt werden muß, wodurch Heizfläche eingespart und damit die Wärmetauscher kleiner dimensioniert und billiger hergestellt werden können. Die kaltansaugende Verdichtung ermöglicht somit auch die Realisierung eines Verflüssigungsprozesses, der gegenüber den bekannten Verflüssigungsprozessen einen verringerten spezifischen Energieverbrauch aufweist.
Der erste der drei Kältemittelgemischkreisläufe der Kältemittelgemischkreislaufkaskade - der sog. Precooling Refrigerant Cycle (PRC) - dient der Kühlung und der partiellen oder gänzlichen Kondensation der für die Verflüssigung und für die Unterkühlung benötigten Kältemittelgemische sowie der Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes. Der zweite Kältemittelgemischkreislauf - der sog. Liquefaction Refrigerant Cycle (LRC) - dient der partiellen oder gänzlichen Kondensation des für die Unterkühlung benötigten Kältemittelgemisches und der Kondensation des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes. Der dritte Kältemittelgemischkreislauf - der sog. Subcooling Refrigerant Cycle (SRC) - dient der notwendigen Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes und der Unterkühlung des SRC-Kältemittelgemischkreislaufes selbst.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den ersten der drei Kältemittelgemischkreisläufe als Kältemittel ein Gemisch aus Ethylen oder Ethan, Propan und Butan verwendet. Dieser PRC-Kältemittelgemischkreislauf dient der Kältemittelbereitstellung in einem Temperaturbereich von Umgebungstemperatur bis zwischen ca. -35 und ca. -55°C. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird für den zweiten der drei Kältemittelgemischkreisläufe als Kältemittel ein Gemisch aus Methan, Ethylen oder Ethan und Propan verwendet. Für den dritten der drei Kältemittelgemischkreisläufe wird vorzugsweise als Kältemittel ein Gemisch aus Stickstoff, Methan und Ethylen oder Ethan verwendet. Während der zweite bzw. LRC-Kältemittelgemischkreislauf Kälteenergie in einem Temperaturintervall von ca. -40 bis ca. -100°C bereitstellt, dient der dritte bzw. SRC-Kältemittelgemischkreislauf der Kältebereitstellung bis zwischen ca. -85 und ca. -160°C.
Die erfindungsgemäße Verfahrensführung führt zu einer Verringerung des spezifischen Energieverbrauchs und der Investitionskosten, da die drei Kältemittelgemischkreisläufe optimal an die Enthalpie-Temperaturkurven des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie der Kältemittelgemische angepaßt sind bzw. angepaßt werden können. Durch diese im Vergleich zu einem Dual-Flow-Refrigeration-Prozeß effizientere Verfahrensweise läßt sich entweder die benötigte Verflüssigungsanlage verkleinern und damit die Kosten der Anlage verringern oder die Kapazität des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes kann bei gleichbleibender Anlagengröße vergrößert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien anhand der Figuren 1 bis 5 näher erläutert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die für die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes benötigte Kältemittelbereitstellung durch wenigstens drei Kältemittelgemischkreisläufe. Der Übersichtlichkeit halber wird in den Figuren 1 bis 5 den Bezugszeichen der einzelnen Kältemittelgemischkreisläufe jeweils ein "P", "L" oder "S" für PRC-, LRC- bzw. SRC-Kältemittelgemischkreislauf vorangestellt.
Gemäß dem in der Figur 1 dargestellten Verfahren wird ein gegebenenfalls vorbehandelter Erdgasstrom, der eine Temperatur zwischen 10 und 40°C und einen Druck zwischen 30 und 70 bar aufweist, über Leitung 1 einem ersten Wärmetauscher E1 zugeführt. In diesem Wärmetauscher E1 wird der Erdgasstrom gegen den in einem Entspannungsventil P13 entspannten Kältemittelgemisch des ersten bzw. PRC-Kältemittelgemischkreislaufes in Leitung P14 auf eine Temperatur zwischen -35 und -55°C vorgekühlt.
