WO2006094675A1 - Verfahren zum verflüssigen eines kohlenwasserstoff-reichen stromes - Google Patents

Verfahren zum verflüssigen eines kohlenwasserstoff-reichen stromes Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for liquefying a hydrocarbon-rich stream, in particular a natural gas stream.
  • Natural gas liquefaction plants are designed either as so-called LNG baseload plants - plants for liquefying natural gas to supply natural gas as primary energy - or as so-called peak shaving plants - plants for liquefying natural gas to meet peak demand.
  • a method for liquefying a hydrocarbon-rich stream in particular a natural gas stream, is known, according to which the liquefaction of the hydrocarbon-rich stream takes place in the heat exchange against a two-component refrigerant mixture stream; one component is a component of the hydrocarbon-rich stream to be liquefied, while the other component is a heavy hydrocarbon, preferably propane or propylene. Before these components cool down and relax, the refrigerant mixture is separated into a higher-boiling and a lower-boiling refrigerant fraction.
  • a disadvantage of the procedure described in DE-A 102 09 799 is that the provision of two refrigerant components can lead to relatively large temperature differences in the heat exchangers. These temperature differences in turn require correspondingly high compressor outputs.
  • the object of the present invention is to provide a generic method for liquefying a hydrocarbon-rich stream, in particular a natural gas stream, which avoids the disadvantages of the known methods and moreover enables the realization of a lower specific energy requirement.
  • Hydrocarbon-rich stream is, one of the components is propane, propylene or a C 4 hydrocarbon, - is one of the components C 2 H 4 or C 2 H 6 , the compression of the refrigerant mixture stream is carried out by means of an at least two-stage compression, before cooling and refrigerant relaxation of the refrigerant mixture, the refrigerant mixture is separated into a higher-boiling and a lower-boiling refrigerant fraction, and the higher-boiling and the lower-boiling refrigerant fraction after their cold-performing depressurizations at different pressures
  • Compression can be supplied.
  • the refrigerant mixture is a three-component refrigerant mixture
  • the refrigerant fractions are cooled separately, expanded to provide separate cooling, and heated separately against the hydrocarbon-rich stream to be liquefied
  • the refrigerant mixture flow is compressed by means of an at least two-stage compression and the higher-boiling refrigerant fraction is mixed with the lower-boiling refrigerant fraction at an intermediate pressure stage
  • At least one C 4 to C 6 hydrocarbon is or are used as further component (s) of the refrigerant mixture; the use of additional refrigerant mixture components makes sense especially for larger liquefaction capacities from 10 t / h
  • a dry, pretreated hydrocarbon-rich stream for example natural gas
  • a dry, pretreated hydrocarbon-rich stream for example natural gas
  • Heat exchanger E liquefied and possibly supercooled.
  • the hydrocarbon-rich stream has a pressure between 10 and 60 bar, for example.
  • the liquefied and possibly supercooled hydrocarbon-rich stream is then fed via line X 'for its further use.
  • the figure does not show a possible separation of undesired components, such as higher ones Hydrocarbons.
  • the corresponding refrigeration circuit preferably has a two-stage compressor unit, consisting of the compressor stages C1 and C2. Each compressor stage is followed by an air or water cooler, not shown in the figure.
  • the refrigeration circuit also has a high-pressure separator D. The provision of only one high-pressure separator D considerably reduces the operational complexity of the method according to the invention, compared with the known refrigerant mixture circuits.
  • the refrigerant mixture is separated into a lower-boiling and a higher-boiling fraction.
  • the lower-boiling fraction is removed from the separator D via line 2, cooled in the heat exchanger E, condensed and supercooled and then relaxed at the cold end of the heat exchanger E in the expansion valve b with a cooling effect.
  • the relaxed fraction is fed back to the heat exchanger E via line 3, vaporized in it against process streams to be cooled and superheated, and then fed via line 4 to the first compressor stage C1.
  • the compressed lower-boiling fraction is fed via line 8 to the second compressor stage C2 - the admixing of the higher-boiling fraction will be discussed in more detail below - and to the desired final circuit pressure, which is between 20 and 60 bar is compressed.
  • the second compressor stage C2 is also followed by a heat exchanger, not shown in the figure, as a cooler.
  • the refrigerant mixture cooled and partially condensed in this is fed back to separator D via line 1.
  • a higher-boiling liquid fraction is drawn off from the bottom of the separator D via line 5, cooled in the heat exchanger E and then expanded in the expansion valve a to the desired intermediate pressure in a cooling manner. Subsequently, this fraction is in turn fed to the heat exchanger E via line 6, evaporated in it against process streams to be cooled and superheated and then fed via line 7 to the compressor unit before its second compressor stage C2.
