EP4390279A1 - Verfahren zum anwärmen einer kalten anlage - Google Patents

Verfahren zum anwärmen einer kalten anlage Download PDF

Info

Publication number
EP4390279A1
EP4390279A1 EP22020624.7A EP22020624A EP4390279A1 EP 4390279 A1 EP4390279 A1 EP 4390279A1 EP 22020624 A EP22020624 A EP 22020624A EP 4390279 A1 EP4390279 A1 EP 4390279A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fluid
heating
compressor
heated
system component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP22020624.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Bub
Alexander Dick
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.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP22020624.7A priority Critical patent/EP4390279A1/de
Publication of EP4390279A1 publication Critical patent/EP4390279A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F25J1/0245—Different modes, i.e. 'runs', of operation; Process control
    • F25J1/0248—Stopping of the process, e.g. defrosting or deriming, maintenance; Back-up mode or systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/0002—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures characterised by the fluid to be liquefied
    • F25J1/0022—Hydrocarbons, e.g. natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0279—Compression of refrigerant or internal recycle fluid, e.g. kind of compressor, accumulator, suction drum etc.
    • F25J1/0298—Safety aspects and control of the refrigerant compression system, e.g. anti-surge control
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/30—Compression of the feed stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2230/00—Processes or apparatus involving steps for increasing the pressure of gaseous process streams
    • F25J2230/32—Compression of the product stream