Das Kältemittelgemisch des dritten bzw. SRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird dem Wärmetauscher E1 über Leitung S5 mit einer Temperatur zwischen 10 und 40°C und einem Druck zwischen 30 und 60 bar zugeführt und in dem Wärmetauscher E1 gegen das bereits erwähnte Kältemittelgemisch in Leitung P14 abgekühlt und teilweise kondensiert, wobei das Kältemittelgemisch in Leitung P 14 bei einem Druck zwischen 2 und 6 bar verdampft. Das Kältemittelgemisch des SRC-Kältemittelgemischkreislaufes verläßt den Wärmetauscher E1 über Leitung S6 mit einer Temperatur zwischen -35 und -55°C.
Das Kältemittelgemisch des zweiten bzw. LRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird dem Wärmetauscher E1 über Leitung L5 mit einer Temperatur zwischen 10 und 40°C und einem Druck zwischen 15 und 25 bar zugeführt und in dem Wärmetauscher E1 gegen das Kältemittelgemisch des PRC-Kältemitteigemischkreislaufes in Leitung P14 kondensiert. Das Kältemittelgemisch des LRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird aus dem Wärmetauscher E1 mit einer Temperatur zwischen -35 und -55°C abgezogen.
Das verdampfte und überhitzte Kältemittelgemisch des PRC-Kältemittelgemischkreislaufes in Leitung P14 enthält, gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens, im wesentlichen 0 bis 40 Mol-% Ethylen oder Ethan, 30 bis 40 Mol-% Propan und 20 bis 30 Mol-% Butan. Dieses Kältemittelgemisch wird dem Abscheider P1 mit einem Druck von 2 bis 6 bar zugeführt. Das am Kopf des Abscheiders P1 über Leitung P2 abgezogene gasförmige Kältemittelgemisch wird in dem Verdichter P3 auf einen Druck zwischen 6 und 10 bar verdichtet. Anschließend erfolgt, vorzugsweise gegen Meerwasser, gegen Luft oder gegen ein entsprechendes Kühlmedium, ein Abkühlen des verdichteten Käitemitteigemisches im Kühler P4 auf eine Temperatur zwischen 10 und 40°C.
Daran anschließend wird das Kältemittelgemisch über Leitung P5 einem weiteren Abscheider P6 zugeführt. Die am Kopf des Abscheiders P6 anfallende gasförmige Fraktion des Kältemittelgemisches wird der zweiten Verdichterstufe P8 zugeführt und in dieser auf einen Druck zwischen 10 und 20 bar verdichtet. Die Flüssigfraktion aus dem Abscheider P6 wird mittels der Pumpe P7, vorzugsweise einer Zentrifugalpumpe, auf einen Druck zwischen 10 und 20 bar gepumpt und anschließend mit dem in dem Verdichter P8 verdichteten Kältemittelgemischstrom zusammengeführt.
Die Verdichtung des Kältemittelgemisches des ersten bzw. PRC-Kältemittelgemischkreislaufes erfolgt vorzugsweise in einer zweistufigen, eingehäusigen Zentrifugalkompressionsvorrichtung, die sowohl den Kühler P4 als auch den Abscheider P6 enthält. Im Falle sehr großer Mengen kann anstelle der Zentrifugalkompressionsvorrichtung auch eine Axialkompressionsvorrichtung vorgesehen werden.
Das verdichtete Kältemittelgemisch des PRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird in dem Kühler P9, vorzugsweise gegen Meerwasser oder ein entsprechendes Kühlmedium, kondensiert und geringfügig bis zu einem Temperaturbereich von 10 bis 40°C unterkühlt. Anschließend wird das Kältemittelgemisch über die Leitung P10 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem bis auf eine Temperatur zwischen -35 und -50°C gegen sich selbst unterkühlt.
Die Verdampfungstemperatur, die nach der Joule-Thomson-Entspannung im Entspannungsventil P13 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - erzielt werden kann, hängt im wesentlichen von dem Grad der Unterkühlung vor der Expansion sowie von dem Verdampfungsdruck im Temperaturbereich zwischen -38 und -53°C ab.