  • the liquefaction process allows at least a partial stream 9 of the lower-boiling refrigerant fraction 2 to be drawn off from the heat exchanger E after cooling and partial condensation via the line 9 shown in dashed lines and fed to a separator D 1 shown in dashed lines (so-called “cold”).
  • the gaseous fraction drawn off at the top of the separator D 'via the line 10 shown in broken lines is in turn fed to the heat exchanger E, supercooled and expanded in the valve b for the purpose of providing the peak cold required for the liquefaction process.
  • the liquid fraction drawn off from the bottom of the separator D 1 via the dashed line is subcooled in the heat exchanger E, is relieved of cold in the valve c, is fed to the heat exchanger E via line 12 and is added to the refrigerant fraction in line 3.
  • the higher-boiling fractions obtained in the separator D 'and possibly further “cold separators” are preferably supercooled, depressurized to the pressure of the (first) higher-boiling fraction and fed to the compressor stage to which the (first) higher-boiling fraction is also fed .
  • This embodiment of the method according to the invention is shown in the figure by the dotted line 13.
  • Addition to the low-pressure refrigerant flow in line sections 3 and 4 makes sense.
  • the liquefaction of the hydrocarbon-rich stream against the refrigerant mixture takes place in plate heat exchangers.
  • the process control in liquefaction plants with a liquefaction capacity of up to 10 to 15 t / h can be implemented in a single plate heat exchanger.
  • the inventive method for liquefying a hydrocarbon-rich stream, in particular a natural gas stream avoids all the disadvantages of the prior art cited at the beginning.

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes beschrieben, wobei: - die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (X, X' ) im Wärmetausσh (E) gegen ein drei- oder mehrkomponentiges Kältemittelgemisch erfolgt, - die Verdichtung des Kältemittelgemischstromes (4, 7) mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung (Cl, C2) erfolgt, vor der Abkühlung (E) und kälteleistenden Entspannung (a, b c) des Kältemittelgemisches eine Auf trennung (D) des Kältemittelgemisches in eine höher siedende (5) und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion (2) erfolgt und - die höher siedende (5) und die tiefer siedende Kältemittelfraktion (2) nach ihren kälteleistenden Entspannungen (a, b, c) am warmen Ende des Wärmetausches (E) auf unterschiedlichen Drücken der Verdichtung (Cl, C2) zugeführt werden (4, 7).

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes.
Erdgasverflüssigungsanlagen werden entweder als sog. LNG-Baseload-Anlagen - also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie - oder als sog. Peak Shaving Plants - also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfs - ausgelegt.
Größere LNG-Anlagen werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, die aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Diese Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als Expander-Kreisläufe und ermöglichen relativ niedrige spezifische Energieverbräuche.
Aus der DE-A 102 09 799 ist ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoffreichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, bekannt, gemäß dem die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen einen zweikomponentigen Kältemittelgemischstrom erfolgt; hierbei ist die eine Komponente ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, während die andere Komponente ein schwerer Kohlenwasserstoff, vorzugsweise Propan oder Propylen, ist. Vor der Abkühlung und kälteleistenden Entspannung dieser Komponenten erfolgt eine Auftrennung des Kältemittelgemisches in eine höher siedende und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion.
Von Nachteil bei der in der DE-A 102 09 799 beschriebenen Verfahrensweise ist, dass das Vorsehen von zwei Kältemittelkomponenten zu verhältnismäßig großen Temperaturdifferenzen in den Wärmetauschern führen kann. Diese Temperaturdifferenzen wiederum erfordern entsprechend hohe Verdichterleistungen.