Definitions

  • the invention relates to a method for warming up a cold system which comprises at least one compressor.
  • Plants such as natural gas, air separation and helium plants use cryogenic temperatures to obtain the desired product(s) with the required specifications.
  • Many plant components, e.g. heat exchangers, columns, vessels, etc., in such plants are therefore operated below ambient temperature and in particular below 0 °C.
  • Feed gas can be used to heat the plant components concerned, i.e. a material flow that is also processed in the plant under normal operating conditions.
  • the feed gas may be provided at a temperature that differs from normal operation. This is also described below, in particular with reference to a natural gas liquefaction plant, although the present invention can also be used in other plants and offers the corresponding advantages there too.
  • feed gas is typically fed into the cold part of the plant where it is processed.
  • the feed gas is liquefied and subcooled using a refrigerant circuit.
  • NNL natural gas liquids
  • NRU nitrogen rejection unit
  • dry feed gas or regeneration gas which is optionally heated, is used as
  • Warm-up gas is used to warm up the equipment or system components that are at cold temperature levels.
  • the warm warm-up gas is passed through the various equipment and cooled as the equipment is heated.
  • the cold warm-up gas is then typically passed into a flare and burned. The process is carried out until the affected system components are heated to the required temperature level.
  • Nitrogen from a supply network can also be used for heating, but the gas quantities required to enable relatively rapid heating are usually significantly higher than the available flow rates of the operating medium nitrogen.
  • the invention makes use of the measure of using a compressor that is already present in the system to return the heating gas.
  • all available compressors can be used for this purpose.
  • feed compressors upstream of the system component to be heated during normal operation of the system
  • product compressors downstream of the system component to be heated during normal operation
  • refrigerant compressors connected to the component to be heated during normal operation within a circuit
  • a fluid When we speak of a fluid, we mean a substance or mixture of substances that consists essentially of components in the liquid and/or gaseous and/or supercritical state and is fluid overall.
  • the fluid can have several phases, but can also be single-phase.
  • a temperature level When we talk about a temperature level, we mean a temperature that is within a certain interval around a certain value, for example an average value. As a rule, a temperature level does not refer to a temperature that can be set exactly. For example, a temperature level can include temperatures that deviate from a certain value by 5%, 10%, 30% or 50%. Neighboring temperature levels can be disjoint, share limits or overlap with each other. The same applies to "pressure levels”.
  • a “cold” temperature level is one that is predominantly below 0 °C, while a “cryogenic” temperature level does not include positive Celsius temperatures and is particularly below -50 °C, -100 °C or -150 °C.
  • a cryogenic temperature level can essentially be a temperature that boiling liquid nitrogen assumes at natural atmospheric pressure.
  • the method proposed here is used to heat a system component of a system that is operated at a cryogenic temperature level in a first operating period.
  • the heating is carried out in a second operating period, wherein a compressor is operated to compress a heating fluid, wherein the heating fluid heats up to a first temperature level during compression, wherein the compressed and heated heating fluid is fed at least to a first portion of a system component to be heated and is cooled there to a second temperature level with heat transfer to the system component to be heated, and wherein the cooled heating fluid is returned to the compressor downstream of the system component to be heated in order to be compressed again.
  • Operating a system at a cryogenic temperature level should also be understood to mean a situation in which the system is (passively) cooled to a cryogenic temperature by cold ambient conditions.
  • the present invention overcomes several disadvantages of the heating with feed or regeneration gas mentioned at the beginning.
  • the prerequisite for such conventional heating is first of all that it must be available in sufficient quantities and at the required temperature level. If no corresponding gas is available, e.g. due to malfunctions in the system, heating is not possible. If corresponding gas at the required temperature level is only available at a later point in time, the permissible temperature differences of the system part or apparatus to be heated may be violated. Restarting is then only possible if the system is warmed up by heat input from the environment, which can lead to a delay of several weeks until full production operation is achieved again.
  • the amount of gas required for heating from external sources such as feed gas or nitrogen, can be reduced and external gas can be dispensed with completely if necessary.
  • the heating process using feed gas as the heating gas typically requires flaring of the spent heating gas, resulting in increased carbon dioxide emissions and higher operating costs.
  • the present invention enables corresponding savings in this regard.
  • the present invention offers the advantage that as the temperature level increases, more and more heating fluid can be passed through the compressor.
  • the heating rate thus remains constant or increases, which leads to shorter downtimes of the system.
  • the heating rate decreases as the temperature level increases, since the amount of available heating fluid is limited.
  • a first scenario is a shutdown for maintenance purposes. If an inspection and/or maintenance of the equipment is required after the shutdown of system components, the affected part of the The system must be heated to temperatures above the ambient temperature in order to prevent ambient air from penetrating the cold equipment and thus contamination of the system by condensing moisture.
  • inspection and maintenance intervals can be shortened and reliable operation without unplanned downtimes can be ensured because the adverse effects of conventional heating methods can be at least partially eliminated.
  • a second scenario is restarting after the system has been shut down.
  • a cold start is not always possible if the permissible temperature limits for restarting are violated, e.g. if the warm part of the plate heat exchanger (PFHE) has become too cold.
  • PFHE plate heat exchanger
  • restarting may not be possible due to excessive temperature differences, which would lead to undesirable thermal loading of the PFHEs.
  • warming up the entire system and a subsequent warm start may be necessary.
  • the heating up of the affected system parts must be initiated in good time, since the permissible temperature differences must also be taken into account for the heating process.
  • the present invention can lead to the corresponding heating up of the entire system being avoided, since fewer or no additional gases need to be provided for the heating up.
  • a feed compressor and/or a product compressor and/or a refrigerant compressor can be used as a compressor.
  • a feed compressor is used in a normal operating mode of the system, in which no heating of system components takes place, to compress feed fluid supplied to the system.
  • a product compressor is used in the normal operating mode to compress product fluid produced in the system.
  • a refrigerant compressor is used in the normal operating mode to compress refrigerant and thus indirectly to remove heat from the cold system components.
  • Every compressor can basically be operated in full circuit via a so-called anti-surge or anti-surge line, i.e. without having to feed in external fluid.
  • the compressed fluid is typically cooled in a special aftercooler to dissipate the compression heat. After cooling, the fluid is returned to the suction side of the compressor to prevent the compressor from "running dry".
  • Part of the cold heating fluid can be mixed on the suction side of the compressor with warm anti-surge fluid from the anti-surge line, which is formed from a second portion of the heating fluid compressed in the compressor.
  • the compressor is therefore not only used for re-compression, but also for heating the heating fluid so that it can be used again for heating without flaring.
  • the usual aftercooler can be bypassed by the heating fluid or its cooling capacity can be reduced in order to provide a higher heat level for heating.
  • the ratio between the first part and the second part of the heating fluid i.e. the ratio between heating fluid and anti-surge fluid
  • the ratio between heating fluid and anti-surge fluid can be adjusted depending on the temperature of the returned, cold heating fluid (i.e. depending on the second temperature level).
  • the warmer the returning heating fluid becomes the more heating fluid (first part) can be fed to the compressor and the anti-surge fluid (second part) can be reduced according to the requirements of the compressor's anti-surge protection.
  • the heating rate can be kept constant or even increased, since with a higher temperature level more and more heating fluid can be fed to the cold part of the system. This significantly reduces the system's downtime.
  • a coolant and/or a feed fluid and/or a product fluid can be used as the warming fluid. This prevents substances that are not part of the process from being introduced into the system.
  • the heating fluid can, for example, comprise one or more of the group consisting of nitrogen, natural gas, air, oxygen, helium, hydrogen, argon, ethane, ethane derivatives, propane, propane derivatives and other hydrocarbons.