Der zweite bzw. LRC-Kältemittelgemischkreislauf dient, wie bereits eingangs erwähnt, der Verflüssigung des vorgekühlten Erdgasstromes in Leitung 2. Das Kältemittelgemisch dieses LRC-Kältemittelgemischkreislaufes besteht im wesentlichen aus einem Gemisch aus 5 bis 15 Mol-% Methan, 0 bis 80 Mol-% Ethylen oder Ethan und 10 bis 20 Mol-% Propan. Der vorgekühlte Erdgasstrom wird dem Wärmetauscher E2 über Leitung 2 zugeführt, in diesem bis auf eine Temperatur zwischen -80 und -100°C abgekühlt und anschließend über Leitung 3 aus dem Wärmetauscher E2 abgezogen.
Das Kältemittelgemisch des dritten bzw. SRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird dem Wärmetauscher E2 über Leitung S6 mit einer Temperatur zwischen -35 und -50°C zugeführt und gegen das Kältemittel des LRC-Kältemittelgemischkreislaufes in der Leitung L10 kondensiert. Das Kältemittelgemisch in der Leitung L10 verdampft auf einem Druckniveau zwischen 1,5 und 6 bar. Das abgekühlte Kältemittelgemisch des SRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird mit einer Temperatur zwischen -80 und -100°C über Leitung S7 aus dem Wärmetauscher E2 abgezogen.
Das verdampfte und überhitzte Kältemittelgemisch des LRC-Kältemittelgemischkreislaufes in der Leitung L10 wird dem Abscheider L1 mit einem Druck zwischen 1,5 und 6 bar zugeführt. Das am Kopf des Abscheiders L1 anfallende gasförmige Kältemittelgemisch wird über Leitung L2 dem Verdichter L3 zugeführt und in diesem auf einen Druck zwischen 10 und 20 bar verdichtet. Der Verdichter E3 ist vorzugsweise als ein eingehäusiger Axial- oder Zentrifugalverdichter ausgebildet. Derartige kaltansaugende Verdichter besitzen den Vorteil, daß das anzusaugende Medium vor dem Ansaugen nicht bis auf Umgebungstemperatur erwärmt werden muß, wodurch Heizfläche eingespart und damit die Wärmetauscher kleiner dimensioniert und billiger hergestellt werden können.
Das verdichtete Kältemittelgemisch des LRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird in dem Kühler L4, vorzugsweise gegen Meerwasser oder ein entsprechendes Kühlmedium, bis auf eine Temperatur zwischen 10 und 40°C abgekühlt. Das aus dem Kühler L4 über Leitung L5 abgezogene Kältemittelgemisch wird, wie bereits erwähnt, in dem Wärmetauscher E1 verflüssigt, über Leitung L6 dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem bis auf eine Temperatur zwischen -80 und -100°C gegen sich selbst unterkühlt. Die Verdampfungstemperatur des Kältemittelgemisches nach der Joule-Thomson-Entspannung im Entspannungsventil L9 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - liegt zwischen -82 und -112°C.
Der dritte bzw. SRC-Kältemittelgemischkreislauf dient der Unterkühlung des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bzw. Erdgasstromes. Diese Unterkühlung ist sinnvoll bzw. notwendig, damit nicht mehr als die benötigte Menge des Flash-Gases nach der Expansion des verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in einer stromabwärts angeordneten Stickstoff-Entfernungs-Einheit anfällt.
Das Kältemittelgemisch des dritten bzw. SRC-Kältemittelgemischkreislaufes besteht, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, im wesentlichen aus einem Gemisch von 0 bis 10 Mol-% Stickstoff, 40 bis 65 Mol-% Methan und 0 bis 40 Mol-% Ethylen oder 0 bis 30 Mol-% Ethan.
Der über Leitung 3 dem Wärmetauscher E3 zugeführte verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird in dem Wärmetauscher E3 bis auf eine Temperatur von -150 bis -160°C unterkühlt. Nach dieser Unterkühlung wird der Kohlenwasserstoff-reiche bzw. Erdgas-Strom über Leitung 4 aus dem Wärmetauscher E3 abgezogen und im wesentlichen auf atmosphärischen Druck mittels einer Joule-Thomson-Entspannung im Entspannungsventil 5 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - entspannt.
