EP2484999A2 - Verfahren zum Abkühlen eines ein-oder mehrkomponentigen Stromes - Google Patents

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EP2484999A2
EP2484999A2 EP12000698A EP12000698A EP2484999A2 EP 2484999 A2 EP2484999 A2 EP 2484999A2 EP 12000698 A EP12000698 A EP 12000698A EP 12000698 A EP12000698 A EP 12000698A EP 2484999 A2 EP2484999 A2 EP 2484999A2
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EP
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refrigerant mixture
fraction
boiling
compressed
via line
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Andreas Bub
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Linde GmbH
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    • F25J2270/00—Refrigeration techniques used
    • F25J2270/02—Internal refrigeration with liquid vaporising loop

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a one- or multi-component stream, in particular a hydrocarbon-rich fraction, by indirect heat exchange with the refrigerant mixture of a mixed refrigerant cycle, wherein the refrigerant mixture is compressed at least two stages and in a lower-boiling, compressed to the final pressure of the refrigerant mixture cycle refrigerant mixture fraction and in at least a higher boiling, compressed to an intermediate pressure refrigerant mixture fraction is separated.
  • a generic method for cooling a one- or multi-component stream is for example from DE-C 19722490 known.
  • Such cooling or liquefaction processes are used, for example, in baseload liquefaction plants.
  • the lower-boiling and the higher-boiling refrigerant mixture fraction are evaporated at different temperature levels against the stream to be cooled or liquefied.
  • the temperature profile resulting in the heat exchanger (s) can be advantageously influenced.
  • the in the DE-C 19722490 requires, compared to mixture circuits in which such a separation does not occur, a certain technical and regulatory overheads.
  • Object of the present invention is to provide a generic method for cooling a one-component or multi-component stream, which is particularly suitable for the liquefaction of a hydrocarbon-rich stream to specify that requires a smaller apparatus and / or regulatory technical effort.
  • a generic method for cooling a one- or multi-component stream is proposed, which is characterized in that the higher-boiling refrigerant mixture fraction is pumped to the pressure of the lower boiling refrigerant mixture fraction and combined before or immediately at the beginning of the indirect heat exchange with the lower boiling refrigerant mixture fraction ,
  • the apparatus and the technical control effort can be reduced.
  • Additional investment and operating costs are caused by the additional pump to be pumped, by means of which the higher-boiling refrigerant mixture fraction is pumped to the pressure of the lower boiling refrigerant mixture fraction.
  • the figure shows a process for cooling and liquefying a hydrocarbon-rich, nitrogen-containing feed fraction in which the recovery of a highly concentrated nitrogen fraction is integrated into the liquefaction process.
  • a method is for example the subject of the unpublished DE-A 102009038458 , By citing this document, its disclosure content is fully integrated with the disclosure content of the present patent application.
  • a hydrocarbon-rich, nitrogen-containing feed fraction is initially an optional drying unit A and subsequently fed via line 101 to a heat exchanger E1.
  • the feed fraction is liquefied and undercooled against still to be described process streams.
  • Via line 102 in which an expansion valve d is provided, the supercooled feed fraction of a separation column T1 is abandoned.
  • From the bottom of a hydrocarbon-rich, nitrogen-depleted fraction is withdrawn via line 106 and supercooled in the heat exchanger E4.
  • this fraction is fed via the line sections 107 and 108 to a separator D1. From the bottom of this separator, the liquid LNG product fraction is withdrawn via line 109 and fed to the LNG storage tank L.
  • a highly concentrated nitrogen fraction is withdrawn via line 104; their nitrogen content is usually between 90 and 100 vol .-%.
  • This nitrogen fraction is heated in the heat exchangers E4 and E1 against the process streams to be cooled and then withdrawn from the process via line 105.
  • a side fraction is withdrawn via line 103, cooled in the heat exchanger E4 and fed to the separation column T1 as reflux.
  • a nitrogen-rich fraction is withdrawn via line 112. This is admixed via line 110 by means of the compressor C2 compressed boil-off gas from the LNG storage tank L. Via line 113, this stream is fed to the heat exchanger E1 and heated against cooled process streams. The warmed-up stream is fed via line 114 to a preferably multi-stage compressor unit C1, compressed in this to the desired condensing pressure and then admixed via line 115 of the feed fraction 100. If necessary or optional, an amine wash A 'can be provided.
  • the method described above is used in particular when the nitrogen concentration in the end product LNG is to be limited to 1% by volume. Otherwise, in the case of a higher nitrogen concentration, unwanted and dangerous stratifications due to different densities could occur within the LNG storage tank.
