EP2369279A1 - Method for cooling or liquefying a hydrocarbon-rich flow and assembly for carrying out the method - Google Patents

Method for cooling or liquefying a hydrocarbon-rich flow and assembly for carrying out the method Download PDF

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EP2369279A1
EP2369279A1 EP10002650A EP10002650A EP2369279A1 EP 2369279 A1 EP2369279 A1 EP 2369279A1 EP 10002650 A EP10002650 A EP 10002650A EP 10002650 A EP10002650 A EP 10002650A EP 2369279 A1 EP2369279 A1 EP 2369279A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
refrigerant
compressor
hydrocarbon
refrigerant mixture
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10002650A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Eginhard Berger
Stephan Walther-Longrée
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
IMPAC OFFSHORE ENGINEERING GMBH
Original Assignee
Ph-th Consulting AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Ph-th Consulting AG filed Critical Ph-th Consulting AG
Priority to EP10002650A priority Critical patent/EP2369279A1/en
Publication of EP2369279A1 publication Critical patent/EP2369279A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25J2220/60—Separating impurities from natural gas, e.g. mercury, cyclic hydrocarbons
    • F25J2220/64—Separating heavy hydrocarbons, e.g. NGL, LPG, C4+ hydrocarbons or heavy condensates in general

Definitions

  • the present invention relates to a process for the liquefaction of hydrocarbons rich streams, in particular natural gas, and a plant for carrying out the same.
  • the prior art discloses a large number of different processes for liquefying hydrocarbon-rich streams, such as natural gas.
  • Facilities for carrying out these processes are referred to as either so-called LNG baseload plants, i. H. Installations for the liquefaction of natural gas for the supply of natural gas as primary energy, or designed as so-called peak-shaving installations, d. H. Installations for the liquefaction of natural gas to cover peak demand.
  • LNG baseload systems are operated with refrigeration circuits, with the refrigerant mixtures circulating in the refrigeration circuits consisting of hydrocarbon mixtures.
  • Such mixture cycles are more energy efficient than so-called expander circuits and allow relatively low energy consumption in the case of the large liquefaction capacities of the LNG baseload plants.
  • Such a single-flow method is for example off US 5,535,594 known.
  • the procedure is such that the higher-boiling refrigerant mixture fraction, ie the bottom product of a distillation column, is used for precooling the hydrocarbon-rich stream to be liquefied and the lower-boiling refrigerant mixture fraction and for cooling against itself.
  • the lower boiling refrigerant mixture fraction that is, the top product of the reflux separator, after being precooled by the higher boiling refrigerant mixture fraction, is used for liquefaction and supercooling of the hydrocarbon-rich stream to be liquefied and for cooling against itself.
  • FIG. 1 Another embodiment of the conventional method with a three-stage compressor is shown in FIG. 1 shown. This will be described in detail below.
  • the stream to be liquefied is fed via line 1 to a heat exchanger E1 for precooling and pre-cooled in this against the refrigerant circuit flow to be heated.
  • the thus pre-cooled stream is optionally supplied via line 2 to a separator.
  • a separator In this possibly existing lower-boiling hydrocarbons are removed.
  • the separation of higher-boiling hydrocarbons is done by providing a so-called HHC (heavy hydrocarbon) column, which serves to separate the heavy hydrocarbons and benzene from the hydrocarbon-rich stream to be liquefied.
  • HHC heavy hydrocarbon
  • Such process components are for example in the DE 197 16 415 described; see for example theirs FIG. 2 as well as the corresponding description.
  • those hydrocarbons which would undesirably increase the calorific value of the liquefied stream, in particular natural gas are often removed before liquefaction.
  • the overhead product of the separator is fed via line 3 to a further heat exchanger E2 and liquefied therein against a further partial flow of the refrigerant circuit.
  • the liquefied stream is then fed via line 4 to a further heat exchanger E3 and subcooled therein against a further partial flow of the refrigerant circuit.
  • the liquefied and supercooled stream is withdrawn via line 5 and the storage or further processing, for. As a nitrogen removal, fed.
  • the withdrawn from the heat exchanger E1 via line 6 warm refrigerant (mixture) stream is first fed to a suction container S1.
  • the refrigerant to be compressed is then fed to the first turbocompressor and then fed on the outlet side via line 8 to a radiator E4.
  • This cooler can be operated with sea or cooling water, air or any other suitable cooling medium. The same applies to the other cooler E5 and E6 of the multi-stage cycle compressor.
  • the cooled refrigerant is then supplied via line 9 to the suction container S2. This serves to avoid that at this point of the cycle possibly resulting liquid phase of the refrigerant enters the compressor stage II.
  • Such containers and their use are known per se.
  • the refrigerant is supplied via line 10 to the further compressor stage II, from where it continues to be compressed via line 11 into the cooler E5, where it partially condenses and then enters via line 12 into the third suction S3, which also serves as a separator and the performs the same function as suction cup S2. From there, the refrigerant flow via line 13 of the third compressor stage III is supplied and passes on via line 14 into the cooler E6, partially condensing, and from there into the return separator D1.
  • the bottom product of the separator D1 is supplied via line 26 to pressure reduction in valve d the current in line 12.
  • the bottom product of the separator S3 is passed via line 16 into the heat exchanger E1, cooled there against the entire refrigerant flow and then expanded in the valve a. Then, this relaxed refrigerant fraction is added to the refrigerant fraction exiting via line 25 from heat exchanger E2 before they then enter the heat exchanger E1 together.
  • the top product of the separator D1 is also passed via line 17 in the heat exchanger E1 and there cooled against itself and then enters via line 18 into the separator D2.
  • the bottom product of the separator D2 is passed via line 23 through heat exchanger E2, where it is further cooled against the refrigerant stream 25 and expanded via line 21 in a Joule-Thomson valve b.
  • the expanded stream is mixed with the refrigerant stream 22 from E3. Together they form the refrigerant flow 25 in E2.
  • the top product from separator D2 is passed through the heat exchangers E2 and E3 and thereby further cooled against current 25 and 22, liquefied and supercooled and finally relaxed to display the necessary for the process, the lowest temperature in the valve c. Then, this relaxed refrigerant fraction is passed in countercurrent through the heat exchanger E3, so as to effect on the one hand, the liquefaction of the hydrocarbon-rich stream and the internal cooling of the refrigerant. In doing so, it goes over itself by evaporation and warming from the predominantly liquid to the gas state.
  • this refrigerant fraction is then combined with the bottom product from the separator D2. This was previously cooled via line 23 in the heat exchanger E2 and relaxed in the valve b. After passing through this combined coolant fraction through heat exchanger E2, it is, as already mentioned above, combined with the refrigerant fraction relaxed in valve a and fed to the compressor unit after passing through heat exchanger E1.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of this conventional method, in which the heat exchangers E3, E2 and E3 are designed in the form of coiled heat exchanger. This eliminates the lines 22 and 25 FIG. 1 ,
  • the invention relates to a method for operating a multi-stage compressor of a refrigerant circuit, wherein a refrigerant mixture that in at least one of a A plurality of fractions (16, 17, 20, 23) has been passed through the successive heat exchanger sections of at least one heat exchanger, the individual stages of the refrigerant cycle compressor (I, II, III) is at least partially supplied separately on the suction side (6, 6a, 6b) ,
  • the process of the invention has the following advantages. On the one hand, the energy requirement is lower than in the liquefaction and cooling processes of the prior art. As a result, the environmental impact is lower. All heat exchanger stages can be made smaller than in the prior art. This also applies to the compressor and the gas turbine used. As a result, the method according to the invention is generally associated with lower costs than conventional methods of the prior art.
  • refrigerant and “refrigerant circuit” are also used to describe refrigerant mixtures and the mixed refrigerant cycle of the present invention. These include in particular multiphase refrigerant mixtures and refrigerants which consist of one or more different chemical components.
  • a refrigerant mixture can be used which contains a combination of nitrogen, methane, ethane, propane, butane and possibly also pentane.
  • the temperatures in the refrigerant circuit are within the range of the local ambient temperature up to 50 ° C or higher after the compressor stages, down to about -160 ° C or below.
  • the pressure range is approximately between one and 50 bar.
  • mixed refrigerant fraction and “mixed refrigerant stream” or even just “fraction” or “stream” are used synonymously herein. They designate a part of the mono- or multiphase refrigerant mixture in a subsection of the method according to the invention or in a part of the system according to the invention, e.g. a fraction in heat exchanger E1 or heat exchanger E2.
  • heat exchanger section as used herein is meant individual heat exchangers or individual sections (sections) of a heat exchanger that may be located within a generally outwardly insulated enclosure (“cold box”) or individually insulated. This is known to the person skilled in the art. In the following, the terms “heat exchanger section” and “heat exchanger” are also used interchangeably.
  • compressor and “compressor” are used synonymously.
  • cry box is well known in the art.
  • the term refers to an isolated cryogenic apparatus which cools fluids to low temperature levels, e.g. Up to -40 ° C to -190 ° C or below.
  • Joule-Thomson valve By a Joule-Thomson valve is meant a valve through which a liquid, gas or liquid-gas mixture adiabatically expands, which leads to a decrease in temperature.
  • the procedure according to the invention is that the optionally pretreated, hydrocarbon-rich stream to be liquefied, in particular natural gas, is fed to a first heat exchanger E1.
  • a pre-cooling of the stream takes place against the refrigerant.
  • the thus pre-cooled stream is fed to a second heat exchanger E2 and further cooled and liquefied in this against the refrigerant in this heat exchanger.
  • the liquefied stream is fed to a third heat exchanger E3 and subcooled therein against the refrigerant present therein.
  • the thus liquefied and supercooled hydrocarbon-rich stream, in particular natural gas is then fed via a suitable line of its further use, for example, an intermediate storage. This is not shown in detail in the figures. Cooling and liquefaction use the Joule-Thomson effect.
  • the pressure release in the respective heat exchangers can thus be effected according to the invention by means of Joule-Thomson valves or by means of hydraulic expanders in combination with Joule-Thomson valves or by means of two-phase expander.
  • Joule-Thomson valves or by means of hydraulic expanders in combination with Joule-Thomson valves or by means of two-phase expander.
  • Such devices are known per se in the prior art. The latter are for example in the DE 103 55 935 A1 described.
  • the refrigerant which exits the three heat exchanger units E1, E2 and E3, fed to a multi-stage compressor for the refrigerant mixture cycle, in particular three compressor stages I, II and III or even more stages, for. B. includes four, five or six stages.
  • the procedure according to the invention is such that the refrigerant streams emerging from the respective heat exchanger are fed separately to the cycle compressor stages.
  • the refrigerant flows within the cycle compressor ie the part of the system that the individual Compressor, suction container for their protection and required cooler includes, insofar combined with each other, as a refrigerant flow, which has already passed through a compressor stage, with another refrigerant flow, which has not gone through any stage compressor, can be combined. Thereafter, the stream thus combined passes through another downstream compressor stage.
  • the refrigerant flows to the individual stages of the cycle compressor as a whole "at least partially separated" supplied.
  • the streams of the refrigerant leaving the heat exchanger units are in any case not combined as long as at least one stream has not been compressed.
  • the heat exchanger sections E1, E2 and E3 can each be subdivided into further sections, wherein the refrigerant flows are fed in an analogous manner to the likewise further subdivided compressor stages.
  • the bottom product of the (high-pressure) precipitator D1 entering the heat exchanger E1 after cooling is not cooled up against itself and expanded in the valve a, relative to the heat exchanger E1 and the Arrangement of the valve a, is combined with a further refrigerant fraction, but after passage of heat exchanger E1 (for self-cooling and precooling of hydrocarbons rich stream (1)) is combined via line 6 with emerging from the cooler E5 via line 12 and already compressed refrigerant fraction and passed via line 12a into the suction container S3. From there, this combined refrigerant fraction is fed via line 13 to the suction side of the compressor unit III and further compressed.
  • the head product stream 17 exiting from the (high-pressure) precipitator D1 after passing through the heat exchanger E1 in which it is cooled against itself, is conducted into the separator D2 just like in the conventional method, where it is split into two streams which pass over the lines 19 (top product) and 23 (bottom product) are passed into the heat exchanger E2.
  • This combined refrigerant fraction then passes through the second compressor stage II and, as already mentioned above, after further cooling in cooler E5, is combined with the fraction leaving the heat exchanger E1 via line 6.
  • the suction pipe for the refrigerant mixture to the first stage of the refrigerant cycle compressor must be designed with a diameter as large as in the method of the prior art.
  • the refrigerant fractions are first combined after passing through the heat exchangers E3, E2 and E1 and then supplied to the first compressor stage.
  • this also leads to a comparatively greater energy requirement in the subsequent compression and cooling, which is reduced by the method of the present invention due to the separate and feed at colder temperatures.
  • the individual refrigerant fractions are fed to the stages of the refrigerant cycle compressor at a comparatively lower temperature than in the case of the prior art method.
  • the compressor and the cooling capacity (after compression) are lower than in the prior art methods. This is a significant contribution to energy saving, as the energy consumption of the refrigerant cycle compressor regularly represents the largest consumption component in gas liquefaction.
  • the process control according to the invention is also advantageous because the refrigerant fraction passing through the heat exchanger E3 is fed directly back to the compression after exiting via line 22, and not, as in the in FIG. 1 shown prior art, is further passed through the heat exchangers E2 and E1.
  • this refrigerant fraction is largely gaseous, so that the heat exchange in the subsequent heat exchangers E2 and E1 is worse than in the inventive method in which each "fresh" relaxed refrigerant fractions are passed solely through the respective heat exchanger.
  • the heat is exchanged in a much more favorable manner by evaporation of the liquid phase of the refrigerant, whereby the heat exchanger surface, the volume and thus the cost of the heat exchanger can be reduced. also reduces the pressure loss for the refrigeration cycle, which contributes to the further reduction of the power requirement of the cycle compressor.