Das dem Wärmetauscher E3 über Leitung S9 zugeführte Kältemittelgemisch des dritten bzw. SRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird in dem Wärmetauscher E3 unterkühlt und anschließend im Entspannungsventil S10 ebenfalls einer Joule-Thomson-Entspannung unterworfen. Anstelle des Entspannungsventil S10 kann wiederum eine Entspannungsturbine vorgesehen werden. Die Entspannung im Entspannungsventil S10 erfolgt auf einem Druckniveau zwischen 2 und 6 bar. Die Verdampfung des Kältemittelgemisches im Wärmetauscher E3 dient sowohl der Unterkühlung des bereits verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes als auch der Eigenunterkühlung des noch nicht entspannten Kältemittelgemisches des SRC-Kältemittelgemischkreislaufes.
Das verdampfte und überhitzte Kältemittelgemisch des SRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird über Leitung S11 einem Abscheider S1 zugeführt. Das am Kopf des Abscheiders S1 anfallende gasförmige Kältemittelgemisch wird über Leitung S2 einem Verdichter S3 zugeführt. In dem Verdichter S3 erfolgt eine Verdichtung des Kältemittelgemisches auf einem Druck zwischen 35 und 60 bar. Das aus dem Verdichter S3 austretende Kältemittelgemisch wird anschließend in dem Kühler S4, vorzugsweise gegen Meerwasser oder ein entsprechendes Kühlmedium, abgekühlt.
Jeder der drei Kältemitteigemischkreisläufe weist, gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, stromabwärts des jeweiligen Entspannungsventiles P13, L9 bzw. S10 einen Abscheider/Speicherbehältern P11, L7 bzw. S8 auf. Prinzipiell können diese Abscheider/Speicherbehältern auch an jeder anderen geeigneten Stelle der Kältemittelgemischkreisläufe vorgesehen werden.
Aus diesen Abscheidern/Speicherbehältern P11, L7 und S8 wird die Flüssigfraktion über die Leitungen P16, L12 bzw. S13 abgezogen und der jeweils dampfförmigen Kopffraktion (Flashgas) des Kältemittelgemisches zugeführt. Durch diese Verfahrensweise wird eine gute Verteilung von Flüssigkeit und Gas und damit ein guter Wärmeübergang in den Wärmetauschern E1, E2 und E3, insbesondere wenn es sich um sog. Plate-Fin-Typ-Wärmetauscher handelt, gewährleistet.
In den Leitungen P16, L12 und S13 sind Regelventile P15, L11 bzw. S12 vorgesehen. Diese Regelventile dienen dazu, den Flüssigkeitsstand innerhalb der Abscheider/Speicherbehälter P 11, L7 bzw. S8 zu regulieren.
Im Falle eines Anlagenstillstandes werden die Regelventile P15, L11 und S12 geschlossen, so daß die Abscheider/Speicherbehälter P11, L7 und S8 mit dem Kältemittelgemisch des jeweiligen Kältemittelgemischkreislaufes befüllt werden; dazu ist es sinnvoll, daß zusätzlich am Kopf der Abscheider/Speicherbehälter P11, L7 und S8 Regelventile - die in den Figuren 1 bis 5 nicht dargestellt sind - vorgesehen werden. Dadurch wird eine Speicherung des Kältemittelgemisches am kältesten Punkt des jeweiligen Kältemittelgemischkreislaufes ermöglicht, wodurch die Anfahrprozedur bei der Wiederinbetriebnahme beschleunigt wird. Die Abscheider/Speicherbehälter P11, L7 und S8 sind vorzugsweise so zu dimensionieren, daß sie die gesamte Kältemittelgemischmenge eines Kältemittelgemischkreislaufes speichern können.
Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, daß die Verdichter P8, P3, L3 und S3 von lediglich einem Gasturbinenantrieb G angetrieben werden; dargestellt durch die strichpunktierte Linie (Anmerkung: Auch wenn bei den Figuren 3 bis 5 die Bezeichnungen der Verdichter bzw. Verdichterstufen gegenüber den Figuren 1 und 2 geändert sind, so sei durch die strichpunktierte Linie klargestellt, daß auch bei diesen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich ein Verdichter-Antrieb erforderlich ist.).