  • nitrogen, natural gas, air, oxygen, helium, hydrogen, argon, ethane, ethane derivatives, propane, propane derivatives and other hydrocarbons are substances typically used in cryogenic systems and are therefore particularly relevant to the application.
  • “Derivatives” here are understood to mean singly or multiply substituted (functionalized) alkanes that are derived from the original alkanes without changing the carbon chain length.
  • Different embodiments of the invention may include, have, consist of, or consist essentially of other useful combinations of the described elements, components, features, parts, steps, means, etc., even if such combinations are not specifically described herein.
  • the disclosure may include other inventions that are not currently claimed, but that may be claimed in the future, particularly if they are included within the scope of the independent claims.
  • Figure 1 illustrates in a highly simplified manner a heating process for a system component K using a system 100.
  • the system component K can be, for example, a countercurrent heat exchanger, in particular a plate heat exchanger, a wound heat exchanger, or a group of heat exchangers and possibly associated devices.
  • the system component K is operated in a normal operating mode in which the system component K is not heated, at a temperature level that in particular below 0 °C.
  • a feed fluid 1, e.g. natural gas is supplied to the system component K and to the system 100 as a whole.
  • a product fluid 2, e.g. liquefied natural gas is also removed from the system 100 or the system component K.
  • the system 100 can comprise a refrigerant circuit 4, 4A, which is also indicated here.
  • the coolant circuit 4, 4A can be switched off, as can the supply of feed fluid 1.
  • a heating fluid 3 can then be supplied to the system component K to be heated, which, in particular according to a predeterminable temperature profile, supplies the system component K to be heated with heat and heats it to a desired temperature.
  • feed fluid 1 or another heat transfer medium can be used as the heating fluid 3.
  • the heating fluid 3 After flowing through the system component K to be heated, the heating fluid 3, which can be contaminated, for example, with frozen and now re-evaporated impurities from the system 100, can be directed for disposal via a valve V to a flare F, in which it is burned, usually without further use.
  • Figure 1A again illustrates a corresponding system in which the Figure 1 System component K designated with K is designed as the main heat exchanger E1.
  • the system as a whole is designated with 100.
  • Dry feed gas 1 such as natural gas
  • the main heat exchanger E1 e.g. a spiral-wound heat exchanger, a plate heat exchanger or an arrangement of several heat exchangers
  • LNG subcooled liquid natural gas
  • the required cooling capacity is provided by a refrigerant circuit, from which partial flows in Figure 1A as previously designated 4, 4A. More specifically, low-pressure refrigerant 4A exiting from the main heat exchanger E1 is passed through a suction tank D1 to a refrigerant compressor C1 for compression. In the High-pressure refrigerant 4 produced by compressor C1 from low-pressure refrigerant 4A is partially condensed in an aftercooler or condenser E2 and passed to a tank D2 where liquid and gas are separated. The pumping protection of the refrigerant compressor C1 is ensured by gas 5 which is taken overhead downstream of the tank D2, throttled via a throttle valve V3 and returned to the suction side of the refrigerant compressor C1.
  • Liquid and gaseous high-pressure refrigerant 4 leaving the vessel D2 is directed to the main heat exchanger E1, where it is first completely liquefied and subcooled.
  • the high-pressure refrigerant 4 is throttled to a low pressure level in a valve V2 and directed back to the heat exchanger E1 as low-pressure refrigerant 4A, where it is evaporated and superheated, providing the cooling capacity for the natural gas liquefaction.
  • the low-pressure refrigerant 4A is directed back to the refrigerant compressor C1 for recompression.
  • the warming up can be carried out individually for each passage group of the main heat exchanger E1, as explained below:
  • warming or regeneration gas 3 is fed to the main heat exchanger E1 via a valve V4.
  • the warming gas 3 flows through the natural gas path and can be fed to a flare F via a valve V7 at the cold end of the heat exchanger E1, where it can be flared, i.e. burned without any further use, as already mentioned.
  • Feed gas 1 can also be used as the warming gas 3.
  • the warming gas 3 can be fed to the main heat exchanger E1 via a valve V5.
  • the warming gas 3 flows through the corresponding passages and can also be fed to the flare F at the cold end of the main heat exchanger E1 via a valve V8 and burned accordingly.
  • the warming gas 3 is fed to the heat exchanger E1 via a valve V6.
  • the warming gas 3 flows through the corresponding passages and can be At the end of the heat exchanger E1, the gas is also led to the flare F via a valve V9 and burned accordingly.
  • FIGS. 2 to 5 illustrate embodiments of the invention in a schematic representation. Components with identical, essentially identical, or comparable function and/or technical design as in the Figures 1 , 1A
  • the system 100 shown in Figure 1 are provided with identical reference symbols.
  • heating fluid is not only fed to the system component K once, but is returned via a compressor and used again as heating fluid 3.
  • a flare for burning used heating fluid 3 is therefore not required and accordingly not shown.
  • the cold heating fluid 3 upstream of the respective compressor CS, CP, C1 is combined with (warm) anti-surge fluid 5, which is returned via anti-surge valve V3 from the pressure side to the suction side of the respective compressor CS, CP, C1, compressed and returned to the system component K to be heated.
  • the compression heat is thus ultimately used to heat the system component K.
  • the systems 200, 300 and 400 differ from each other in particular in the specific arrangement of the respective compressor.
  • a feed compressor CS is used to return the warming fluid 3, which is used in a normal operating mode to compress the feed fluid 1 supplied to the system 200.
  • a product compressor CP instead of the feed compressor CS, a product compressor CP, which is used in the normal operating mode to compress a product fluid 2 taken from the system 300, is used to return the warming fluid 3.
  • a refrigerant compressor C1 is used to return and heat the warming fluid 3.
  • the refrigerant compressor C1 is used for recompressing refrigerant 4, 4A used in the system 400 for cooling.
  • FIG 5 The media flow is explained using the example of a plant 500, which is used for natural gas liquefaction and which has a Figure 1A main heat exchanger E1, designated E1.
  • a refrigerant compressor C1 is used to return the heating fluid 3.
  • the refrigerant circuit 4, 4A is basically analogous to that of system 100 according to Figure 1A constructed: Refrigerant 4A, which is withdrawn from the heat exchanger E1 at a low pressure level, is fed to the refrigerant compressor C1 via a suction tank D1, compressed to a high pressure level (high-pressure refrigerant 4), cooled and partially liquefied in a condenser E2 and fed into a tank D2 in which the liquid and gaseous phases of the refrigerant 4 separate.
  • the high-pressure refrigerant is taken out of the tank D2 again and returned to the heat exchanger E2 on the warm side, subcooled, expanded in a throttle valve V2 and fed back into the heat exchanger E1 on the cold side as low-pressure refrigerant 4A.
  • the refrigerant compressor C1 is initially operated with high proportions of anti-surge fluid 5, which is returned directly from the high-pressure side of the compressor C1 to the low-pressure side of the compressor C1. This introduces a total of heat into the system 500.
  • the warm-up can be carried out individually for each passage of E1.
  • the refrigerant 4 taken from the head side of tank D2 is used for warming.
  • the liquid from tank D2 is not intended for use and the lower line of tank D2 is not in operation during the warm-up process.
  • the heating fluid 3 is fed to the heat exchanger E1 via valve V4.
  • the heating fluid 3 flows through the natural gas path and is fed back to the suction side of the compressor C1 via valve V7.
  • the warming fluid 3 is passed from the tank D2 via valve V5 through the passages and via V8 back to the suction side of the compressor C1.
  • the warming fluid 3 is fed to the heat exchanger E1 via valve V6.
  • the warming fluid 3 flows through the passages and is returned to the suction side of the compressor C1 via valve V9. This can be done for each passage individually or across all passages in parallel.
  • the warming up of the system becomes slower as the equipment becomes warmer, since the available temperature difference between the warming fluid 3 and the cold equipment K decreases while the flow rate of the warming fluid 3 remains constant.
  • the advantage of using a compressor CS, CP, C1 for the return of the heating fluid 3 is that the warmer the heating fluid 3 becomes, the more heating fluid can be supplied to the compressor CS, CP, C1, while the anti-surge fluid 5 can be reduced, ideally until the anti-surge valve V3 is completely closed. In this way, the heating rates can be kept relatively high, The only limit for heating is the permissible heating gradient of the equipment and not the available heating fluid flow rate.
  • Another advantage, especially when using the refrigerant as the warm-up fluid, is that the refrigerant circuits are not contaminated with warm-up fluid and thus there is no need to discard refrigerant inventory. Furthermore, a faster restart of the system 500 is possible because no adjustment of the refrigerant is required after start-up (refrigerant is not replaced).