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Abstract

The method involves conducting hydrocarbon-rich streams through a heat exchanger that has heat exchanger sections (E1-E3). Each heat exchanger section is fed with coolant mixture fractions, where the coolant mixture fractions are compressed in a multi-stage coolant circuit compressor and are fed back into the heat exchanger. The coolant mixture fractions from the heat exchanger sections are partially separately fed to individual stages (I-III) of the coolant circuit compressor at a suction side of the compressor. Independent claims are also included for the following: (1) a system for cooling or liquefaction of a hydrocarbon-rich stream (2) a method for operating a multi-stage coolant circuit compressor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verflüssigung von an Kohlenwasserstoffen reichen Strömen, insbesondere Erdgas, und eine Anlage zur Durchführung desselben.The present invention relates to a process for the liquefaction of hydrocarbons rich streams, in particular natural gas, and a plant for carrying out the same.

Aus dem Stand der Technik sind eine große Anzahl verschiedener Verfahren zum Verflüssigen von Kohlenwasserstoff-reichen Strömen wie Erdgas bekannt.The prior art discloses a large number of different processes for liquefying hydrocarbon-rich streams, such as natural gas.

Anlagen zur Durchführung dieser Verfahren, nachstehend auch kurz Erdgasverflüssigungsanlagen, werden entweder als sogenannte LNG-Baseload-Anlagen, d. h. Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie, oder als sogenannte Peak-Shaving-Anlagen ausgelegt, d. h. Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung von Spitzenbedarf.Facilities for carrying out these processes, hereinafter also referred to as natural gas liquefaction plants, are referred to as either so-called LNG baseload plants, i. H. Installations for the liquefaction of natural gas for the supply of natural gas as primary energy, or designed as so-called peak-shaving installations, d. H. Installations for the liquefaction of natural gas to cover peak demand.

LNG-Baseload-Anlagen werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, wobei die in den Kältekreisläufen zirkulierenden Kältemittelgemische aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Derartige Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als sogenannte Expander-Kreisläufe und ermöglichen bei den großen Verflüssigungsleistungen der LNG-Baseload-Anlagen entsprechend relativ niedrige Energieverbräuche.As a rule, LNG baseload systems are operated with refrigeration circuits, with the refrigerant mixtures circulating in the refrigeration circuits consisting of hydrocarbon mixtures. Such mixture cycles are more energy efficient than so-called expander circuits and allow relatively low energy consumption in the case of the large liquefaction capacities of the LNG baseload plants.

Aus dem Stand der Technik sind ferner sogenannte "Single-Flow-Prozesse" bekannt, bei denen die für die Verflüssigung benötigte Kälteenergie mittels eines einzigen Kältemittelgemischkreislaufes bereitgestellt wird (im Gegensatz zu sogenannten Kältemittelkreislaufkaskaden mit mehreren Kreisläufen mit Kältemittelgemsichen unterschiedlicher Zusammensetzung). Diese Verfahren benötigen im Allgemeinen eine geringere Anzahl von Apparaten und Maschinen - verglichen mit den Kältemittelkreislaufkaskadenanlagen - weshalb die Investitionskosten bei Verflüssigungsanlagen mit einer Kapazität bis zu etwa 2,5 Mega Tonnen LNG (= Liquefied Natural Gas = verflüssigtes Erdgas) im Jahr (abhängig von den jeweils verfügbaren maximalen Kompressorleistungen) im Vergleich mit Prozessen mit mehreren Kältemittel(gemisch)kreisläufen geringer sind. Desweiteren ist der Betrieb derartiger Prozesse vergleichsweise einfach. Nachteilig ist jedoch, dass der spezifische Energiebedarf für die Verflüssigung im Vergleich mit Prozessen mit mehreren Kältemittel(gemisch)kreisläufen höher ist.Also known from the prior art are so-called "single-flow processes", in which the refrigeration energy required for the liquefaction is provided by means of a single refrigerant mixture cycle (in contrast to so-called refrigerant circuit cascades with several cycles with refrigerant mixtures of different composition). These processes generally require a smaller number of apparatuses and machines - compared to the refrigerant cycle cascade systems - which is why the investment costs for liquefaction plants with a capacity of up to about 2.5 mega tonnes LNG (= liquefied natural gas) per year (depending on the available maximum compressor powers) in comparison with processes with multiple refrigerant (mixed) circuits are less. Furthermore, the operation of such processes is comparatively easy. The disadvantage, however, is that the specific energy requirements for the liquefaction in comparison with processes with multiple refrigerant (mixture) cycles is higher.