Aus der US-A 6,347,531 ist ein ähnliches Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes bekannt. Bei diesem wird das Niederdruck- Kältemittel durch den Kreislaufverdichter kalt angesaugt. Sog. kaltansaugende Verdichter haben jedoch den Nachteil, dass sie im Betrieb, insbesondere während des An- und Abfahrens, umständlicher als nicht-kaltansaugende Verdichter zu betreiben sind. Des Weiteren ist bei dem in der US-A 6,347,531 beschriebenen Verflüssigungsverfahren von Nachteil, dass das Kältemittel auf einem Zwischendruck teilverflüssigt wird, woraus ein größerer apparativer Aufwand resultiert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes anzugeben, das die Nachteile der bekannten Verfahren vermeidet und darüber hinaus die Realisierung eines niedrigeren spezifischen Energiebedarfes ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vorgeschlagen, wobei - die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen ein drei- oder mehrkomponentiges Kältemittelgemisch erfolgt, eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden
Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist, eine der Komponenten Propan, Propylen oder ein C4-Kohlenwasserstoff ist, - eine der Komponenten C2H4 oder C2H6 ist, die Verdichtung des Kältemittelgemischstromes mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung erfolgt, vor der Abkühlung und kälteleistenden Entspannung des Kältemittelgemisches eine Auftrennung des Kältemittelgemisches in eine höher siedende und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion erfolgt und die höher siedende und die tiefer siedende Kältemittelfraktion nach ihren kälteleistenden Entspannungen auf unterschiedlichen Drücken der
Verdichtung zugeführt werden.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass der spezifische Energieaufwand der Verflüssigung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens um ca. 30 % verringert werden kann. Des Weiteren können die Temperaturdifferenzen innerhalb des bzw. der Wärmetauscher beträchtlich verringert werden. Dies hat zur Folge, dass der instationäre Betrieb einfacher beherrschbar ist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sind:
das Kältemittelgemisch ist ein dreikomponentiges Kältemittelgemisch
die Kältemittelfraktionen werden getrennt abgekühlt, getrennt kälteleistend entspannt und getrennt gegen den zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff- reichen Strom angewärmt
- eine weitere Komponente des Kältemittelgemisches ist Stickstoff
die Verdichtung des Kältemittelgemischstromes erfolgt mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung und die höher siedende Kältemittelfraktion wird der tiefer siedenden Kältemittelfraktion auf einer Zwischendruckstufe zugemischt
als weitere Komponente(n) des Kältemittelgemisches wird bzw. werden wenigstens ein C4- bis C6-Kohlenwasserstoff verwendet; die Verwendung weiterer Kältemittelgemischkomponenten macht insbesondere bei größeren Verflüssigungsleistungen ab 10 t/h Sinn
zumindest ein Teilstrom der tiefer siedenden Kältemittelfraktion wird partiell kondensiert und die dabei gewonnene Flüssigfraktion unterkühlt und entspannt
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Gemäß der in der Figur dargestellten Verfahrensweise wird dem erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahren über Leitung X ein trockener, vorbehandelter Kohlenwasserstoff-reicher Strom, beispielsweise Erdgas, zugeführt und im
Wärmetauscher E verflüssigt und ggf. unterkühlt. Der Kohlenwasserstoff-reiche Strom weist beispielsweise einen Druck zwischen 10 und 60 bar auf. Der verflüssigte und ggf. unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird anschließend über Leitung X' seiner weiteren Verwendung zugeführt. In der Figur nicht dargestellt ist eine ggf. vorzusehende Abtrennung unerwünschter Komponenten, wie beispielsweise höhere Kohlenwasserstoffe. Hierzu sei auf die entsprechenden Ausführungen in der vorgenannten DE-A 102 09 799 verwiesen.
Die Abkühlung und Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes X, X' erfolgt erfindungsgemäß im Wärmetausch gegen einen drei- oder mehrkomponentigen Kältemittelgemischstrom, wobei eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - vorzugsweise Methan -, eine der Komponenten Propan, Propylen oder ein C4-Kohlenwasserstoff und eine der Komponenten C2H4 oder C2H6 ist.
Der entsprechende Kältekreislauf weist vorzugsweise eine zweistufige Verdichtereinheit auf, bestehend aus den Verdichterstufen C1 und C2. Jeder Verdichterstufe ist ein in der Figur nicht dargestellter Luft- oder Wasserkühler nachgeschaltet. Ferner weist der Kältekreislauf einen Hochdruck-Abscheider D auf. Das Vorsehen lediglich eines Hochdruck-Abscheiders D reduziert - verglichen mit den bekannten Kältemittelgemischkreisläufen - den betriebstechnischen Aufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens erheblich.
Im Abscheider D wird das Kältemittelgemisch in eine tiefer siedende und eine höher siedende Fraktion aufgetrennt. Die tiefer siedende Fraktion wird dem Abscheider D über Leitung 2 entnommen, im Wärmetauscher E abgekühlt, kondensiert sowie unterkühlt und anschließend am kalten Ende des Wärmetauschers E im Entspannungsventil b kälteleistend entspannt. Über Leitung 3 wird die entspannte Fraktion wieder dem Wärmetauscher E zugeführt, in ihm gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft sowie überhitzt und anschließend über Leitung 4 der ersten Verdichterstufe C1 zugeführt.