  • a (possibly switchable) bypass line 6 can optionally be provided in front of the aftercooler E2 in order to allow more heat input into the system component K to be heated and thus faster heating.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Anwärmen einer kalten Anlage (200, 300, 400, 500) vorgeschlagen, wobei ein Verdichter (CS, CP, C1) zum Verdichten eines Anwärmfluids (3) betrieben wird, wobei sich das Anwärmfluid (3) bei dem Verdichten auf ein erstes Temperaturniveau erwärmt, wobei das verdichtete und erwärmte Anwärmfluid (3) zumindest zu einem ersten Anteil einer zu erwärmenden Anlagenkomponente (K, E1) zugeführt wird und dort unter Wärmeübertragung auf die zu erwärmende Anlagenkomponente (K, E1) auf ein zweites Temperaturniveau abgekühlt wird, und wobei das abgekühlte Anwärmfluid (3) stromab der zu erwärmenden Anlagenkomponente (K, E1) zu dem Verdichter (CS, CP, C1) zurückgeführt wird, um erneut verdichtet zu werden. Ferner wird eine Anlage (200, 300, 400, 500) zur Durchführung eines derartigen Verfahrens vorgeschlagen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anwärmen einer kalten Anlage, die zumindest einen Verdichter umfasst.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Anlagen wie Erdgas-, Luftzerlegungs- und Heliumanlagen verwenden kryogene Temperaturen, um das oder die gewünschten Produkt mit den erforderlichen Spezifikationen zu erhalten. Viele Anlagenkomponenten, z.B. Wärmetauscher, Kolonnen, Behälter usw., werden in solchen Anlagen daher unterhalb der Umgebungstemperatur und insbesondere unterhalb von 0 °C betrieben.
  • Es gibt mehrere Szenarien, in denen das Anwärmen solcher kryogenen bzw. kalten Anlagenkomponenten erforderlich ist. Diese werden weiter unten erläutert. Zum Anwärmen der betroffenen Anlagenkomponenten kann Speisegas verwendet werden, also ein Stoffstrom, der unter normalen Betriebsbedingungen ebenfalls in der Anlage verarbeitet wird. Für den Anwärmprozess wird das Speisegas jedoch ggf. bei einer vom Normalbetrieb abweichenden Temperatur bereitgestellt. Dies wird ebenfalls unten insbesondere unter Bezugnahme auf eine Erdgasverflüssigungsanlage beschrieben, wobei die vorliegende Erfindung jedoch auch in anderen Anlagen einsetzbar ist und auch dort die entsprechenden Vorteile bietet.
  • Während des Normalbetriebs einer Erdgasverflüssigungsanlage wird typischerweise Speisegas in den kalten Teil der Anlage geleitet, wo es verarbeitet wird. In einer LNG-Anlage z.B. wird das Speisegas mit Hilfe eines Kältemittelkreislaufs verflüssigt und unterkühlt. Im Zuge der Entfernung von sogenannten Natural Gas Liquids (NGL) und Stickstoff (in einer sogenannten Nitrogen Rejection Unit, NRU) kann das Speisegas durch Druckreduzierung auf die Druckniveaus der Produkte in die gewünschten Fraktionen getrennt werden.
  • Ist ein Anwärmen erforderlich, wird in einem solchen herkömmlichen Verfahren trockenes Speisegas oder Regenerationsgas, das optional erwärmt wird, als
  • Anwärmgas verwendet, um die Apparate bzw. Anlagenkomponenten, die sich auf kalten Temperaturniveaus befinden, anzuwärmen. Das warme Anwärmgas wird dazu durch die verschiedenen Apparate geleitet und beim Anwärmen der Apparate abgekühlt. Das kalte Anwärmgas wird dann typischerweise in eine Fackel geleitet und verbrannt. Das Verfahren wird so lange durchgeführt, bis die betroffenen Anlagenteile auf das erforderliche Temperaturniveau erwärmt sind.
  • Stickstoff aus einem Versorgungsnetz kann ebenfalls zum Anwärmen verwendet werden, jedoch sind in der Regel die erforderlichen Gasmengen, die ein relativ schnelles Anwärmen ermöglichen, deutlich höher als die verfügbaren Durchflussmengen des Betriebsstoffes Stickstoff.
  • Es besteht ein Bedarf an verbesserten Möglichkeiten zum Anwärmen kalter, insbesondere kryogener, Anlagen und Anlagenkomponenten.
    • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie dieser Beschreibung.
  • Die Erfindung bedient sich der Maßnahme, einen in der Anlage ohnehin befindlichen Verdichter zur Rückführung des Anwärmgases zu verwenden. Dazu kommen prinzipiell sämtliche verfügbaren Verdichter in Frage. Insbesondere können zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens Speiseverdichter (im Normalbetrieb der Anlage stromauf der anzuwärmenden Anlagenkomponente), Produktverdichter (im Normalbetrieb stromab der anzuwärmenden Anlagenkomponente) oder Kältemittelverdichter (im Normalbetrieb innerhalb eines Kreislaufs mit zu der anzuwärmenden Komponente verschaltet) verwendet werden.
  • Bevor die Erfindung im Einzelnen beschrieben wird, sollen hier noch einige dazu verwendete Begriffe erläutert werden.
  • Ist hier von einem Fluid die Rede, so ist damit ein Stoff oder Stoffgemisch gemeint, das sich im Wesentlichen aus Komponenten im flüssigen und/oder gasförmigen und/oder überkritischen Zustand zusammensetzt und insgesamt fließfähig ist. Das Fluid kann mehrere Phasen aufweisen, kann jedoch auch einphasig vorliegen.
  • Ist von einem Temperaturniveau die Rede, so ist damit eine Temperatur bezeichnet, die sich innerhalb eines gewissen Intervalls um einen bestimmten Wert, beispielsweise einen Mittelwert, herum befindet. In der Regel bezeichnet ein Temperaturniveau keine exakt einzustellende Temperatur. Beispielsweise kann ein Temperaturniveau Temperaturen umfassen, die um 5%, 10%, 30% oder 50% von einem bestimmten Wert abweichen. Benachbarte Temperaturniveaus können disjunkt sein, sich Grenzwerte teilen oder auch miteinander überlappen. Analoges gilt für "Druckniveaus".
  • Von einem "kalten" Temperaturniveau ist hier die Rede, wenn sich das Temperaturniveau überwiegend unterhalb von 0 °C befindet, ein "kryogenes" Temperaturniveau umfasst keine positiven Celsius-Temperaturen und befindet sich insbesondere unterhalb von -50 °C, -100 °C oder -150 °C. Beispielsweise kann ein kryogenes Temperaturniveau im Wesentlichen eine Temperatur aufweisen, die siedender flüssiger Stickstoff bei natürlichem Atmosphärendruck annimmt.
  • Wird hier beschrieben, dass ein Verfahrensschritt in einer bestimmten Anlagenkomponente durchgeführt wird, so ist dies im hier verwendeten Sprachgebrauch so zu verstehen, dass diese Anlagenkomponente zur Durchführung dieses Verfahrensschrittes eingerichtet ist, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes angegeben ist.
  • Das hier vorgeschlagene Verfahren wird zum Anwärmen einer Anlagenkomponente einer Anlage verwendet, die in einem ersten Betriebszeitraum auf einem kryogenen Temperaturniveau betrieben wird. Das Anwärmen wird in einem zweiten Betriebszeitraum durchgeführt, wobei ein Verdichter zum Verdichten eines Anwärmfluids betrieben wird, wobei sich das Anwärmfluid während des Verdichtens auf ein erstes Temperaturniveau erwärmt, wobei das verdichtete und erwärmte Anwärmfluid zumindest zu einem ersten Anteil einer zu erwärmenden Anlagenkomponente zugeführt wird und dort unter Wärmeübertragung auf die zu erwärmende Anlagenkomponente auf ein zweites Temperaturniveau abgekühlt wird, und wobei das abgekühlte Anwärmfluid stromab der zu erwärmenden Anlagenkomponente zu dem Verdichter zurückgeführt wird, um erneut verdichtet zu werden. Unter einem Betreiben einer Anlage auf einem kryogenen Temperaturniveau soll hierbei auch eine Situation verstanden werden, in der die Anlage durch kalte Umgebungsbedingungen (passiv) auf eine kryogene Temperatur abgekühlt ist.
  • Die vorliegende Erfindung überwindet mehrere Nachteile des eingangs erwähnten Anwärmens mit Speise- oder Regenerationsgas. Voraussetzung für eine solche herkömmliche Anwärmung ist zunächst, dass solches in ausreichender Menge und auf dem erforderlichen Temperaturniveau zur Verfügung stehen muss. Steht kein entsprechendes Gas zur Verfügung, z.B. aufgrund von Störungen in der Anlage, ist das Anwärmen nicht möglich. Steht erst zu einem späteren Zeitpunkt wieder entsprechendes Gas auf dem erforderlichen Temperaturniveau zur Verfügung, können die zulässigen Temperaturdifferenzen des anzuwärmenden Anlagenteils bzw. - apparats ggf. verletzt werden. Ein Wiederanfahren ist dann nur möglich, wenn die Anlage durch Wärmeeintrag aus der Umgebung angewärmt wird, was zu einer Verzögerung von mehreren Wochen führen kann, bis der volle Produktionsbetrieb wieder erreicht ist. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung kann die zur Anwärmung erforderliche Gasmenge aus externen Quellen, wie Speisegas oder Stickstoff, reduziert und ggf. auf externes Gas vollständig verzichtet werden.
  • Außerdem erfordert der Anwärmvorgang mit Speisegas als das Anwärmgas typischerweise ein Fackeln des verbrauchten Anwärmgases, was zu erhöhten Kohlendioxidemissionen und höheren Betriebskosten führt. Die vorliegende Erfindung ermöglicht in dieser Hinsicht entsprechende Einsparungen.
  • Des Weiteren bietet die vorliegende Erfindung den Vorteil, dass mit steigendem Temperaturniveau immer mehr Anwärmfluid über den Verdichter geleitet werden kann. Somit bleibt die Anwärmrate konstant oder erhöht sich, was zu kürzeren Ausfallzeiten der Anlage führt. Beim konventionellen Anwärmen sinkt demgegenüber die Anwärmrate mit steigendem Temperaturniveau, da die Menge an verfügbarem Anwärmfluid limitiert ist.
  • Die vorliegende Erfindung kann in Ausgestaltungen ihre Vorteile in unterschiedlichen Szenarien entfalten. Ein erstes Szenario stellt dabei eine Abschaltung zu Wartungszwecken dar. Falls nach der Abschaltung von Anlagenkomponenten eine Inspektion und/oder Wartung der Apparate erforderlich ist, muss der betroffene Teil der Anlage auf Temperaturen oberhalb der Umgebungstemperatur erwärmt werden, um das Eindringen von Umgebungsluft in die kalten Apparate und damit eine Verunreinigung der Anlage durch kondensierende Feuchtigkeit zu vermeiden. Durch den Einsatz der vorliegenden Erfindung können beispielsweise Prüf- und Wartungsintervalle verkürzt und damit ein zuverlässiger Betrieb ohne ungeplante Ausfälle sichergestellt werden, weil die nachteiligen Effekte herkömmlicher Anwärmverfahren zumindest teilweise eliminiert werden können.