Ein solches Single-Flow-Verfahren ist beispielsweise aus US 5,535,594 bekannt. Dort wird so vorgegangen, dass die höher siedende Kältemittelgemischfraktion, also das Sumpfprodukt einer Destillationskolonne, zur Vorkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes und der tiefer siedenden Kältemittelgemischfraktion sowie zur Kühlung gegen sich selbst verwendet wird. Die tiefer siedende Kältemittelgemischfraktion, also das Kopfprodukt des Rücklaufabscheiders, wird, nachdem sie durch die höher siedende Kältemittelgemischfraktion vorgekühlt worden ist, zur Verflüssigung und Unterkühlung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes und zur Kühlung gegen sich selbst verwendet.Such a single-flow method is for example off US 5,535,594 known. There, the procedure is such that the higher-boiling refrigerant mixture fraction, ie the bottom product of a distillation column, is used for precooling the hydrocarbon-rich stream to be liquefied and the lower-boiling refrigerant mixture fraction and for cooling against itself. The lower boiling refrigerant mixture fraction, that is, the top product of the reflux separator, after being precooled by the higher boiling refrigerant mixture fraction, is used for liquefaction and supercooling of the hydrocarbon-rich stream to be liquefied and for cooling against itself.

Ein weiterer Single-Flow-Prozess wird unter der Bezeichnung LI-MUM® von der Firma Linde angeboten. Die wesentlichen Komponenten dieses Verfahrens, das zur Erzeugung von 0,2 - 1,0 mt (Megatonnen) pro Jahr verflüssigtem Erdgas geeignet ist, sind

  • ein spiralgewickelter Wärmetauscher, in dem im Wärmetausch mit verschiedenen Fraktionen eines Kältemittelgemischkreislaufs Erdgas vorgekühlt, verflüssigt und unterkühlt wird,
  • ein im mittleren Druckbereich betriebener Kältemittelabscheider, wobei die daraus gewonnene Flüssigkeit nach Joule-Thomson-Entspannung im unteren Abschnitt des Wärmetauschers die Vorkühlung liefert,
  • ein Hochdruckkältemittelabscheider, wobei die daraus gewonnene Flüssigkeit im unteren Abschnitt des Wärmetauschers das Erdgas kühlt und teilweise kondensiert,
  • ein Tieftemperaturkältemittelabscheider, wobei die daraus gewonnene Flüssigkeit nach Joule-Thomson-Entspannung zur Erdgasverflüssigung verwendet wird, während der gasförmige Kältemittelstrom aus dem Tieftemperaturkältemittelabscheider verwendet wird, um nach Kondensation und Joule-Thomson-Entspannung im oberen Bereich des Wärmetauschers das verflüssigte Gas zu unterkühlen.
  • Ferner wird beim LIMUM®-Prozess der kombinierte Kältemittelstrom aus dem Boden des Wärmetauschers in einem zweistufigen Verdichter komprimiert, wobei Zwischen- und Nachkühlung gegen Luft oder Wasser eingesetzt werden.
Another single-flow process is sold under the name LI-MUM ® from Linde. The essential components of this process, which is capable of producing 0.2-1.0 mt (mega-tonnes) per year of liquefied natural gas, are
  • a spirally wound heat exchanger in which natural gas is pre-cooled, liquefied and supercooled in heat exchange with various fractions of a refrigerant mixture cycle,
  • a liquid separator operated in the middle pressure range, wherein the liquid obtained from it supplies the pre-cooling after Joule-Thomson relaxation in the lower section of the heat exchanger,
  • a high-pressure refrigerant separator, wherein the liquid obtained therefrom in the lower section of the heat exchanger cools and partially condenses the natural gas,
  • a cryogenic refrigerant separator wherein the recovered liquid is used for natural gas liquefaction after Joule-Thomson relaxation while the gaseous refrigerant stream from the cryogenic refrigerant separator is used to undercool the liquefied gas after condensation and Joule-Thomson relaxation at the top of the heat exchanger.
  • Furthermore, in the LIMUM ® process, the combined refrigerant flow from the bottom of the heat exchanger is compressed in a two-stage compressor, using intermediate and post-cooling against air or water.

Eine weitere Ausführungsform des herkömmlichen Verfahrens mit einem dreistufigen Verdichter ist in Figur 1 gezeigt. Dies wird nachfolgend detailliert beschrieben.Another embodiment of the conventional method with a three-stage compressor is shown in FIG FIG. 1 shown. This will be described in detail below.

Der zu verflüssigende Strom wird über Leitung 1 einem Wärmetauscher E1 zur Vorkühlung zugeführt und in diesem gegen den anzuwärmenden Kältemittelkreislaufstrom vorgekühlt.The stream to be liquefied is fed via line 1 to a heat exchanger E1 for precooling and pre-cooled in this against the refrigerant circuit flow to be heated.

Anschließend wird der so vorgekühlte Strom über Leitung 2 gegebenenfalls einem Abscheider zugeführt. In diesem werden gegebenenfalls vorhandene tiefer siedende Kohlenwasserstoffe entfernt. Falls erforderlich, geschieht das Abtrennen von höher siedenden Kohlenwasserstoffen dadurch, dass eine sogenannte HHC (Heavy Hydrocarbon)-Kolonne, die der Trennung der schweren Kohlenwasserstoffe sowie von Benzol aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom dient, vorgesehen wird. Derartige Verfahrenskomponenten sind beispielsweise in der DE 197 16 415 beschrieben; siehe beispielsweise deren Figur 2 sowie die zugehörige Beschreibung. Oftmals werden zudem diejenigen Kohlenwasserstoffe, die den Heizwert des verflüssigten Stroms, insbesondere Erdgas, unerwünscht erhöhen würden, vor der Verflüssigung abgetrennt.Subsequently, the thus pre-cooled stream is optionally supplied via line 2 to a separator. In this possibly existing lower-boiling hydrocarbons are removed. If necessary, the separation of higher-boiling hydrocarbons is done by providing a so-called HHC (heavy hydrocarbon) column, which serves to separate the heavy hydrocarbons and benzene from the hydrocarbon-rich stream to be liquefied. Such process components are for example in the DE 197 16 415 described; see for example theirs FIG. 2 as well as the corresponding description. In addition, those hydrocarbons which would undesirably increase the calorific value of the liquefied stream, in particular natural gas, are often removed before liquefaction.

Das Kopfprodukt des Abscheiders wird über Leitung 3 einem weiteren Wärmetauscher E2 zugeführt und darin gegen einen weiteren Teilstrom des Kältemittelkreislaufs verflüssigt. Sodann wird der verflüssigte Strom über Leitung 4 einem weiteren Wärmetauscher E3 zugeführt und darin gegen einen weiteren Teilstrom des Kältemittelkreislaufs unterkühlt. Schließlich wird der verflüssigte und unterkühlte Strom über Leitung 5 abgezogen und der Lagerung bzw. weiteren Verarbeitung, z. B. einer Stickstoffabtrennung, zugeführt.The overhead product of the separator is fed via line 3 to a further heat exchanger E2 and liquefied therein against a further partial flow of the refrigerant circuit. The liquefied stream is then fed via line 4 to a further heat exchanger E3 and subcooled therein against a further partial flow of the refrigerant circuit. Finally, the liquefied and supercooled stream is withdrawn via line 5 and the storage or further processing, for. As a nitrogen removal, fed.

Bezogen auf Kältemittelkreislauf gilt Folgendes. Der aus dem Wärmetauscher E1 über Leitung 6 abgezogene warme Kältemittel(gemisch)strom wird zunächst einem Saugbehälter S1 zugeführt. Dieser dient dem Schutz der ersten Verdichterstufe des dreistufigen Kreislaufverdichters, der aus den Turboverdichterstufen I, II und III besteht, die mittels einer Gasturbine GT1 oder eines elektrischen Motors angetrieben werden können.With regard to the refrigerant circuit, the following applies. The withdrawn from the heat exchanger E1 via line 6 warm refrigerant (mixture) stream is first fed to a suction container S1. This serves to protect the first compressor stage of the three-stage cycle compressor, which consists of the turbo-compressor stages I, II and III, which can be driven by means of a gas turbine GT1 or an electric motor.