In der Figur 2 ist ein Verflüssigungsverfahren für Erdgas dargestellt, das im wesentlichen identisch mit demjenigen der Figur 1 ist. Der erste, zweite und dritte bzw. PRC-, LRC- und SRC-Kältemittelgemischkreislauf sind der Übersichtlichkeit halber jedoch nur teilweise dargestellt.
Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom bzw. Erdgasstrom wird dem Wärmetauscher E1 über Leitung 1 zugeführt. Auf einem entsprechend gewählten Temperaturniveau wird er aus dem Wärmetauscher E1 über Leitung 1' abgezogen und einer Trennkolonne T1, die einen Reboiler R1 aufweist, zugeführt. Diese Trennkolonne T1 dient der Abtrennung von schweren Kohlenwasserstoffen, die am Sumpf der Trennkolonne T1 über Leitung 8 abgezogen werden.
Das am Kopf der Trennkolonne T1 anfallende, an schweren Kohlenwasserstoffen abgereicherte Erdgas wird über Leitung 2' wiederum dem Wärmetauscher E1 zugeführt. In diesem wird es weiter abgekühlt und als teilkondensierter Strom über Leitung 2" einem Abscheider D zugeführt. Die im Sumpf des Abscheiders D anfallende Flüssigfraktion wird mittels der Pumpe P1 über Leitung 2"' als Rücklauf auf den Kopf der Trennkolonne T1 gegeben. Die am Kopf des Abscheiders anfallende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion wird über Leitung 2 dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem verflüssigt. Über Leitung 3 gelangt der verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom anschließend in den Wärmetauscher E3, in dem er unterkühlt wird.
Der unterkühlte verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird anschließend über Leitung 4 der Trennkolonne T2 zugeführt, wobei er zum Zwecke des Beheizens des Reboilers R2 vor der Entspannung im Entspannungsventil 5 durch den Kolonnensumpf geführt wird.
Die Trennkolonne T2 dient der Abtrennung von Stickstoff und Methan, wobei ein an diesen beiden Komponenten reicher Strom am Kopf der Trennkolonne T2 über Leitung 6 abgezogen wird. Dieser über Leitung 6 abgezogene Stickstoff- und Methan-reiche Strom - das sog. Tail-Gas - wird im Wärmetauscher E4 gegen einen Teilstrom des am Kopf des Abscheiders D abgezogenen Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, der dem Wärmetauscher E4 über Leitung 9 zugeführt wird, angewärmt. Der dabei verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Teilstrom wird anschließend über Leitung 10 und Entspannungsventil 11 ebenfalls auf die Trennkolonne T2 - entweder auf dem gleichen Boden oder einem beliebigen Boden unterhalb der Zuführstelle des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in der Leitung 4 - gegeben.
Das aus dem Sumpf der Trennkolonne T2 abgezogene, verflüssigte und unterkühlte Erdgas wird mittels der Pumpe P2 über Leitung 7 einer Speicherung zugeführt.
Figur 3 zeigt eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei dieser Ausführungsform ist, gegenüber der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform, der erste bzw. PRC-Kältemittelgemischkreislauf modifiziert. Die LRC- und SRC-Kältemittelgemischkreisläufe hingegen sind identisch zu denjenigen, wie in der Figur 1 dargestellt.
Das verdichtete (P3) Kältemittelgemisch wird im Kühler P4 auf eine Temperatur zwischen 10 und 40°C abgekühlt und dabei verflüssigt. Anschließend wird es dem Wärmetauscher E1 über Leitung P10 zugeführt und in diesem unterkühlt. Ein Teilstrom des unterkühlten Kältemittelgemisches wird im Entspannungsventil P13 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - entspannt und im Wärmetauscher E1 wieder verdampft. Anschließend wird dieser Kältemittelgemischteilstrom über Leitung P14 dem Abscheider P1 mit einem Druck von 2 bis 6 bar zugeführt. Das am Kopf des Abscheiders P1 über Leitung P2 abgezogene gasförmige Kältemittelgemisch wird in dem Verdichter P3 auf einen Druck zwischen 6 und 10 bar verdichtet.