  • Ein zweites Szenario stellt ein Wiederanfahren nach Abschaltung der Anlage dar. Im Falle einer Anlagenabschaltung, z.B. aufgrund von Störfällen, ist ein Kaltstart nicht immer möglich, wenn die zulässigen Temperaturgrenzen für den Neustart verletzt werden, z.B. wenn der warme Teil der Plattenwärmetauscher (PFHE) zu kalt geworden ist. In solchen Fällen ist ggf. ein Wiederanfahren aufgrund zu hoher Temperaturdifferenzen nicht möglich, was zu unerwünschter thermischer Belastung der PFHEs führen würde. In einem solchen Fall kann ein Anwärmen der gesamten Anlage und ein anschließender Warmstart erforderlich sein. Das Anwärmen der betroffenen Anlagenteile muss dabei rechtzeitig eingeleitet werden, da auch für den Anwärmvorgang die zulässigen Temperaturdifferenzen berücksichtigt werden müssen. Die vorliegende Erfindung kann dazu führen, dass eine entsprechende Anwärmung der Gesamtanlage vermieden werden kann, da für das Anwärmen weniger oder keine zusätzlichen Gase bereitgestellt werden müssen.
  • Schließlich stellt auch die Entfernung von Wasser oder anderen Komponenten (z.B. schwere Kohlenwasserstoffe), die ausgefroren sind, ein weiteres Szenario dar, in dem eine Anwärmung vorgenommen wird. Falls unerwünschte Komponenten, die unter kalten Prozessbedingungen einfrieren, wie Wasser oder schwere Kohlenwasserstoffe, in den kryogenen Anlagenteil geleitet wurden, muss dieser Teil aufgewärmt werden, damit diese Komponenten entfernt werden können, um die erforderliche Produktspezifikation zu gewährleisten und einen Betrieb der Anlage außerhalb ihrer Spezifikationen zu vermeiden. Nach dem Anwärmen der Anlage kann das kontaminierte Inventar ersetzt werden bzw. können die Verunreinigungen entfernt werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es aufgrund der erläuterten Vorteile, eine entsprechende Entfernung zügiger vorzunehmen als auch Emissionen zu minimieren.
  • Als Verdichter kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Speiseverdichter und/oder ein Produktverdichter und/oder ein Kältemittelverdichter verwendet werden. Ein Speiseverdichter wird in einem Normalbetriebsmodus der Anlage, in dem keine Anwärmung von Anlagenkomponenten erfolgt, zum Verdichten von der Anlage zugeführtem Einsatzfluid verwendet. Ein Produktverdichter wird in dem Normalbetriebsmodus zum Verdichten von in der Anlage erzeugtem Produktfluid verwendet. Ein Kältemittelverdichter wird in dem Normalbetriebsmodus zum Verdichten von Kältemittel und damit mittelbar zum Abführen von Wärme aus den kalten Anlagenkomponenten verwendet.
  • Jeder Verdichter bzw. Kompressor kann grundsätzlich über eine sogenannte Anti-Surge- oder Pumpschutzleitung im vollen Kreislauf betrieben werden, d.h. ohne externes Fluid einspeisen zu müssen. Das verdichtete Fluid wird dabei typischerweise in einem speziellen Nachkühler gekühlt, um die Verdichtungswärme abzuführen. Nach der Abkühlung wird das Fluid wieder zur Saugseite des Kompressors zurückgeführt, um zu verhindern, dass der Verdichter "leerläuft".
  • Ein Teil des kalten Anwärmfluids kann auf der Saugseite des Verdichters mit warmem Pumpschutzfluid aus der Pumpschutzleitung, das aus einem zweiten Anteil des in dem Verdichter verdichteten Anwärmfluids gebildet wird, gemischt werden. Der Verdichter wird also nicht nur zur erneuten Verdichtung, sondern auch zur Erwärmung des Anwärmfluids genutzt, so dass es erneut zum Anwärmen verwendet werden kann, ohne dass ein Abfackeln erforderlich ist. Dazu kann optional der sonst übliche Nachkühler durch das Anwärmfluid umgangen oder dieser in seiner Kühlleistung reduziert werden, um ein höheres Wärmeniveau für das Anwärmen bereitzustellen.
  • Damit kann das Abfackeln von Erdgas als herkömmliches Anwärmfluid erheblich reduziert oder ganz vermieden werden, indem ein, insbesondere ohnehin installierter, Verdichter zur Rückführung des warmen Anwärmgases eingesetzt wird.
  • Da die mechanische Auslegungstemperatur des Verdichters nicht durch das Anwärmverfahren bestimmt werden soll, kann das Mengenverhältnis zwischen dem ersten Anteil und dem zweiten Anteil des Anwärmfluids (also das Verhältnis zwischen Anwärmfluid und Pumpschutzfluid) dabei in Abhängigkeit von der Temperatur des zurückgeführten, kalten Anwärmfluids (also in Abhängigkeit von dem zweiten Temperaturniveau) eingestellt werden. Insbesondere kann dabei, je wärmer das rückläufige Anwärmfluid wird, umso mehr Anwärmfluid (erster Anteil) dem Verdichter zugeführt werden und das Pumpschutzfluid (zweiter Anteil) kann, entsprechend den Erfordernissen des Pumpschutzes des Verdichters, reduziert werden. Somit kann die Anwärmrate konstant gehaltern oder sogar erhöht werden, da mit höherem Temperaturniveau immer mehr Anwärmfluid zum kalten Anlagenteil geleitet werden kann. Hierdurch reduziert sich die Ausfallzeit der Anlage erheblich.
  • Insbesondere kann ein Kältemittel und/oder ein Speisefluid und/oder ein Produktfluid als das Anwärmfluid verwendet werden. Damit wird vermieden, dass verfahrensfremde Stoffe in die Anlage eingebracht werden.
  • Das Anwärmfluid kann abhängig vom Einsatzgebiet in der Anlage beispielsweise eines oder mehrere aus der Gruppe aus Stickstoff, Erdgas, Luft, Sauerstoff, Helium, Wasserstoff, Argon, Ethan, Ethanderivaten, Propan, Propanderivaten und anderen Kohlenwasserstoffen umfassen. Dies sind typischerweise in kryogenen Anlagen verwendete Stoffe und damit besonders anwendungsrelevant. Unter "Derivaten" werden hier einfach oder mehrfach substituierte (funktionalisierte) Alkane verstanden, die aus den Ursprungsalkanen ohne Veränderung der Kohlenstoff-Kettenlänge abgeleitet sind.
    • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
    • Figuren 1 und 1A Ausgestaltungen einer nicht erfindungsgemäßen Anlage in stark vereinfachter schematischer Darstellung, und
    • Figuren 2 bis 5 Anlagen, wie sie in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, in stark vereinfachter schematischer Darstellung.
    Ausführliche Beschreibung
  • Die nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen werden lediglich zu dem Zweck beschrieben, den Leser beim Verständnis der beanspruchten und zuvor erläuterten Merkmale zu unterstützen. Sie stellen lediglich repräsentative Beispiele dar und sollen hinsichtlich der Merkmale der Erfindung nicht abschließend und/oder beschränkend betrachtet werden. Es versteht sich, dass die zuvor und nachfolgend beschriebenen Vorteile, Ausführungsformen, Beispiele, Funktionen, Merkmale, Strukturen und/oder anderen Aspekte nicht als Beschränkungen des Umfangs der Erfindung, wie er in den Ansprüchen definiert ist, oder als Beschränkungen von Äquivalenten zu den Ansprüchen zu betrachten sind, und dass andere Ausführungsformen verwendet und Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der beanspruchten Erfindung abzuweichen.
  • Unterschiedliche Ausführungsformen der Erfindung können weitere zweckmäßige Kombinationen der beschriebenen Elemente, Komponenten, Merkmale, Teile, Schritte, Mittel usw. umfassen, aufweisen, aus ihnen bestehen oder im Wesentlichen aus ihnen bestehen, auch wenn solche Kombinationen hier nicht spezifisch beschrieben sind. Darüber hinaus kann die Offenbarung andere Erfindungen umfassen, die gegenwärtig nicht beansprucht sind, die aber in Zukunft beansprucht werden können, insbesondere wenn sie vom Umfang der unabhängigen Ansprüche umfasst sind.
  • Erläuterungen, die sich auf Vorrichtungen, Apparate, Anordnungen, Systeme usw. gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, können auch für Verfahren, Prozesse, Methoden usw. gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelten und umgekehrt. Gleiche, gleich wirkende, in ihrer Funktion einander entsprechende, baulich identisch oder vergleichbar aufgebaute Elemente, Verfahrensschritte usw. können mit identischen Bezugszeichen angegeben sein.
  • Figur 1 veranschaulicht stark vereinfacht ein Anwärmverfahren für eine Anlagenkomponente K anhand einer Anlage 100. Bei der Anlagenkomponente K kann es sich beispielsweise um einen Gegenstromwärmetauscher, insbesondere einen Plattenwärmetauscher, einen gewickelten Wärmetauscher, oder um eine Gruppe von Wärmetauschern und ggf. zugeordneten Apparaten, handeln.
  • Die Anlagenkomponente K wird in einem Normalbetriebsmodus, in dem die Anlagenkomponente K nicht erwärmt wird, bei einem Temperaturniveau betrieben, das insbesondere unter 0 °C liegt. In dem Normalbetriebsmodus wird der Anlagenkomponente K, und der Anlage 100 insgesamt, ein Speisefluid 1, z.B. Erdgas, zugeführt. Der Anlage 100 bzw. der Anlagenkomponente K wird in dem Normalbetriebsmodus ferner ein Produktfluid 2, beispielsweise verflüssigtes Erdgas, entnommen. Typischerweise kann die Anlage 100 einen Kältemittelkreislauf 4, 4A umfassen, der hier ebenfalls angedeutet ist.
  • Ist ein Anwärmen der Anlage 100 bzw. der Anlagenkomponente K erforderlich, kann der Kältemittelkreislauf 4, 4A abgeschaltet werden, ebenso wie die Zufuhr von Speisefluid 1. Der anzuwärmenden Anlagenkomponente K kann dann ein Anwärmfluid 3 zugeführt werden, das, insbesondere gemäß einem vorbestimmbaren Temperaturprofil, die anzuwärmende Anlagenkomponente K mit Wärme versorgt und auf eine gewünschte Temperatur anwärmt. Als das Anwärmfluid 3 kann beispielsweise Speisefluid 1 oder ein anderes Wärmeträgermedium verwendet werden. Nach Durchströmen der anzuwärmenden Anlagenkomponente K kann das Anwärmfluid 3, das beispielsweise mit ausgefrorenen und nun rückverdampften Verunreinigungen aus der Anlage 100 kontaminiert sein kann, zur Entsorgung über ein Ventil V zu einer Fackel F geleitet werden, in der es, in der Regel ohne weiteren Nutzen, verbrannt wird.
  • Beispielhaft ist in Figur 1A nochmals eine entsprechende Anlage veranschaulicht, in der die in Figur 1 mit K bezeichnete Anlagenkomponente K als Hauptwärmetauscher E1 ausgebildet ist. Die Anlage ist auch hier insgesamt mit 100 bezeichnet.
  • Zunächst sei hier der Normalbetrieb der Anlage 100 zum besseren Verständnis kurz dargestellt. Trockenes Speisegas 1, wie zuvor z.B. Erdgas, wird zu dem Hauptwärmetauscher E1 (z.B. einem spiralgewickelten Wärmetauscher, einem Plattenwärmetauscher oder einer Anordnung aus mehreren Wärmetauschern) geleitet, wo es verflüssigt und unterkühlt wird. Das unterkühlte flüssige Erdgas (LNG) 2 wird über ein Ventil V1 auf ein geeignetes LNG-Speicherdruckniveau gedrosselt und beispielsweise in einen LNG-Tank eingespeist.