Über Leitung 7 wird das zu verdichtende Kältemittel dann dem ersten Turboverdichter zugeführt und auf der Austrittseite über Leitung 8 sodann einem Kühler E4 zugeleitet. Dieser Kühler kann mit Meer- oder Kühlwasser, Luft oder jedem anderen geeigneten Kühlmedium betrieben werden. Entsprechendes gilt für die weiteren Kühler E5 und E6 des mehrstufigen Kreislaufverdichters.Via line 7, the refrigerant to be compressed is then fed to the first turbocompressor and then fed on the outlet side via line 8 to a radiator E4. This cooler can be operated with sea or cooling water, air or any other suitable cooling medium. The same applies to the other cooler E5 and E6 of the multi-stage cycle compressor.

Das gekühlte Kältemittel wird dann über Leitung 9 dem Saugbehälter S2 zugeführt. Dieser dient dazu, zu vermeiden, dass eine an dieser Stelle des Kreislaufs möglicherweise entstandene flüssige Phase des Kältemittels in die Verdichterstufe II eintritt. Derartige Behälter und ihre Verwendung sind an sich bekannt. Sodann wird das Kältemittel über Leitung 10 der weiteren Verdichterstufe II zugeführt, von wo es über Leitung 11 weiter komprimiert in den Kühler E5 tritt, dort teilweise kondensiert und anschließend über Leitung 12 in den dritten Saugbehälter S3 eintritt, der gleichzeitig als Abscheider dient und der der die gleiche Funktion ausübt wie Saugbehälter S2. Von dort wird der Kältemittelstrom über Leitung 13 der dritten Verdichterstufe III zugeführt und gelangt weiter über Leitung 14 in den Kühler E6, wobei er teilweise kondensiert, und von da in den Rückführabscheider D1.The cooled refrigerant is then supplied via line 9 to the suction container S2. This serves to avoid that at this point of the cycle possibly resulting liquid phase of the refrigerant enters the compressor stage II. Such containers and their use are known per se. Then, the refrigerant is supplied via line 10 to the further compressor stage II, from where it continues to be compressed via line 11 into the cooler E5, where it partially condenses and then enters via line 12 into the third suction S3, which also serves as a separator and the performs the same function as suction cup S2. From there, the refrigerant flow via line 13 of the third compressor stage III is supplied and passes on via line 14 into the cooler E6, partially condensing, and from there into the return separator D1.

Das Sumpfprodukt des Abscheiders D1 wird über Leitung 26 nach Druckreduzierung in Ventil d dem Strom in Leitung 12 zugeführt.The bottom product of the separator D1 is supplied via line 26 to pressure reduction in valve d the current in line 12.

Das Sumpfprodukt des Abscheiders S3 wird über Leitung 16 in den Wärmetauscher E1 geleitet, dort gegen den gesamten Kältemittelstrom abgekühlt und anschließend im Ventil a entspannt. Sodann wird diese entspannte Kältemittelfraktion der über Leitung 25 aus Wärmetauscher E2 austretenden Kältemittelfraktion zugemischt, bevor diese dann gemeinsam in den Wärmetauscher E1 eintreten.The bottom product of the separator S3 is passed via line 16 into the heat exchanger E1, cooled there against the entire refrigerant flow and then expanded in the valve a. Then, this relaxed refrigerant fraction is added to the refrigerant fraction exiting via line 25 from heat exchanger E2 before they then enter the heat exchanger E1 together.

Das Kopfprodukt des Abscheiders D1 wird über Leitung 17 ebenfalls in den Wärmetauscher E1 geleitet und dort gegen sich selbst abgekühlt und tritt sodann über Leitung 18 in den Abscheider D2 ein.The top product of the separator D1 is also passed via line 17 in the heat exchanger E1 and there cooled against itself and then enters via line 18 into the separator D2.

Das Sumpfprodukt des Abscheiders D2 wird über Leitung 23 durch Wärmetauscher E2 geleitet, dort weiter gegen den Kältemittelstrom 25 gekühlt und über Leitung 21 in einem Joule-Thomson Ventil b entspannt. Der entspannte Strom wird mit dem Kältemittelstrom 22 aus E3 gemischt. Gemeinsam bilden sie den Kältemittelstrom 25 in E2.The bottom product of the separator D2 is passed via line 23 through heat exchanger E2, where it is further cooled against the refrigerant stream 25 and expanded via line 21 in a Joule-Thomson valve b. The expanded stream is mixed with the refrigerant stream 22 from E3. Together they form the refrigerant flow 25 in E2.

Das Kopfprodukt aus Abscheider D2 wird durch die Wärmetauscher E2 und E3 geleitet und dabei gegen Strom 25 bzw. 22 weiter abgekühlt, verflüssigt und unterkühlt und schließlich zur Darstellung der für den Prozess notwendigen, niedrigsten Temperatur im Ventil c entspannt. Sodann wird diese entspannte Kältemittelfraktion im Gegenstrom durch den Wärmetauscher E3 geleitet, um so zum Einen die Verflüssigung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms sowie die Eigenkühlung des Kältemittels zu bewirken. Dabei geht sie selbst durch Verdampfung und Anwärmung vom überwiegend Flüssigkeits- in den Gaszustand über.The top product from separator D2 is passed through the heat exchangers E2 and E3 and thereby further cooled against current 25 and 22, liquefied and supercooled and finally relaxed to display the necessary for the process, the lowest temperature in the valve c. Then, this relaxed refrigerant fraction is passed in countercurrent through the heat exchanger E3, so as to effect on the one hand, the liquefaction of the hydrocarbon-rich stream and the internal cooling of the refrigerant. In doing so, it goes over itself by evaporation and warming from the predominantly liquid to the gas state.

In Leitung 22 wird diese Kältemittelfraktion sodann mit dem Sumpfprodukt aus dem Abscheider D2 vereint. Dieses wurde zuvor über Leitung 23 im Wärmetauscher E2 gekühlt und im Ventil b entspannt. Nach Durchfluss dieser vereinten Kühlmittelfraktion durch Wärmetauscher E2 wird sie, wie vorstehend bereits erwähnt, mit der in Ventil a entspannten Kältemittelfraktion vereinigt und nach gemeinsamen Passieren von Wärmetauscher E1 der Verdichtereinheit zugeführt.In line 22, this refrigerant fraction is then combined with the bottom product from the separator D2. This was previously cooled via line 23 in the heat exchanger E2 and relaxed in the valve b. After passing through this combined coolant fraction through heat exchanger E2, it is, as already mentioned above, combined with the refrigerant fraction relaxed in valve a and fed to the compressor unit after passing through heat exchanger E1.

In Figur 2 ist eine weitere Ausführungsform dieses herkömmlichen Verfahrens gezeigt, bei der die Wärmetauscher E3, E2 und E3 in Form gewickelter Wärmeaustauscher ausgestaltet sind. Dadurch entfallen die Leitungen 22 und 25 aus Figur 1.In FIG. 2 shows a further embodiment of this conventional method, in which the heat exchangers E3, E2 and E3 are designed in the form of coiled heat exchanger. This eliminates the lines 22 and 25 FIG. 1 ,

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Nachteile zu vermeiden, die mit den vorstehend beschriebenen Verfahren des Standes der Technik verbunden sind und insbesondere ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, das mit weniger Energieverbrauch und kostengünstiger als im Stand der Technik betrieben werden kann.It is an object of the present invention to obviate the drawbacks associated with the above-described prior art methods and, more particularly, to provide a method which can be operated with less energy consumption and less costly than in the prior art.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung oder Verflüssigung eines an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms durch Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufs, wobei

  1. a) der an Kohlenwasserstoffen reiche Strom durch mindestens einen Wärmetauscher mit mindestens zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Wärmetauschersektionen geleitet wird,
  2. b) jeder Wärmetauschersektion mindestens eine aus einer Mehrzahl von Kältemittelgemischfraktionen zugeleitet wird (wobei die Temperatur des Kältemittelgemischs durch Kühlung gegen sich selbst und Entspannung erniedrigt wird),
  3. c) die mehreren Fraktionen des Kältemittelgemischs in einem mehrstufigen Kältemittelkreislaufverdichter verdichtet werden und in den Wärmetauscher rückgeführt werden,
wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass die aus den Wärmetauschersektionen austretenden Kältemittelgemischfraktionen den einzelnen Stufen des Kältemittelkreislaufverdichters auf deren Saugseite zumindest teilweise getrennt zugeleitet werdenThe invention relates to a method for cooling or liquefying a hydrocarbon-rich stream by heat exchange with the refrigerant mixture of a mixed refrigerant cycle, wherein
  1. a) the hydrocarbon-rich stream is passed through at least one heat exchanger having at least two or more consecutive heat exchanger sections,
  2. b) at least one of a plurality of refrigerant mixture fractions is fed to each heat exchanger section (wherein the temperature of the refrigerant mixture is lowered by cooling against itself and relaxation),
  3. c) the multiple fractions of the refrigerant mixture are compressed in a multi-stage refrigerant cycle compressor and recycled into the heat exchanger,
wherein the method is characterized in that the refrigerant mixture fractions emerging from the heat exchanger sections are at least partially fed separately to the individual stages of the refrigerant cycle compressor on the suction side thereof

Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Anlage zur Durchführung des obigen Verfahrens, die

  1. a) mindestens einen Wärmetauscher mit mindestens zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Wärmetauschersektionen (E1, E2, E3), durch die der an Kohlenwasserstoffen reiche Strom geleitet wird,
  2. b) Vorrichtungen zur Durchleitung des Kältemittelgemischs in mindestens einer aus einer Mehrzahl von Fraktionen (16, 17, 20, 23) durch die Wärmetauschersektionen (wobei die Temperatur des Kältemittelgemischs dabei durch Kühlung gegen sich selbst und Entspannung (a, b, c) erniedrigt wird), und
  3. c) einen mehrstufigen Kältemittelkreislaufverdichter (I, II, III), in dem die mehreren Fraktionen des Kältemittelgemischs verdichtet werden, sowie Vorrichtungen zur Rückführung des Kältemittelgemischs (16, 17) in den Wärmetauscher aufweist,
wobei die Anlage dadurch gekennzeichnet ist, dass sie ferner Mittel aufweist, durch die die aus den Wärmetauschersektionen austretenden Kältemittelgemischfraktionen den einzelnen Stufen des Kältemittelkreislaufverdichters zumindest teilweise getrennt zugeleitet werden (6, 6a, 6b).Furthermore, the present invention relates to a plant for carrying out the above method, which
  1. a) at least one heat exchanger having at least two or more successive heat exchanger sections (E1, E2, E3) through which the hydrocarbon-rich stream is passed,
  2. b) means for passing the refrigerant mixture in at least one of a plurality of fractions (16, 17, 20, 23) through the heat exchanger sections (wherein the temperature of the refrigerant mixture is thereby reduced by cooling against itself and relaxation (a, b, c) ), and
  3. c) a multi-stage refrigerant cycle compressor (I, II, III), in which the plurality of fractions of the refrigerant mixture are compressed, and having means for recycling the refrigerant mixture (16, 17) in the heat exchanger,
wherein the plant is characterized in that it further comprises means by which the refrigerant mixture fractions emerging from the heat exchanger sections are at least partially fed to the individual stages of the refrigerant cycle compressor (6, 6a, 6b).

Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines mehrstufigen Verdichters eines Kältemittelkreislaufs, bei dem ein Kältemittelgemisch, dass in mindestens einer aus einer Mehrzahl von Fraktionen (16, 17, 20, 23) durch die aufeinanderfolgenden Wärmetauschersektionen mindestens eines Wärmetauschers geleitet worden ist, den einzelnen Stufen des Kältemittelkreislaufverdichters (I, II, III) auf deren Saugseite zumindest teilweise getrennt zugeleitet wird (6, 6a, 6b).Finally, the invention relates to a method for operating a multi-stage compressor of a refrigerant circuit, wherein a refrigerant mixture that in at least one of a A plurality of fractions (16, 17, 20, 23) has been passed through the successive heat exchanger sections of at least one heat exchanger, the individual stages of the refrigerant cycle compressor (I, II, III) is at least partially supplied separately on the suction side (6, 6a, 6b) ,

Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen offenbart.Preferred embodiments of the present invention are disclosed in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit den folgenden Vorteilen verbunden. Zum Einen ist der Energiebedarf geringer als bei den Verflüssigungs- und Kühlverfahren des Standes der Technik. Dadurch ist die Umweltbelastung geringer. Sämtliche Wärmetauscherstufen können kleiner ausgelegt werden als im Stand der Technik. Dies gilt auch für den verwendeten Kompressor und die Gasturbine. Dadurch ist das erfindungsgemäße Verfahren insgesamt mit geringeren Kosten verbunden als herkömmliche Verfahren des Standes der Technik.The process of the invention has the following advantages. On the one hand, the energy requirement is lower than in the liquefaction and cooling processes of the prior art. As a result, the environmental impact is lower. All heat exchanger stages can be made smaller than in the prior art. This also applies to the compressor and the gas turbine used. As a result, the method according to the invention is generally associated with lower costs than conventional methods of the prior art.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

In der vorliegenden Beschreibung werden der Einfachheit halber auch die Begriffe "Kältemittel" und "Kältemittelkreislauf" verwendet, um Kältemittelgemische und den erfindungsgemäßen Kältemittelgemischkreislauf zu beschreiben. Darunter fallen insbesondere mehrphasige Kältemittelgemische und Kältemittel, die aus einer oder mehreren verschiedenen chemischen Komponenten bestehen.In the present specification, for the sake of simplicity, the terms "refrigerant" and "refrigerant circuit" are also used to describe refrigerant mixtures and the mixed refrigerant cycle of the present invention. These include in particular multiphase refrigerant mixtures and refrigerants which consist of one or more different chemical components.

Dies sind im Allgemeinen Mischungen aus mehreren der Komponenten Stickstoff, Methan, Ethan, Ethen, Propan, Propen, Butan, z.B. n-Butan oder iso-Butan und Pentan, z.B. n-Pentan oder iso-Pentan in einer für den Verflüssigungsprozess optimierten Zusammensetzung. Z.B. kann ein Kältemittelgemisch verwendet werden, das eine Kombination von Stickstoff, Methan, Ethan, Propan, Butan und gegebenenfalls auch Pentan enthält. Die Temperaturen im Kältemittelkreislauf liegen im Bereich der örtlichen Umgebungstemperatur bis 50°C oder höher nach den Verdichterstufen, bis hinunter zu etwa -160° C oder darunter. Der Druckbereich liegt etwa zwischen einem und 50 bar.These are generally mixtures of several of the components nitrogen, methane, ethane, ethene, propane, propene, butane, for example n-butane or isobutane and pentane, for example n-pentane or iso-pentane in a composition optimized for the liquefaction process. For example, a refrigerant mixture can be used which contains a combination of nitrogen, methane, ethane, propane, butane and possibly also pentane. The temperatures in the refrigerant circuit are within the range of the local ambient temperature up to 50 ° C or higher after the compressor stages, down to about -160 ° C or below. The pressure range is approximately between one and 50 bar.

Ferner werden die Begriffe "Kältemittelgemischfraktion" und "Kältemittelgemischstrom" oder auch nur kurz "Fraktion" bzw. "Strom" hierin synonym verwendet. Sie bezeichnen einen Teil des ein- oder mehrphasigen Kältemittelgemischs in einem Teilabschnitt des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. in einem Teil der erfindungsgemäßen Anlage, z.B. eine Fraktion in Wärmetauscher E1 oder Wärmetauscher E2.Further, the terms "mixed refrigerant fraction" and "mixed refrigerant stream" or even just "fraction" or "stream" are used synonymously herein. They designate a part of the mono- or multiphase refrigerant mixture in a subsection of the method according to the invention or in a part of the system according to the invention, e.g. a fraction in heat exchanger E1 or heat exchanger E2.

Mit "Wärmetauschersektion" wie hierin verwendet sind einzelne Wärmetauscher oder einzelne Teilabschnitte (Sektionen) eines Wärmetauschers gemeint, die innerhalb einer insgesamt nach außen isolierten Anlage ("Kältebox") oder einzeln isoliert angeordnet sein können. Dies ist dem Fachmann bekannt. Nachfolgend werden die Begriffe "Wärmetauschersektion" und "Wärmetauscher" insoweit auch synonym verwendet.By "heat exchanger section" as used herein is meant individual heat exchangers or individual sections (sections) of a heat exchanger that may be located within a generally outwardly insulated enclosure ("cold box") or individually insulated. This is known to the person skilled in the art. In the following, the terms "heat exchanger section" and "heat exchanger" are also used interchangeably.

Die Begriffe "Kompressor" und "Verdichter" werden synonym verwendet.The terms "compressor" and "compressor" are used synonymously.

Ferner ist der Begriff "Kältebox" im Stand der Technik wohlbekannt. Der Begriff bezeichnet eine isolierte Tieftemperaturapparatur, die Fluide auf tiefe Temperaturniveaus abkühlt, z. B. bis zu -40°C bis -190°C oder darunter.Furthermore, the term "cold box" is well known in the art. The term refers to an isolated cryogenic apparatus which cools fluids to low temperature levels, e.g. Up to -40 ° C to -190 ° C or below.