  • the refrigerant mixture cycle 1 to 9 designed according to the invention comprises a two-stage compressor unit C11, a separator D10 connected upstream of this compressor unit, and two separators D11 and D12 connected downstream of the two compressor stages. Furthermore, in contrast to that in the DE-C 19722490 described process management to provide a single or multi-stage designed pump or pump unit P11.
  • the gas phase withdrawn from the separator D11 via line 4 is fed to the second compressor stage of the compressor unit 11 and compressed by means of this to the desired final pressure of the mixed refrigerant cycle.
  • the compressed refrigerant mixture is passed to the separator D12 after passing through the aftercooler E12.
  • the obtained in the bottom of the separator liquid fraction is returned via line 7, in which a control valve c is provided, in front of the entrance of the separator D11.
  • the lower boiling, compressed to the desired final pressure gaseous refrigerant mixture fraction is withdrawn via line 8 and also fed to the heat exchanger E1.
  • the liquid and the gaseous refrigerant mixture fractions 5 'and 8 are combined prior to or directly at the beginning of the heat exchange taking place in the heat exchanger E1 and fed to the heat exchanger E1 as a two-phase stream.
  • the two-phase Refrigerant mixture is cooled in the heat exchanger E1 under pressure and thereby completely liquefied.
  • the refrigerant mixture is withdrawn via line 9, expanded in the valve a and then completely evaporated on renewed passage through the heat exchanger E1.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abkühlen eines ein- oder mehrkomponentigen Stromes, insbesondere einer Kohlenwasserstoffreichen Fraktion, durch indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufes beschrieben, wobei das Kältemittelgemisch wenigstens zweistufig verdichtet wird und in eine tiefersiedende, auf den Enddruck des Kältemittelgemischkreislaufes verdichtete Kältemittelgemischfraktion und in wenigstens eine höhersiedende, auf einen Zwischendruck verdichtete Kältemittelgemischfraktion aufgetrennt wird. Erfindungsgemäß wir die höhersiedende Kältemittelgemischfraktion (5) auf den Druck der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion (8) gepumpt (P11) und vor dem oder unmittelbar zu Beginn des indirekten Wärmetausches (E1) mit der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion (8) vereinigt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abkühlen eines ein- oder mehrkomponentigen Stromes, insbesondere einer Kohlenwasserstoffreichen Fraktion, durch indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufes, wobei das Kältemittelgemisch wenigstens zweistufig verdichtet wird und in eine tiefersiedende, auf den Enddruck des Kältemittelgemischkreislaufes verdichtete Kältemittelgemischfraktion und in wenigstens eine höhersiedende, auf einen Zwischendruck verdichtete Kältemittelgemischfraktion aufgetrennt wird.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abkühlen eines ein- oder mehrkomponentigen Stromes ist beispielsweise aus der DE-C 19722490 bekannt. Derartige Abkühl- bzw. Verflüssigungsverfahren kommen beispielsweise in Baseload-Verflüssigungsanlagen zur Anwendung. Hierbei werden die tiefersiedende sowie die höhersiedende Kältemittelgemischfraktion gegen den abzukühlenden bzw. zu verflüssigenden Strom auf unterschiedlichen Temperaturniveaus verdampft. Mittels dieser Verfahrensweise der getrennten Stromführung kann das in dem bzw. den Wärmetauschern resultierende Temperaturprofil vorteilhaft beeinflusst werden. Die in der DE-C 19722490 beschriebene Verfahrensweise erfordert jedoch im Vergleich zu Gemischkreisläufen, bei denen eine derartige Auftrennung nicht erfolgt, einen gewissen apparativen und regeltechnischen Mehraufwand.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abkühlen eines ein- oder mehrkomponentigen Stromes, das insbesondere für die Verflüssigung eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes geeignet ist, anzugeben, das einen geringeren apparativen und/oder regeltechnischen Aufwand erfordert.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abkühlen eines ein- oder mehrkomponentigen Stromes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die höhersiedende Kältemittelgemischfraktion auf den Druck der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion gepumpt und vor dem oder unmittelbar zu Beginn des indirekten Wärmetausches mit der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion vereinigt wird.