  • Die erforderliche Kühlleistung wird durch einen Kältemittelkreislauf erbracht, von dem Teilströme in Figur 1A wie zuvor mit 4, 4A bezeichnet sind. Genauer wird aus dem Hauptwärmetauscher E1 austretendes Niederdruckkältemittel 4A hierin über einen Ansaugbehälter D1 zu einem Kältemittelverdichter C1 zur Verdichtung geleitet. In dem Verdichter C1 aus dem Niederdruckkältemittel 4A erzeugtes Hochdruckkältemittel 4 wird in einem Nachkühler bzw. Kondensator E2 teilweise kondensiert und zu einem Behälter D2 geleitet, wo Flüssigkeit und Gas getrennt werden. Der Pumpschutz des Kältemittelverdichters C1 wird durch Gas 5 gewährleistet, das stromabwärts des Behälters D2 über Kopf entnommen, über ein Drosselventil V3 gedrosselt und zur Saugseite des Kältemittelverdichters C1 zurückgeführt wird.
  • Flüssiges und gasförmiges Hochdruckkältemittel 4, das den Behälter D2 verlässt, wird zum Hauptwärmetauscher E1 geleitet, wo es zunächst vollständig verflüssigt und unterkühlt wird. Nach dem Verlassen des Wärmetauschers E1 wird das Hochdruckkältemittel 4 in einem Ventil V2 auf ein niedriges Druckniveau gedrosselt und als Niederdruckkältemittel 4A zurück zum Wärmetauscher E1 geleitet, wo es verdampft und überhitzt wird und die Kälteleistung für die Erdgasverflüssigung bereitstellt. Schließlich wird das unter niedrigem Druck stehende Kältemittel 4A zurück zum Kältemittelverdichter C1 zur Rückverdichtung geleitet.
  • Das Anwärmen kann, wie nachfolgend erläutert, insbesondere für jede Passagengruppe des Hauptwärmetauschers E1 einzeln durchgeführt werden:
    Für den Erdgasweg bzw. die Erdgaspassagen wird Anwärm- oder Regenerationsgas 3 über ein Ventil V4 zum Hauptwärmetauscher E1 geleitet. Das Anwärmgas 3 strömt durch den Erdgasweg und kann über ein Ventil V7 am kalten Ende des Wärmetauschers E1 zu einer Fackel F geleitet werden, wo es, wie zuvor bereits angesprochen, abgefackelt, also ohne weiteren Nutzen verbrannt werden kann. Es kann auch Speisegas 1 als das Anwärmgas 3 verwendet werden.
  • Zum Anwärmen des Kältemittelwegs bzw. der Passagen für das Hochdruckkältemittel 4 kann das Anwärmgas 3 über ein Ventil V5 zum Hauptwärmetauscher E1 geleitet werden. Das Anwärmgas 3 strömt durch die entsprechenden Passagen und kann am kalten Ende des Hauptwärmetauschers E1 über ein Ventil V8 ebenfalls zur Fackel F geleitet und entsprechend verbrannt werden.
  • Zum Anwärmen der Kältemittelwegs bzw. der Passagen für das Niederdruckkältemittel wird das Anwärmgas 3 über ein Ventil V6 zum Wärmetauscher E1 geleitet. Das Anwärmgas 3 strömt strömt durch die entsprechenden Passagen und kann am kalten Ende des Wärmetauschers E1 über ein Ventil V9 ebenfalls zur Fackel F geleitet und entsprechend verbrannt werden.
  • Die Figuren 2 bis 5 veranschaulichen Ausgestaltungen der Erfindung in schematischer Darstellung. Bauteile mit identischer, im Wesentlichen identischer, oder vergleichbarer Funktion und/oder technischer Ausgestaltung wie in den in den Figuren 1, 1A dargestellten Anlage 100 sind mit identischen Bezugszeichen versehen.
  • In den Figuren 2, 3 und 4 sind jeweils allgemeine Anlagen 200, 300 bzw. 400 mit einer Anlagenkomponente K gezeigt, die in einem Normalbetriebsmodus bei kalten oder kryogenen Temperaturniveaus betrieben werden. Ist eine Anwärmung der jeweiligen Anlage 200, 300, 400 erforderlich, so wird Anwärmfluid 3 der anzuwärmenden Anlagenkomponente K zugeführt.
  • Diese allgemeinen Anlagen 200, 300, 400 unterscheiden sich von der in Figur 1 gezeigten Anlage 100 insbesondere dadurch, dass das Anwärmfluid nicht lediglich einmal der Anlagenkomponente K zugeleitet wird, sondern jeweils über einen Verdichter rückgeführt und erneut als Anwärmfluid 3 verwendet wird. Eine Fackel zur Verbrennung von verbrauchtem Anwärmfluid 3 ist daher nicht erforderlich und dementsprechend auch nicht dargestellt. Dabei wird das kalte Anwärmfluid 3 stromauf des jeweiligen Verdichters CS, CP, C1 mit (warmem) Pumpschutzfluid 5, das über Pumpschutzventil V3 von der Druckseite zur Saugseite des jeweiligen Verdichters CS, CP, C1 zurückgeführt wird, zusammengeführt, verdichtet und zu der zu erwärmenden Anlagenkomponente K zurückgeführt. Die Verdichtungswärme wird somit letztlich zur Erwärmung der Anlagenkomponente K genutzt.
  • Untereinander unterscheiden sich die Anlagen 200, 300, 400 insbesondere durch die konkrete Anordnung des jeweiligen Verdichters. In der in Figur 2 dargestellten Anlage 200 wird zur Rückführung des Anwärmfluids 3 ein Speiseverdichter CS, der in einem Normalbetriebsmodus zur Verdichtung des der Anlage 200 zugeführten Speisefluids 1 verwendet wird, eingesetzt. In der in Figur 3 dargestellten Anlage 300 wird anstatt des Speiseverdichters CS ein Produktverdichter CP, der in dem Normalbetriebsmodus zur Verdichtung eines der Anlage 300 entnommenen Produktfluids 2 verwendet wird, zur Rückführung des Anwärmfluids 3 verwendet. In der in Figur 4 dargestellten Anlage 400 wird schließlich ein Kältemittelverdichter C1 zur Rückführung und Anwärmung des Anwärmfluids 3 verwendet. In einem Normalbetrieb der Anlage 400 wird der Kältemittelverdichter C1 zur Rückverdichtung von in der Anlage 400 zur Kühlung eingesetztem Kältemittel 4, 4A verwendet.
  • In Figur 5 wird die Medienführung anhand eines Beispiels einer Anlage 500, die beispielsweise zur Erdgasverflüssigung dient und die einen wie in Figur 1A mit E1 bezeichneten Hauptwärmetauscher E1 aufweist, detaillierter dargestellt. In der Anlage 500 wird wie in der Anlage aus Figur 4 ein Kältemittelverdichter C1 zur Rückführung des Anwärmfluids 3 verwendet.
  • Der Kältemittelkreislauf 4, 4A ist dabei grundsätzlich analog zu dem der Anlage 100 gemäß Figur 1A aufgebaut: Kältemittel 4A, das bei einem niedrigen Druckniveau aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen wird, wird über einen Ansaugbehälter D1 dem Kältemittelverdichter C1 zugeführt, auf ein hohes Druckniveau (Hochdruckkältemittel 4) verdichtet, in einem Kondensator E2 abgekühlt und teilverflüssigt und in einen Behälter D2 geleitet, in dem sich flüssige und gasförmige Phase des Kältemittels 4 trennen. Aus dem Behälter D2 wird das Hochdruckkältemittel wieder entnommen und warmseitig zu dem Wärmetauscher E2 zurückgeführt, unterkühlt, in einem Drosselventil V2 entspannt und als Niederdruckkältemittel 4A kaltseitig wieder in den Wärmetauscher E1 geführt.
  • Für den Anwärmprozess wird der Kältemittelverdichter C1 mit zunächst hohen Anteilen an Pumpschutzfluid 5 betrieben, das direkt von der Hochdruckseite des Verdichters C1 zu der Niederdruckseite des Verdichters C1 zurückgeleitet wird. Dadurch wird insgesamt Wärme in die Anlage 500 eingebracht.
  • Das Anwärmen kann für jede Passage von E1 einzeln durchgeführt werden. Zum Anwärmen wird in dem hier gezeigten Beispiel das aus dem Behälter D2 kopfseitig entnommene Kältemittel 4 verwendet. Die Flüssigkeit aus Behälter D2 ist nicht zur Verwendung vorgesehen, und die untere Leitung von Behälter D2 ist während des Anwärmvorgangs nicht in Betrieb.
  • Für den Anwärmprozess des Erdgaswegs (Speisefluid 1 zu Produkt 2) des Wärmetauschers E1 wird das Anwärmfluid 3 über Ventil V4 zum Wärmetauscher E1 geleitet. Das Anwärmfluid 3 strömt durch den Erdgasweg und wird über Ventil V7 zurück zur Saugseite des Verdichters C1 geleitet.
  • Zum Anwärmen des Kältemittelwegs bzw. der Passagen für das Hochdruckkältemittel des Wärmetauschers E1 wird das Anwärmfluid 3 von dem Behälter D2 über Ventil V5 durch die Passagen und über V8 zurück zur Saugseite des Verdichters C1 geleitet.
  • Zum Anwärmen des Kältemittelwegs bzw. der Passagen für das Niederdruckkältemittel wird das Anwärmfluid 3 über Ventil V6 zum Wärmetauscher E1 geleitet. Das Anwärmfluid 3 strömt durch die Passagen und wird über Ventil V9 zur Saugseite des Verdichters C1 zurückgeführt. Dies kann für jede Passage einzeln oder über alle Passagen parallel erfolgen.
  • Es ist kein Abfackeln von Speisegas oder Entlassen von Stickstoff an die Atmosphäre erforderlich, wenn die Apparate nur aufgewärmt werden müssen, was den Kohlendioxid-Fußabdruck der Anlage 100 bzw. den Verbrauch an Betriebs- und/oder Hilfsstoffen reduziert.
  • Weniger Abfackeln von Speisegas oder Entlassen von Stickstoff an die Atmosphäre ist erforderlich, wenn die Apparate aufgewärmt und anschließend gespült werden müssen, um Wasser und/oder andere Komponenten zu entfernen, die im kryogenen Prozess eingefroren wurden.
  • Es ergeben sich kürzere Wiederanlauf- oder Abschaltzeiten durch schnelleres Anwärmen der Anlage, da aufgrund der zyklischen Prozessführung kein Defizit an Anwärmfluid herrscht.
  • Herkömmlicherweise wird das Anwärmen der Anlage langsamer, je wärmer die Apparate werden, da der verfügbare Temperaturunterschied zwischen dem Anwärmfluid 3 und den kalten Apparaten K abnimmt, während die Durchflussrate des Anwärmfluids 3 konstant bleibt.
  • Der Vorteil der Verwendung eines Verdichters CS, CP, C1 für die Rückführung des Anwärmfluids 3 besteht darin, dass je wärmer das Anwärmfluid 3 wird, desto mehr Anwärmfluid kann dem Verdichter CS, CP, C1 zugeführt werden, während das Pumpschutzfluid 5 reduziert werden kann, idealerweise, bis das Pumpschutzventil V3 vollständig geschlossen ist. So können die Anwärmraten relativ hoch gehalten werden, die einzige Grenze für die Anwärmen ist der zulässige Anwärmgradient der Apparate und nicht der verfügbare Anwärmfluiddurchsatz.
  • Ein weiterer Vorteil, insbesondere bei der Verwendung des Kältemittels als das Anwärmfluid besteht darin, dass die Kältemittelkreisläufe nicht mit Anwärmfluid verunreinigt werden, und somit keine Notwendigkeit besteht, Kältemittelinventar zu verwerfen. Ferner ist ein schnellerer Neustart der Anlage 500 möglich, da keine Anpassung des Kältemittels nach dem Start erforderlich ist (Kältemittel wird nicht ausgetauscht).
  • Unabhängig von der konkreten Anordnung des Verdichters CS, CP, C1 (siehe Figuren 2 bis 5) kann optional eine (ggf. schaltbare) Umgehungsleitung (Bypass) 6 vor dem Nachkühler E2 vorgesehen sein, um mehr Wärmeeintrag in die zu erwärmende Anlagenkomponente K und damit ein schnelleres Anwärmen zu ermöglichen.