Unter einem Joule-Thomson-Ventil wird ein Ventil verstanden, durch das eine Flüssigkeit, Gas oder Flüssig-Gas-Mischung adiabatisch expandiert, was zu einer Temperaturerniedrigung führt.By a Joule-Thomson valve is meant a valve through which a liquid, gas or liquid-gas mixture adiabatically expands, which leads to a decrease in temperature.

Auf die Beschreibung etwaiger Vorbehandlungsschritte des an Kohlenwasserstoffen reichen Stromes vor der Kühlung bzw. Verflüssigung, wie z. B. Sauergasentfernung und/oder Quecksilberentfernung, Entfernung von schweren Kohlenwasserstoffen etc., wird vorliegend nicht weiter eingegangen. Diese Aspekte sind Fachleuten bekannt.On the description of any pretreatment steps of the hydrocarbon-rich stream before cooling or liquefaction, such. As sour gas removal and / or mercury removal, removal of heavy hydrocarbons, etc., is not further discussed here. These aspects are known to those skilled in the art.

Allgemein wird erfindungsgemäß so vorgegangen, dass der gegebenenfalls vorbehandelte, zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom, insbesondere Erdgas, einem ersten Wärmetauscher E1 zugeführt wird. In diesem Wärmetauscher erfolgt eine Vorkühlung des Stromes gegen das Kältemittel. Anschließend wird der derart vorgekühlte Strom einem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen das Kältemittel in diesem Wärmetauscher weiter abgekühlt und verflüssigt. Zuletzt wird der verflüssigte Strom einem dritten Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen das darin vorhandene Kältemittel unterkühlt. Der so verflüssigte und unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom, insbesondere Erdgas, wird anschließend über eine geeignete Leitung seiner weiteren Verwendung, beispielsweise einer Zwischenlagerung, zugeleitet. Dies ist in den Figuren nicht näher dargestellt. Bei der Kühlung und Verflüssigung wird der Joule-Thomson-Effekt genutzt.In general, the procedure according to the invention is that the optionally pretreated, hydrocarbon-rich stream to be liquefied, in particular natural gas, is fed to a first heat exchanger E1. In this heat exchanger, a pre-cooling of the stream takes place against the refrigerant. Subsequently, the thus pre-cooled stream is fed to a second heat exchanger E2 and further cooled and liquefied in this against the refrigerant in this heat exchanger. Finally, the liquefied stream is fed to a third heat exchanger E3 and subcooled therein against the refrigerant present therein. The thus liquefied and supercooled hydrocarbon-rich stream, in particular natural gas, is then fed via a suitable line of its further use, for example, an intermediate storage. This is not shown in detail in the figures. Cooling and liquefaction use the Joule-Thomson effect.

Die Druckentspannung in den jeweiligen Wärmetauschern kann somit erfindungsgemäß mittels Joule-Thomson-Ventilen oder mittels hydraulischen Expandern in Kombination mit Joule-Thomson-Ventilen oder mittels zweiphasiger Expander erfolgen. Derartige Vorrichtungen sind an sich im Stand der Technik bekannt. Letztere sind beispielsweise in der DE 103 55 935 A1 beschrieben.The pressure release in the respective heat exchangers can thus be effected according to the invention by means of Joule-Thomson valves or by means of hydraulic expanders in combination with Joule-Thomson valves or by means of two-phase expander. Such devices are known per se in the prior art. The latter are for example in the DE 103 55 935 A1 described.

Erfindungsgemäß wird das Kältemittel, das aus den drei Wärmetauschereinheiten E1, E2 und E3 austritt, einem mehrstufigen Verdichter für den Kältemittelgemischkreislauf zugeführt, der insbesondere drei Verdichterstufen I, II und III oder noch mehr Stufen, z. B. vier, fünf oder sechs Stufen umfasst. Dabei wird erfindungsgemäß so vorgegangen, dass die aus dem jeweiligen Wärmetauscher austretenden Kältemittelströme den Kreislaufverdichterstufen jeweils getrennt zugeführt werden.According to the invention, the refrigerant, which exits the three heat exchanger units E1, E2 and E3, fed to a multi-stage compressor for the refrigerant mixture cycle, in particular three compressor stages I, II and III or even more stages, for. B. includes four, five or six stages. In this case, the procedure according to the invention is such that the refrigerant streams emerging from the respective heat exchanger are fed separately to the cycle compressor stages.

Dabei können die Kältemittelströme jedoch innerhalb des Kreislaufverdichters, d.h. dem Teil der Anlage, der die einzelnen Verdichter, Saugbehälter zu deren Schutz sowie erforderliche Kühler umfasst, insoweit miteinander kombiniert werden, als ein Kältemittelstrom, der bereits eine Verdichterstufe durchlaufen hat, mit einem anderen Kältemittelstrom, der noch keine Verdichterstufe durchlaufen hat, kombiniert werden kann. Danach durchläuft der so vereinigte Strom eine weitere, stromabwärts gelegene Verdichterstufe. Insoweit werden die Kältemittelströme den einzelnen Stufen des Kreislaufverdichters insgesamt gesehen "zumindest teilweise getrennt" zugeführt. Mit anderen Worten, die aus den Wärmetauschereinheiten austretenden Ströme des Kältemittels werden jedenfalls so lange nicht vereinigt, wie nicht mindestens ein Strom verdichtet worden ist.However, the refrigerant flows within the cycle compressor, ie the part of the system that the individual Compressor, suction container for their protection and required cooler includes, insofar combined with each other, as a refrigerant flow, which has already passed through a compressor stage, with another refrigerant flow, which has not gone through any stage compressor, can be combined. Thereafter, the stream thus combined passes through another downstream compressor stage. In that regard, the refrigerant flows to the individual stages of the cycle compressor as a whole "at least partially separated" supplied. In other words, the streams of the refrigerant leaving the heat exchanger units are in any case not combined as long as at least one stream has not been compressed.

Die Wärmetauschersektionen E1, E2 und E3 können jeweils in weitere Sektionen unterteilt werden, wobei die Kältemittelströme in analoger Weise den ebenfalls weiter unterteilten Verdichterstufen zugeleitet werden.The heat exchanger sections E1, E2 and E3 can each be subdivided into further sections, wherein the refrigerant flows are fed in an analogous manner to the likewise further subdivided compressor stages.

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft in Bezug auf Figur 3 detailliert erörtert, wobei insbesondere auf die Unterschiede zu dem herkömmlichen Verfahren abgestellt wird, dass in Figur 1 gezeigt ist.The invention will be described by way of example with reference to FIG FIG. 3 is discussed in detail, focusing in particular on the differences from the conventional method that in FIG. 1 is shown.

Bezüglich der Kühlung und Verflüssigung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stromes in den Leitungen 1 bis 5 nach Durchtritt durch die Wärmetauscher E1, E2 und E3 kann auf die vorstehende Beschreibung zu Figur 1 verwiesen werden.With regard to the cooling and liquefaction of the stream rich in hydrocarbons in the lines 1 to 5 after passing through the heat exchangers E1, E2 and E3 may be to the above description FIG. 1 to get expelled.

Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verfahren gemäß Figur 1 wird erfindungsgemäß bei der Führung und Komprimierung des Kältemittelgemischs so vorgegangen, dass das über Leitung 16 in den Wärmetauscher E1 eintretende Bodenprodukt des (Hochdruck-)abscheiders D1 nach Kühlung gegen sich selbst und Entspannung im Ventil a nun nicht stromaufwärts, bezogen auf Wärmetauscher E1 und die Anordnung des Ventils a, mit einer weiteren Kältemittelfraktion kombiniert wird, sondern nach Durchtritt von Wärmetauscher E1 (zur Eigenkühlung und Vorkühlung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms (1)) über Leitung 6 mit aus dem Kühler E5 über Leitung 12 austretenden und bereits komprimierten Kältemittelfraktion kombiniert und über Leitung 12a in den Saugbehälter S3 geleitet wird. Von dort aus wird diese kombinierte Kältemittelfraktion über Leitung 13 der Saugseite der Verdichtereinheit III zugeführt und weiter komprimiert.In contrast to the conventional method according to FIG. 1 According to the invention, in the course of guiding and compressing the refrigerant mixture, the bottom product of the (high-pressure) precipitator D1 entering the heat exchanger E1 after cooling is not cooled up against itself and expanded in the valve a, relative to the heat exchanger E1 and the Arrangement of the valve a, is combined with a further refrigerant fraction, but after passage of heat exchanger E1 (for self-cooling and precooling of hydrocarbons rich stream (1)) is combined via line 6 with emerging from the cooler E5 via line 12 and already compressed refrigerant fraction and passed via line 12a into the suction container S3. From there, this combined refrigerant fraction is fed via line 13 to the suction side of the compressor unit III and further compressed.