Ein zweiter Teilstrom des verflüssigten und unterkühlten Kältemittelgemisches wird auf einem höheren Temperaturniveau aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen und im Entspannungsventil P17 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - entspannt. Der Übersichtlichkeit halber werden der nach dem Entspannungsventil P17 vorsehbare Abscheider/Speicherbehälter sowie die entsprechenden Regelventile in der Figur nicht dargestellt. Nach erfolgter Entspannung P17 wird dieser Teilstrom des Kältemittelgemisches ebenfalls im Wärmetauscher E1 verdampft und über Leitung P18 dem Abscheider P6 zugeführt. Das am Kopf des Abscheiders P6 über Leitung P19 abgezogene gasförmige Kältemittelgemisch wird ebenfalls dem Verdichter P3 auf einer Zwischendruckstufe zugeführt.
Nach der Vermischung und Verdichtung der beiden beschriebenen Kältemittelgemischteilströme auf ca. 15 bis 20 bar in dem Verdichter P3, erfolgt, vorzugsweise gegen Meerwasser, gegen Luft oder gegen ein entsprechendes Kühlmedium, ein Abkühlen und Verflüssigen des verdichteten Kältemittelgemisches im Kühler P4 bei einer Temperatur zwischen 10 und 40°C.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist gegenüber der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform folgende Vor- und Nachteile auf:
Das Enthalpie-Temperatur-Diagramm des zu verdampfenden und anzuwärmenden Kältemittelgemischstromes des PRC-Kältemittelgemischkreislaufes kann besser an die Enthalpie-Temperatur-Diagramme aller abzukühlenden Ströme (Erdgas-Strom, PRC-, LRC- und SRC-Kältemittelgemischkreislauf) angepaßt werden. Der sehr große Gasstrom auf der Saugseite des Verdichters P3 wird auf zwei Ströme aufgeteilt. Dies macht zusätzliche Rohrleitungen und Regeleinrichtungen erforderlich. Die Abmessungen der Rohrleitungen sind jedoch kleiner. Insgesamt ist der Energieverbrauch dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens geringer.
Die Figuren 4 und 5 zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei diesen Ausführungsformen sind, gegenüber der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform, der erste bzw. PRC- und/oder der zweite bzw. LRC-Kältemittelgemischkreislauf modifiziert. Der SRC-Kältemittelgemischkreislauf hingegen ist identisch zu denjenigen, wie in den Figuren 1 und 3 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber wird deshalb auf eine vollständige Darstellung des SRC-Kältemittelgemischkreislaufes verzichtet.
Bei der in der Figur 4 dargestellten Ausführungsform ist zudem der erste bzw. PRC-Kältemittelgemischkreislauf identisch zu demjenigen, wie in der Figur 3 dargestellt.
Das verdichtete und anschließend im Kühler L4 auf eine Temperatur zwischen 10 und 40°C abgekühlte Kältemittelgemisch des zweiten bzw. LRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird zunächst dem Wärmetauscher E1 über Leitung L5 zugeführt und in diesem verflüssigt. Anschließend wird das Kältemittelgemisch über Leitung L6 dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem unterkühlt. Ein Teilstrom des unterkühlten Kältemittelgemisches wird im Entspannungsventil L9 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - entspannt und im Wärmetauscher E2 verdampft. Anschließend wird dieser Kältemittelgemischteilstrom über Leitung L10 dem Abscheider L1 zugeführt. Das am Kopf des Abscheiders L1 über Leitung L2 abgezogene gasförmige Kältemittelgemisch wird in dem Verdichter L3 auf einen Druck zwischen 10 und 20 bar verdichtet.