Claims (9)

  1. Verfahren zum Anwärmen einer Anlagenkomponente (K, E1) einer Anlage (200, 300, 400, 500), die in einem ersten Betriebszeitraum auf einem kryogenen Temperaturniveau betrieben wird, wobei das Anwärmen in einem zweiten Betriebszeitraum durchgeführt wird, wobei ein ein Verdichter (CS, CP, C1) zum Verdichten eines Anwärmfluids (3) betrieben wird, wobei das Anwärmfluid (3) durch das Verdichten auf ein erstes Temperaturniveau erwärmt wird, wobei das verdichtete und erwärmte Anwärmfluid (3) zumindest zu einem ersten Anteil der zu erwärmenden Anlagenkomponente (K, E1) zugeführt und dort unter Wärmeübertragung auf die zu erwärmende Anlagenkomponente (K, E1) auf ein zweites Temperaturniveau abgekühlt wird, und wobei das abgekühlte Anwärmfluid (3) stromab der zu erwärmenden Anlagenkomponente (K, E1) zu dem Verdichter (CS, CP, C1) zurückgeführt und in diesem erneut verdichtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (CS, CP, C1) ein Speiseverdichter (CS) und/oder ein Produktverdichter (CP) und/oder ein Kältemittelverdichter (C1) der Anlage (200, 300, 400, 500) ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das verdichtete Anwärmfluid (3) zu einem zweiten Anteil unter Umgehung der Anlagenkomponente (K, E1) als Pumpschutzfluid (5) zu dem Verdichter (CS, CP, C1) zurückgeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei ein Mengenverhältnis zwischen dem ersten Anteil (3) und dem zweiten Anteil (5) des Anwärmfluids in Abhängigkeit von dem zweiten Temperaturniveau eingestellt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei als das Anwärmfluid (3) ein Kältemittel (4, 4A) und/oder ein Speisefluid (1) und/oder ein Produktfluid verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Anwärmfluid (3) eines oder mehrere aus der Gruppe aus Stickstoff, Erdgas, Luft, Sauerstoff, Helium, Wasserstoff, Argon, Ethan, Ethanderivaten, Propan, Propanderivaten und anderen Kohlenwasserstoffen umfasst.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Anwärmfluid (3) beim Anwärmen der anzuwärmenden Anlagenkomponente (K, E1) innerhalb von Fluidführungsstrukturen durch die Anlagenkomponente (K, E1) geführt wird, die in dem ersten Betriebszeitraum, in dem die Anlage (200, 300, 400, 500) nicht angewärmt wird, von Prozessfluiden (1, 2, 4, 4A), die für einen Normalbetrieb in dem ersten Betriebszeitraum verwendet werden, durchströmt werden.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Anlage (200, 300, 400, 500) in dem Normalbetriebsmodus zum Verflüssigen eines Gases (1), insbesondere von Stickstoff und/oder Helium und/oder Erdgas, und/oder zur destillativen Luftzerlegung, verwendet wird.
  9. Anlage (200, 300, 400, 500) mit zumindest einem Verdichter (CS, CP, C1), die zum Betrieb bei Temperaturen unterhalb von 0 °C eingerichtet ist, und die zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche eingerichtet ist.
EP22020624.7A 2022-12-22 2022-12-22 Verfahren zum anwärmen einer kalten anlage Withdrawn EP4390279A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22020624.7A EP4390279A1 (de) 2022-12-22 2022-12-22 Verfahren zum anwärmen einer kalten anlage