Ferner wird der aus dem (Hochdruck-)abscheider D1 austretene Kopfproduktstrom 17 nach Passieren des Wärmetauschers E1, in dem er gegen sich selbst gekühlt wird, zwar ebenso wie bei dem herkömmlichen Verfahren in den Abscheider D2 geleitet und dort in zwei Ströme aufgeteilt, die über die Leitungen 19 (Kopfprodukt) bzw. 23 (Sumpfprodukt) in den Wärmetauscher E2 geleitet werden.Further, the head product stream 17 exiting from the (high-pressure) precipitator D1, after passing through the heat exchanger E1 in which it is cooled against itself, is conducted into the separator D2 just like in the conventional method, where it is split into two streams which pass over the lines 19 (top product) and 23 (bottom product) are passed into the heat exchanger E2.

Allerdings wird erfindungsgemäß die in Wärmetauscher E2 weiter gegen sich selbst gekühlte und über Leitung 24 durch Ventil b entspannte Bodenproduktfraktion des Abscheiders D2 nicht wie bei dem herkömmlichen Verfahren mit der nach Passieren des Wärmetauschers E3 und Entspannung in Ventil c ebenfalls weiter gekühlten Kopfproduktfraktion aus Abscheider D2 kombiniert. Stattdessen wird die über Ventil b entspannte Fraktion über Leitung 6a nach Durchlaufen des Wärmetauschers E2 (zur Eigenkühlung und Verflüssigung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms (3)) über die Leitungen 6a und 9a dem Saugbehälter S2 zugeführt. Erst an dieser Stelle, d. h. stromabwärts von Wärmetauscher E2, wird diese Fraktion mit der Kältemittelfraktion kombiniert, die über Leitung 6b aus dem Wärmetauscher E3 austritt und nach Passieren des Saugbehälters S1 und Verdichtung in Verdichterstufe I in Kühler E4 bereits vorgekühlt worden ist.However, according to the invention, in the heat exchanger E2 further cooled against itself and via line 24 through valve b relaxed bottom product fraction of the separator D2 not as in the conventional method with the passing of the heat exchanger E3 and relaxation in valve c also further cooled top product fraction from separator D2 combined , Instead, the fraction which has been vented via valve b is fed via line 6a, after passing through heat exchanger E2 (for self-cooling and liquefaction of hydrocarbon-rich stream (3)) via lines 6a and 9a to suction container S2. Only at this point, d. H. downstream of heat exchanger E2, this fraction is combined with the refrigerant fraction, which exits via line 6b from the heat exchanger E3 and has already been pre-cooled after passing through the suction container S1 and compression in the compressor stage I in the cooler E4.

Sodann durchläuft diese kombinierte Kältemittelfraktion die zweite Verdichterstufe II und wird, wie vorstehend bereits erwähnt, nach weiterer Kühlung in Kühler E5 mit der über Leitung 6 aus dem Wärmetauscher E1 austretenden Fraktion vereinigt.This combined refrigerant fraction then passes through the second compressor stage II and, as already mentioned above, after further cooling in cooler E5, is combined with the fraction leaving the heat exchanger E1 via line 6.

Diese Verfahrensführung führt zu den oben bei der zusammenfassenden Darstellung der Erfindung erwähnten Vorteilen. Insbesondere vermeidet das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Ansaugleitung für das Kältemittelgemisch zur ersten Stufe des Kältemittelkreislaufverdichters mit einem so großen Durchmesser ausgelegt werden muss wie beim Verfahren des Standes der Technik. Denn wie zuvor detailliert erörtert, werden bei dem Verfahren des Standes der Technik zunächst die Kältemittelfraktionen nach Durchlaufen der Wärmetauscher E3, E2 und E1 kombiniert und sodann der ersten Verdichterstufe zugeführt. Diese gemeinsame Zuführung sowie die Tatsache, dass diese Kältemittelfraktionen kombiniert bei niedrigem Druck gasförmig vorliegen, also ein entsprechend großes Volumen einnehmen, erfordert die Verwendung von Ansaugleitungen mit vergleichsweise großem Durchmesser. Dies führt aber auch zu einem vergleichsweise größeren Energiebedarf bei der anschließenden Verdichtung und Kühlung, der durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung auf Grund der getrennten und Zuführung bei kälteren Temperaturen reduziert wird.This procedure leads to the advantages mentioned above in the summary of the invention. Especially avoids the inventive method that the suction pipe for the refrigerant mixture to the first stage of the refrigerant cycle compressor must be designed with a diameter as large as in the method of the prior art. As discussed in detail above, in the prior art method, the refrigerant fractions are first combined after passing through the heat exchangers E3, E2 and E1 and then supplied to the first compressor stage. This combined supply and the fact that these refrigerant fractions are combined in gaseous form at low pressure, ie occupy a correspondingly large volume, necessitates the use of intake pipes of comparatively large diameter. However, this also leads to a comparatively greater energy requirement in the subsequent compression and cooling, which is reduced by the method of the present invention due to the separate and feed at colder temperatures.

Ferner werden die einzelnen Kältemittelfraktionen erfindungsgemäß den Stufen des Kältemittelkreislaufverdichters bei vergleichsweise niedrigerer Temperatur zugeführt als bei dem Verfahren des Standes der Technik. Dies führt dazu, dass die Verdichter- und die Kühlleistung (nach der Verdichtung) geringer sind als bei den Verfahren des Standes der Technik. Dies ist ein wesentlicher Beitrag zur Energieeinsparung, da der Energieverbrauch des Kältemittelkreislaufverdichters regelmäßig die größte Verbrauchskomponente bei Gasverflüssigungsverfahren darstellt.Furthermore, according to the invention, the individual refrigerant fractions are fed to the stages of the refrigerant cycle compressor at a comparatively lower temperature than in the case of the prior art method. As a result, the compressor and the cooling capacity (after compression) are lower than in the prior art methods. This is a significant contribution to energy saving, as the energy consumption of the refrigerant cycle compressor regularly represents the largest consumption component in gas liquefaction.

Schließlich ist die erfindungsgemäße Verfahrensführung auch deshalb vorteilhaft, weil die den Wärmetauscher E3 durchlaufende Kältemittelfraktion nach Austritt über Leitung 22 direkt wieder der Verdichtung zugeführt wird, und nicht, wie bei dem in Figur 1 gezeigten Verfahren des Standes der Technik, weiter durch die Wärmetauscher E2 und E1 geleitet wird. Denn bereits nach Durchlaufen von Wärmetauscher E3 ist diese Kältemittelfraktion weitestgehend gasförmig, so dass der Wärmeaustausch in den darauffolgenden Wärmetauschern E2 und E1 schlechter ist als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem jeweils "frisch" entspannte Kältemittelfraktionen allein durch den jeweiligen Wärmetauscher geleitet werden. Dabei wird die Wärme in wesentlich günstigerer Weise durch Verdampfung der Flüssigphase des Kältemittels ausgetauscht, wodurch die Wärmetauscherfläche, das Volumen und damit die Kosten des Wärmetauschers reduziert werden. ebenso verringert sich der Druckverlust für den Kältekreislauf, was zur weiteren Reduktion des Leistungsbedarfs des Kreislaufverdichters beiträgt.Finally, the process control according to the invention is also advantageous because the refrigerant fraction passing through the heat exchanger E3 is fed directly back to the compression after exiting via line 22, and not, as in the in FIG. 1 shown prior art, is further passed through the heat exchangers E2 and E1. For even after passing through heat exchanger E3 this refrigerant fraction is largely gaseous, so that the heat exchange in the subsequent heat exchangers E2 and E1 is worse than in the inventive method in which each "fresh" relaxed refrigerant fractions are passed solely through the respective heat exchanger. The heat is exchanged in a much more favorable manner by evaporation of the liquid phase of the refrigerant, whereby the heat exchanger surface, the volume and thus the cost of the heat exchanger can be reduced. also reduces the pressure loss for the refrigeration cycle, which contributes to the further reduction of the power requirement of the cycle compressor.