Ein zweiter Teilstrom des unterkühlten Kältemittelgemisches des LRC-Kältemittelgemischkreislaufes wird auf einem höheren Temperaturniveau aus dem Wärmetauscher E2 abgezogen und im Entspannungsventil L13 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - entspannt. Der Übersichtlichkeit halber werden der nach dem Entspannungsventil L13 vorsehbare Abscheider/Speicherbehälter sowie die entsprechenden Regelventile in der Figur nicht dargestellt. Nach erfolgter Entspannung L13 wird dieser Teilstrom des Kältemittelgemisches ebenfalls im Wärmetauscher E2 verdampft und über Leitung L14 dem Abscheider L15 zugeführt. Das am Kopf des Abscheiders L15 über Leitung L16 abgezogene gasförmige Kältemittelgemisch wird ebenfalls dem Verdichter L3 auf einer Zwischendruckstufe zugeführt.
Nach der Vermischung der beiden beschriebenen Kältemittelgemischteilströme in dem Verdichter L3 erfolgt, vorzugsweise gegen Meerwasser, gegen Luft oder gegen ein entsprechendes Kühlmedium, ein Abkühlen des verdichteten Kältemittelgemisches im Kühler L4 auf eine Temperatur zwischen 10 und 40°C.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist gegenüber der in der Figur 1 bzw. 3 dargestellten Ausführungsform folgende Vor- und Nachteile auf:
Auch hier können die Enthalpie-Temperatur-Diagramme der abzukühlenden und anzuwärmenden Ströme besser aneinander angepaßt werden. Ob die durch diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbare Energieeinsparung den Mehraufwand für die komplexere Verfahrensführung bzw. Anlage rechtfertigt, ist im Einzelfall zu prüfen.
Im Falle der in der Figur 5 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist gegenüber der in der Figur 1 dargestellten Ausführungsform lediglich der zweite bzw. LRC-Kältemittelgemischkreislauf modifiziert.
Das verdichtete und anschließend im Kühler L21 auf eine Temperatur zwischen 10 und 40°C abgekühlte und partiell verflüssigte Kältemittelgemisch wird zunächst über Leitung L5 einem Abscheider L13 zugeführt. Der gasförmige Anteil des Kältemittelgemisches wird am Kopf des Abscheiders L13 über Leitung L6 abgezogen, in dem Wärmetauscher E1 verflüssigt und in dem Wärmetauscher E2 unterkühlt. Anschließend wird das Kältemittelgemisch im Entspannungsventil L9 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - entspannt und im Wärmetauscher E2 verdampft, wonach es über Leitung L10 dem Abscheider L1 zugeführt wird.
Der flüssige Anteil des Kältemittelgemisches wird aus dem Sumpf des Abscheiders L13 über Leitung L14 abgezogen, in dem Wärmetauscher E1 unterkühlt und in dem Wärmetauscher E2 bis auf ein weniger tiefes Temperaturniveau gebracht. Anschließend wird dieser verflüssigte und unterkühlte Kältemittelgemischteilstrom im Entspannungsventil L15 - oder alternativ dazu in einer Entspannungsturbine - entspannt, ebenfalls im Wärmetauscher E2 verdampft und dem verdampften Kältemittelgemischteilstrom in Leitung L 10 zugemischt. Der Übersichtlichkeit halber werden der nach dem Entspannungsventil L15 vorsehbare Abscheider/Speicherbehälter sowie die entsprechenden Regelventile in der Figur 5 nicht dargestellt.
Das am Kopf des Abscheiders L1 über Leitung L2 abgezogene gasförmige Kältemittelgemisch wird in dem Verdichter L3 auf einen Druck zwischen 6 und 10 bar verdichtet. Anschließend erfolgt, vorzugsweise gegen Meerwasser, gegen Luft oder gegen ein entsprechendes Kühlmedium, ein Abkühlen des verdichteten Kältemittelgemisches im Kühler L4 auf eine Temperatur zwischen 10 und 40°C.
Daran anschließend wird das Kältemittelgemisch über Leitung L16 einem weiteren Abscheider L17 zugeführt. Die am Kopf des Abscheiders L17 anfallende gasförmige Fraktion des Kältemittelgemisches wird über Leitung L18 der zweiten Verdichterstufe L19 zugeführt und in dieser auf einen Druck zwischen 12 und 25 bar verdichtet. Die Flüssigfraktion aus dem Abscheider L17 wird mittels der Pumpe L20, vorzugsweise einer Zentrifugalpumpe, auf einen Druck zwischen 12 und 25 bar gepumpt und anschließend mit dem in dem Verdichter L19 verdichteten Kältemittelgemischstrom zusammengeführt.