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP22020624.7A EP4390279A1 (de) 2022-12-22 2022-12-22 Verfahren zum anwärmen einer kalten anlage

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4390279A1 true EP4390279A1 (de) 2024-06-26

Family

ID=84568785

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22020624.7A Withdrawn EP4390279A1 (de) 2022-12-22 2022-12-22 Verfahren zum anwärmen einer kalten anlage

Country Status (1)

Country Link
EP (1) EP4390279A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2026046557A1 (fr) * 2024-08-30 2026-03-05 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Procédé de dégivrage d'une installation de production d'un fluide cryogénique, le fluide cryogénique comportant de l'hydrogène liquéfié

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015122056A1 (ja) * 2014-02-13 2015-08-20 日立アプライアンス株式会社 空気調和装置
US20150308734A1 (en) * 2014-04-24 2015-10-29 Heinz Bauer Liquefaction of a hydrocarbon-rich fraction
US20220268516A1 (en) * 2019-08-05 2022-08-25 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Cooling and/or liquefying system and method

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015122056A1 (ja) * 2014-02-13 2015-08-20 日立アプライアンス株式会社 空気調和装置
US20150308734A1 (en) * 2014-04-24 2015-10-29 Heinz Bauer Liquefaction of a hydrocarbon-rich fraction
US20220268516A1 (en) * 2019-08-05 2022-08-25 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Cooling and/or liquefying system and method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2026046557A1 (fr) * 2024-08-30 2026-03-05 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Procédé de dégivrage d'une installation de production d'un fluide cryogénique, le fluide cryogénique comportant de l'hydrogène liquéfié
FR3165949A1 (fr) * 2024-08-30 2026-03-06 L'air Liquide, Societe Anonyme Pour L'etude Et L'exploitation Des Procedes Georges Claude Procédé de dégivrage d’une installation de production d’un fluide cryogénique

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE69415454T2 (de) Verfahren und anlage zur kühlung eines fluids, insbesondere für die verflüssigung von erdgas
WO2008104308A2 (de) Verfahren zum abtrennen von stickstoff aus verflüssigtem erdgas
DE102009008229A1 (de) Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff
EP0895045A2 (de) Verfahren zur Luftzerlegung
DE1256666B (de) Verfahren zur Verfluessigung von Gasen
EP4179269A1 (de) Verfahren und eine anlage zur auftrennung eines einsatzstroms
EP4390279A1 (de) Verfahren zum anwärmen einer kalten anlage
DE102009008230A1 (de) Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes
DE3113093A1 (de) "kuehlverfahren zur rueckgewinnung oder fraktionierung eines hauptsaechlich aus butan und propan bestehenden, in erdgas enthaltenden gemisches"
DE1245396B (de) Verfahren zur Zwischenlagerung von Erdgas
DE102009009477A1 (de) Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff
EP4446680A2 (de) Verfahren und vorrichtung zum verflüssigen von gasen
EP3322947B1 (de) Verfahren zum abkühlen eines prozessstromes
DE19821242A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes
EP3207981B1 (de) Verfahren und anlage zur gewinnung eines ethylenprodukts in überkritischem zustand
WO2019201475A1 (de) Verfahren zum betreiben eines wärmetauschers, anordnung mit einem wärmetauscher und luftbearbeitungsanlage mit einer entsprechenden anordnung
DE102021117030B4 (de) Gasgemisch-Zerlegungsanlage sowie Verfahren zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch
EP4246070A1 (de) Gasverflüssigungsverfahren und gasverflüssigungsanlage
DE102010055448A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Tieftemperaturzerlegung von Luft
DE102011115987B4 (de) Erdgasverflüssigung
DE102010021798A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Stoffgemischs durch Destillation
DE102024203398A1 (de) Anlage und Verfahren zur Verflüssigung von Kohlenstoffdioxid
DE102024203397A1 (de) Anlage und Verfahren zur Verflüssigung von Kohlenstoffdioxid
WO2021110285A1 (de) Verfahren zum betreiben einer luftzerlegungsanlage mit einem destillationssäulensystem, einem wärmetauscher und einem adsorber sowie luftzerlegungsanlage
DE102006001276B4 (de) Kältekreislauf und Verfahren zum Betreiben eines Kältekreislaufes

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION HAS BEEN PUBLISHED

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE APPLICATION IS DEEMED TO BE WITHDRAWN

18D Application deemed to be withdrawn

Effective date: 20250103