Claims (16)

Verfahren zur Kühlung oder Verflüssigung eines an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms durch indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufs, wobei a. der an Kohlenwasserstoffen reiche Strom durch mindestens einen Wärmetauscher mit mindestens zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Wärmetauschersektionen geleitet wird, b. jeder Wärmetauschersektion mindestens eine aus einer Mehrzahl von Kältemittelgemischfraktionen zugeleitet wird, c. die mehreren Fraktionen des Kältemittelgemischs in einem mehrstufigen Kältemittelkreislaufverdichter verdichtet werden und in den Wärmetauscher rückgeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den Wärmetauschersektionen austretenden Kältemittelgemischfraktionen den einzelnen Stufen des Kältemittelkreislaufverdichters auf deren Saugseite zumindest teilweise getrennt zugeleitet werden.A method for cooling or liquefying a hydrocarbon-rich stream by indirect heat exchange with the refrigerant mixture of a mixed refrigerant cycle, wherein a. the hydrocarbon-rich stream is passed through at least one heat exchanger having at least two or more consecutive heat exchanger sections, b. each heat exchanger section is fed at least one of a plurality of refrigerant mixture fractions, c. the multiple fractions of the refrigerant mixture are compressed in a multi-stage refrigerant cycle compressor and recycled to the heat exchanger, characterized in that the refrigerant mixture fractions emerging from the heat exchanger sections are fed to the individual stages of the refrigerant cycle compressor at least partially separated on their suction side. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der an Kohlenwasserstoffen reiche Strom Erdgas ist.A method according to claim 1, characterized in that the hydrocarbon-rich stream is natural gas. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher mindestens drei Wärmetauschersektionen (E1, E2, E3) aufweist.A method according to claim 1 or claim 2, characterized in that the heat exchanger has at least three heat exchanger sections (E1, E2, E3). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelkreislaufverdichter mindestens drei Verdichterstufen (I, II, III) oder mehr aufweist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant circuit compressor has at least three compressor stages (I, II, III) or more. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Wärmetauschersektion (E3), die insbesondere der Unterkühlung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms dient, austretende Kältemittelgemischfraktion (6b), der Saugseite der ersten Stufe (I) des Kältemittelkreislaufverdichters zugeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that from the heat exchanger section (E3), which serves in particular the supercooling of the hydrocarbon-rich stream exiting refrigerant mixture fraction (6b), the suction side of the first stage (I) of the refrigerant cycle compressor is supplied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Wärmetauschersektion (E2), die insbesondere der Verflüssigung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms dient, austretende Kältemittelgemischfraktion (6a), der Saugseite der zweiten Stufe (II) des Kältemittelkreislaufverdichters zugeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that from the heat exchanger section (E2), which serves in particular the liquefaction of the hydrocarbon-rich stream exiting refrigerant mixture fraction (6a), the suction side of the second stage (II) of the refrigerant cycle compressor is supplied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Wärmetauschersektion (E1), die insbesondere der Vorkühlung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms dient, austretende Kältemittelgemischfraktion (6), der Saugseite der dritten Stufe (III) des Kältemittelkreislaufverdichters zugeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that from the heat exchanger section (E1), which serves in particular the pre-cooling of the stream rich in hydrocarbons, exiting refrigerant mixture fraction (6), the suction side of the third stage (III) of the refrigerant cycle compressor is supplied. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Wärmetauschersektion (E3), die insbesondere der Unterkühlung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms dient, austretende Kältemittelgemischfraktion (6b) nach Verdichtung (I) und Kühlung (E4) mit der aus der Wärmetauschersektion (E2), die insbesondere der Verflüssigung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms dient, austretenden Kältemittelgemischfraktion (6a) auf der Saugseite der zweiten Verdichterstufe (II) kombiniert und dieser zugeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that from the heat exchanger section (E3), which serves in particular the supercooling of the hydrocarbon-rich stream exiting refrigerant mixture fraction (6b) after compression (I) and cooling (E4) with that from the heat exchanger section (E2), which serves in particular the liquefaction of the stream rich in hydrocarbons, combined refrigerant mixture fraction (6a) on the suction side of the second compressor stage (II) combined and supplied to it. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Wärmetauschersektion (E2), die insbesondere der Verflüssigung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms dient, austretende Kältemittelgemischfraktion (6a) nach Verdichtung (II) und Kühlung (E5) mit der aus der Wärmetauschersektion (E1), die insbesondere der Vorkühlung des an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms dient, austretenden Kältemittelgemischfraktion (6) auf der Saugseite der dritten Verdichterstufe (III) kombiniert und dieser zugeleitet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the from the heat exchanger section (E2), which serves in particular the liquefaction of the hydrocarbon-rich stream exiting refrigerant mixture fraction (6a) after compression (II) and cooling (E5) with the from the heat exchanger section (E1), which serves in particular the pre-cooling of the stream rich in hydrocarbons, refrigerant mixture fraction (6) on the suction side of the third compressor stage (III) combined and this is forwarded. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kältemittelgemischfraktionen (6, 6a, 6b) nicht vor Eintritt mindestens einer Fraktion in die Saugseite einer Stufe des Kältemittelkreislaufverdichters miteinander kombiniert werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the refrigerant mixture fractions (6, 6a, 6b) are not combined with each other before the entry of at least one fraction in the suction side of a stage of the refrigerant cycle compressor. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung des Kältemittelgemischs mittels Joule-Thomson-Ventilen oder mittels hydraulischen Expandern in Kombination mit Joule-Thomson-Ventilen oder mittels zweiphasiger Expander erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion of the refrigerant mixture by means of Joule-Thomson valves or by means of hydraulic expanders in combination with Joule-Thomson valves or by means of two-phase expander. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kältemittelgemisch eine Zusammensetzung aus mehreren der Komponenten Stickstoff, Methan, Ethan, Ethen, Propan, Propen, Butan, Buten und Pentan verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that a composition of several of the components nitrogen, methane, ethane, ethene, propane, propene, butane, butene and pentane is used as the refrigerant mixture. Anlage zur Kühlung oder Verflüssigung eines an Kohlenwasserstoffen reichen Stroms durch indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufs, die a. mindestens einen Wärmetauscher mit mindestens zwei oder mehreren aufeinanderfolgenden Wärmetauschersektionen (E1, E2, E3), durch die der an Kohlenwasserstoffen reiche Strom geleitet wird, b. Vorrichtungen zur Durchleitung des Kältemittelgemischs in mindestens einer aus einer Mehrzahl von Fraktionen (16, 17, 20, 23) durch die Wärmetauschersektionen (E1, E2, E3), und c. einen mehrstufigen Kältemittelkreislaufverdichter (I, II, III oder mehr), in dem die mehreren Fraktionen des Kältemittelgemischs verdichtet werden, sowie Vorrichtungen zur Rückführung des Kältemittelgemischs (16, 17) in den Wärmetauscher aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage ferner Mittel aufweist, durch die die aus den Wärmetauschersektionen austretenden Kältemittelgemischfraktionen den einzelnen Stufen des Kältemittelkreislaufverdichters zumindest teilweise getrennt zugeleitet werden (6, 6a, 6b).An installation for cooling or liquefying a hydrocarbon-rich stream by indirect heat exchange with the refrigerant mixture of a mixed refrigerant cycle, the a. at least one heat exchanger having at least two or more successive heat exchanger sections (E1, E2, E3) through which the hydrocarbon-rich stream is passed, b. Devices for passing the refrigerant mixture in at least one of a plurality of fractions (16, 17, 20, 23) through the heat exchanger sections (E1, E2, E3), and c. a multi-stage refrigerant cycle compressor (I, II, III or more) in which the plurality of fractions of the refrigerant mixture are compressed, and having means for returning the mixed refrigerant (16, 17) in the heat exchanger, characterized in that the system further comprises means by which the refrigerant mixture fractions emerging from the heat exchanger sections are at least partially fed to the individual stages of the refrigerant circuit compressor (6, 6a, 6b). Anlage nach Anspruch 13, die Vorrichtungen und Mittel gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 12 aufweist bzw. solche Mittel aufweist, die zur Durchführung der in diesen Ansprüchen genannten Verfahrensschritte geeignet sind.Plant according to claim 13, comprising means and means according to one or more of claims 2 to 12, or having means suitable for carrying out the method steps mentioned in these claims. Verfahren zum Betrieb eines mehrstufigen Kältemittelkreislaufverdichters, bei dem ein Kältemittelgemisch, das in mindestens einer aus einer Mehrzahl von Fraktionen (16, 17, 20, 23) durch die aufeinanderfolgenden Wärmetauschersektionen mindestens eines Wärmetauschers geleitet worden ist, den einzelnen Stufen des Kältemittelkreislaufverdichters (I, II, III oder mehr) auf deren Saugseite zumindest teilweise getrennt zugeleitet wird (6, 6a, 6b).A method for operating a multi-stage refrigerant cycle compressor in which a mixed refrigerant that has been passed in at least one of a plurality of fractions (16, 17, 20, 23) through the successive heat exchanger sections at least one heat exchanger, the individual stages of the refrigerant cycle compressor (I, II , III or more) is supplied at least partially separated on its suction side (6, 6a, 6b). Verfahren nach Anspruch 15, bei dem der Kältemittelkreislaufverdichter wie in einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10 definiert betrieben wird.The method of claim 15, wherein the refrigerant cycle compressor is operated as defined in one or more of claims 4 to 10.
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