Die Verdichtung des Kältemittelgemisches des zweiten bzw. LRC-Kältemittelgemischkreislaufes erfolgt vorzugsweise in einer zweistufigen, eingehäusigen Zentrifugalkompressionsvorrichtung, die sowohl den Kühler L4 als auch den Abscheider L17 enthält. Im Falle sehr großer Mengen kann anstelle der Zentrifugalkompressionsvorrichtung auch eine Axialkompressionsvorrichtung vorgesehen werden.
Diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist gegenüber der in den Figur 1, 2 bzw. 3 dargestellten Ausführungsformen folgende Vor- und Nachteile auf:
Auch bei der in der Figur 5 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Enthalpie-Temperatur-Diagramme der abzukühlenden und anzuwärmenden Ströme besser aneinander angepaßt werden. Ob die durch diese Ausführungsform erreichbare Energieeinsparung den Mehraufwand für die komplexere Verfahrensführung bzw. Anlage rechtfertigt, ist wiederum im Einzelfall zu prüfen.
Unter Umständen kann es sinnvoll sein, daß die in den Figuren 1 bis 5 dargestellten Verdichter und Antriebe bei einer Verflüssigungsanlage zweifach vorgesehen sind (z. B. 2 * 50 %). Mit der damit gegebenen Redundanz läßt sich auch im Falle einer Störung einer Maschine die Produktion zu wenigstens 50 % aufrechterhalten.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgas-Stromes, durch indirekten Wärmetausch mit den Kältemitteln einer Kältemittelgemischkreislaufkaskade, wobei die Kältemittelgemischkreislaufkaskade aus wenigstens 3 unterschiedliche Kältemittelzusammensetzungen aufweisenden Kältemittelgemischkreisläufen besteht, der erste der 3 Kältemittelgemischkreisläufe der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemittelgemische aller Kältemittelgemischkreisläufe verdampft und überhitzt und mittels kaltansaugender Verdichter (P3, L3, S3) verdichtet werden, wobei das Kältemittelgemisch (S11) des dritten Kältemittelgemischkreislaufes nur gegen den Kohlenwasserstoff-reichen Strom (3) und gegen sich selbst (S7) verdampft und überhitzt wird (E3).
  2. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittelgemisch des ersten der 3 Kältemittelgemischkreisläufe (P5, P10, ...) 0 bis 70 Mol-% Ethylen oder Ethan, 30 bis 70 Mol-% Propan und 0 bis 30 Mol-% Butan enthält.
  3. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittelgemisch des zweiten der 3 Kältemittelgemischkreisläufe (L5, L6, ...) 0 bis 15 Mol-% Methan, 35 bis 90 Mol-% Ethylen oder Ethan und 0 bis 20 Mol-% Propan enthält.
  4. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittelgemisch des dritten der 3 Kältemittelgemischkreisläufe (S5, S6, ...) 0 bis 10 Mol-% Stickstoff, 40 bis 65 Mol-% Methan und 0 bis 45 Mol-% Ethylen oder Ethan enthält.
  5. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorkühlung (E1), die Vetflüssigung (E2) und die Unterkühlung (E3) des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (1) in wenigstens 3 Wärmetauschern (E1, E2, E3) erfolgt und das entspannte Kältemittelgemisch eines jeden der 3 Kältemittelgemischkreisläufe vor der erneuten Verdichtung (P3, L3, S3) lediglich durch den letzten Wärmetauscher (E1, E2 bzw. E3) geführt wird.
  6. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Verdichtung der Kältemittelgemische verwendeten Verdichter (P3, L3, S3) durch nur eine Antriebsvorrichtung (G) angetrieben werden.
  7. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsvorrichtung (G) eine Gasturbinen-Antriebsvorrichtung ist.
  8. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle eines Anlagen- oder Verfahrensstillstandes wenigstens das Kältemittelgemisch eines der Kältemittelgemischkreisläufe in wenigstens einem Abscheider/Speicherbehälter (P11, L7, S8) zwischengespeichert wird.
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