  • Aufgrund der erfindungsgemäß vorzusehenden Zusammenführung der höhersiedenden sowie der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion können der apparative sowie der regeltechnische Aufwand verringert werden. Dabei kommt es jedoch zu keiner Erhöhung des Energieverbrauchs des Kältemittelgemischkreislaufes. Zusätzliche Investitions- sowie Betriebskosten werden durch die zusätzlich vorzusehende Pumpe verursacht, mittels derer die höhersiedende Kältemittelgemischfraktion auf den Druck der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion gepumpt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abkühlen eines ein- oder mehrkomponentigen Stromes, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • das Pumpen der höhersiedende Kältemittelgemischfraktion ein- oder mehrstufig erfolgt, und
    • die Vereinigung bzw. Vermischung der höhersiedenden und der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion in einem speziell dafür ausgebildeten Bereich des Wärmetauschers erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abkühlen eines ein- oder mehrkomponentigen Stromes sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die Figur zeigt ein Verfahren zum Abkühlen und Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen, Stickstoff-enthaltenden Einsatzfraktion, bei dem die Gewinnung einer hochkonzentrierten Stickstofffraktion in den Verflüssigungsprozess integriert ist. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise Gegenstand der nicht vorveröffentlichten DE-A 102009038458 . Mit der Zitierung dieses Dokuments sei dessen Offenbarungsgehalt zur Gänze an den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung integriert.
  • Über Leitung 100 wird eine Kohlenwasserstoff-reiche, Stickstoff-enthaltende Einsatzfraktion zunächst einer optional vorzusehenden Trocknungseinheit A und anschließend über Leitung 101 einem Wärmetauscher E1 zugeführt. In diesem wird die Einsatzfraktion gegen noch zu beschreibende Verfahrensströme verflüssigt und unterkühlt. Über Leitung 102, in der ein Entspannungsventil d vorgesehen ist, wird die unterkühlte Einsatzfraktion einer Trennkolonne T1 aufgegeben. Aus deren Sumpf wird über Leitung 106 eine Kohlenwasserstoff-reiche, Stickstoff-abgereicherte Fraktion abgezogen und im Wärmetauscher E4 unterkühlt. Nach Entspannung im Ventil e wird diese Fraktion über die Leitungsabschnitte 107 und 108 einem Abscheider D1 zugeführt. Aus dem Sumpf dieses Abscheiders wird über Leitung 109 die flüssige LNG-Produktfraktion abgezogen und dem LNG-Lagertank L zugeführt.
  • Aus dem Kopf der Trennkolonne T1 wird über Leitung 104 eine hochkonzentrierte Stickstofffraktion abgezogen; deren Stickstoffgehalt beträgt üblicherweise zwischen 90 und 100 Vol.-%. Diese Stickstofffraktion wird in den Wärmetauschern E4 und E1 gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und anschließend über Leitung 105 aus dem Prozess abgezogen.
  • Zur Durchführung des in der Trennkolonne T1 ablaufenden Trennprozesses wird über Leitung 103 eine Seitenfraktion abgezogen, im Wärmetauscher E4 abgekühlt und der Trennkolonne T1 als Rücklauf aufgegeben.
  • Am Kopf des Abscheiders D1 wird über Leitung 112 eine Stickstoff-reiche Fraktion abgezogen. Dieser wird über Leitung 110 mittels des Verdichters C2 verdichtetes Boil-Off-Gas aus dem LNG-Lagertank L zugemischt. Über Leitung 113 wird dieser Strom dem Wärmetauscher E1 zugeführt und gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt. Der angewärmte Strom wird über Leitung 114 einer vorzugsweise mehrstufig ausgelegten Verdichtereinheit C1 zugeführt, in dieser auf den gewünschten Verflüssigungsdruck verdichtet und anschließend über Leitung 115 der Einsatzfraktion 100 zugemischt. Sofern erforderlich bzw. optional kann eine Aminwäsche A' vorgesehen sein.
  • Die vorbeschriebene Verfahrensführung kommt insbesondere dann zur Anwendung, wenn die Stickstoffkonzentration im Endprodukt LNG auf 1 Vol.-% zu begrenzen ist. Im Falle einer höheren Stickstoff-Konzentration könnte es ansonsten innerhalb des LNG-Lagertanks zu unerwünschten und gefährlichen Schichtungen aufgrund unterschiedlicher Dichten kommen.
  • Der erfindungsgemäß gestaltete Kältemittelgemischkreislauf 1 bis 9 umfasst eine zweistufige Verdichtereinheit C11, einen dieser Verdichtereinheit vorgeschalteten Abscheider D10 sowie zwei den beiden Verdichterstufen nachgeschalteten Abscheidern D11 und D12. Des Weiteren ist im Gegensatz zu der in der DE-C 19722490 beschriebenen Verfahrensführung eine ein- oder mehrstufig ausgelegte Pumpe bzw. Pumpeneinheit P11 vorzusehen.
  • Das im Wärmetauscher E1 gegen den zu verflüssigenden Einsatzstrom 101 verdampfte Kältemittelgemisch wird über Leitung 1 dem vorgenannten Abscheider D10 zugeführt. Die aus dem Kopf dieses Abscheiders über Leitung 2 abgezogene Gasphase wird der ersten Verdichterstufe der Verdichtereinheit C11 zugeführt und mittels dieser auf einen gewünschten Zwischendruck verdichtet. Über Leitung 3 wird das verdichtete Kältemittelgemisch nach Durchgang durch den Nachkühler E11 dem Abscheider D11 zugeführt. Aus dessen Sumpf wird über Leitung 5 eine höhersiedende Kältemittelgemischfraktion abgezogen und mittels der Pumpe bzw. der Pumpeneinheit P11 auf den Druck der noch zu beschreibenden gasförmigen tiefersiedenden Kättegemischfraktion gepumpt. Über Leitung 5', in der ein Regelventil b angeordnet ist, wird diese Flüssigfraktion vor den Eingang des Wärmetauschers E1 geführt.
  • Die aus dem Abscheider D11 über Leitung 4 abgezogene Gasphase wird der zweiten Verdichterstufe der Verdichtereinheit 11 zugeführt und mittels dieser auf den gewünschten Enddruck des Kältemittelgemischkreislaufes verdichtet. Über Leitung 6 wird das verdichtete Kältemittelgemisch nach Durchgang durch den Nachkühler E12 dem Abscheider D12 aufgegeben. Die im Sumpf des Abscheiders anfallende Flüssigfraktion wird über Leitung 7, in der ein Regelventil c vorgesehen ist, vor den Eingang des Abscheiders D11 zurückgeführt. Am Kopf des Abscheiders D12 wird über Leitung 8 die tiefersiedende, auf den gewünschten Enddruck verdichtete gasförmige Kältemittelgemischfraktion abgezogen und ebenfalls dem Wärmetauscher E1 zugeführt.
  • Erfindungsgemäß werden die flüssige sowie die gasförmige Kältemittelgemischfraktionen 5' und 8 vor dem oder unmittelbar zu Beginn des im Wärmetauscher E1 stattfindenden Wärmeaustausches vereinigt und dem Wärmetauscher E1 als Zweiphasenstrom zugeführt. Das zweiphasige Kältemittelgemisch wird im Wärmetauscher E1 unter Druck abgekühlt und dabei vollständig verflüssigt. Am kalten Ende des Wärmetauschers E1 wird das Kältemittelgemisch über Leitung 9 abgezogen, im Ventil a entspannt und anschließend beim erneuten Durchgang durch den Wärmetauscher E1 vollständig verdampft.
  • Im Gegensatz zu der in der DE-C 19722490 beschriebenen Verfahrensweise ist beim erfindungsgemäßen Verfahren keine gezielte Einflussnahme auf das Temperaturprofil im Wärmetauscher E1 möglich. Da dies in einer Vielzahl von Anwendungsfällen nicht erforderlich ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren, das einen geringeren apparativen und/oder regeltechnischen Aufwand zur Folge hat, bei einer Vielzahl von Anwendungsfällen von Vorteil sein.

Claims (3)

  1. Verfahren zum Abkühlen eines ein- oder mehrkomponentigen Stromes, insbesondere einer Kohlenwasserstoffreichen Fraktion, durch indirekten Wärmetausch mit dem Kältemittelgemisch eines Kältemittelgemischkreislaufes, wobei das Kältemittelgemisch wenigstens zweistufig verdichtet wird und in eine tiefersiedende, auf den Enddruck des Kältemittelgemischkreislaufes verdichtete Kältemittelgemischfraktion und in wenigstens eine höhersiedende, auf einen Zwischendruck verdichtete Kältemittelgemischfraktion aufgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die höhersiedende Kältemittelgemischfraktion (5) auf den Druck der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion (8) gepumpt (P11) und vor dem oder unmittelbar zu Beginn des indirekten Wärmetausches (E1) mit der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion (8) vereinigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpen (P11) der höhersiedende Kältemittelgemischfraktion (5) ein- oder mehrstufig erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vereinigung bzw. Vermischung der höhersiedenden (5') und der tiefersiedenden Kältemittelgemischfraktion (5') in einem speziell dafür ausgebildeten Bereich des Wärmetauschers (E1) erfolgt.
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