Nach Verdichtung und in der Figur nicht dargestellter Abkühlung wird die verdichtete tiefer siedende Fraktion über Leitung 8 der zweiten Verdichterstufe C2 zugeführt - auf die Zumischung der höher siedenden Fraktion wird im Folgenden noch näher eingegangen werden - und auf den gewünschten Kreislaufenddruck, der beispielsweise zwischen 20 und 60 bar liegt, verdichtet. Auch der zweiten Verdichterstufe C2 ist ein in der Figur nicht dargestellter Wärmetauscher als Kühler nachgeschaltet. Das in diesem abgekühlte und teilweise kondensierte Kältemittelgemisch wird über Leitung 1 wieder dem Abscheider D zugeführt. Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung 5 eine höher siedende Flüssigfraktion abgezogen, im Wärmetauscher E abgekühlt und anschließend im Entspannungsventil a kälteleistend auf den gewünschten Zwischendruck entspannt. Anschließend wird diese Fraktion über Leitung 6 wiederum dem Wärmetauscher E zugeführt, in ihm gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft sowie überhitzt und anschließend über Leitung 7 der Verdichtereinheit vor deren zweiter Verdichterstufe C2 zugeführt.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verflüssigungsverfahrens kann zumindest ein Teilstrom 9 der tiefer siedenden Kältemittelfraktion 2 nach einer Abkühlung und partiellen Kondensation über die gestrichelt dargestellte Leitung 9 aus dem Wärmetauscher E abgezogen und einem gestrichelt dargestellten (sog. "kalten") Abscheider D1 zugeführt werden. Die am Kopf des Abscheiders D' über die gestrichelt dargestellte Leitung 10 abgezogene gasförmige Fraktion wird wiederum dem Wärmetauscher E zugeführt, unterkühlt und zum Zwecke der Bereitstellung der für den Verflüssigungsprozess erforderlichen Spitzenkälte im Ventil b entspannt.
Die über die gestrichelt dargestellte Leitung 11 aus dem Sumpf des Abscheiders D1 abgezogene Flüssigfraktion wird im Wärmetauscher E unterkühlt, im Ventil c kälteleistend entspannt, über Leitung 12 dem Wärmetauscher E zugeführt und der Kältemittelfraktion in der Leitung 3 beigemischt.
Neben diesem Abscheider D1 können weitere, sog. "kalte Abscheider" vorgesehen werden. Diese führen zu einer Verbesserung des spezifischen Energiebedarfes des erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahrens, machen jedoch aufgrund des zusätzlich erforderlichen apparativen Aufwandes nur bei größeren Verflüssigungsanlagen Sinn.
Die in dem Abscheider D' und ggf. weiteren "kalten Abscheidern" gewonnenen, höher siedenden Fraktionen werden vorzugsweise unterkühlt, auf den Druck der (ersten) höher siedenden Fraktion entspannt und derjenigen Verdichterstufe zugeführt, der auch die (erste) höher siedende Fraktion zugeführt wird. Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in der Figur durch die punktiert gezeichnete Leitung 13 dargestellt. Je nach Temperaturprofil im Wärmetauscher E ist auch eine Zumischung zu dem Niederdruck-Kältemittelstrom in den Leitungsabschnitten 3 und 4 sinnvoll.
Entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen das Kältemittelgemisch in Plattenwärmetauschern. Aufgrund der erfindμngsgemäßen Verfahrensführung kann bei Verflüssigungsanlagen mit einer Verflüssigungskapazität von bis zu 10 bis 15 t/h die Prozessführung in einem einzigen Plattenwärmetauscher realisiert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, vermeidet sämtliche Nachteile des eingangs zitierten Standes der Technik.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei
- die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (X, X') im - Wärmetausch (E) gegen ein drei- oder mehrkomponentiges Kältemittelgemisch erfolgt,
- eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist,
- eine der Komponenten Propan, Propylen oder ein C4-Kohlenwasserstoff ist, - eine der Komponenten C2H4 oder C2H6 ist,
- die Verdichtung des Kältemittelgemischstromes (4, 7) mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung (C1 , C2) erfolgt,
- vor der Abkühlung (E) und kälteleistenden Entspannung (a, b, c) des Kältemittelgemisches eine Auftrennung (D) des Kältemittelgemisches in eine höher siedende (5) und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion (2) erfolgt und
- die höher siedende (5) und die tiefer siedende Kältemittelfraktion (2) nach ihren kälteleistenden Entspannungen (a, b, c) am warmen Ende des Wärmetausches (E) auf unterschiedlichen Drücken der Verdichtung (C1 , C2) zugeführt werden (4, 7).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittelgemisch ein dreikomponentiges Kältemittelgemisch ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kältemittelfraktionen (2, 5) getrennt abgekühlt (E), getrennt kälteleistend entspannt (a, b, c) und getrennt gegen den zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom (X, X1) angewärmt werden (E).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Komponente des Kältemittelgemisches Stickstoff ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als weitere Komponente(n) des Kältemittelgemisches wenigstens ein C4- bis C6-Kohlenwasserstoff verwendet wird bzw. werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom (9) der tiefer siedenden Kältemittelfraktion (2) partiell kondensiert (D') und die dabei gewonnene Flüssigfraktion (11) unterkühlt (E) und entspannt (c) wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere weitere Teilströme der tiefer siedenden Kältemittelfraktion (2) partiell kondensiert und die dabei gewonnene Flüssigfraktion unterkühlt (E) und entspannt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der oder den partiellen Kondensationen (D1) eines oder mehrere Teilströme der tiefer siedenden Kältemittelfraktion (2) gewonnene, weitere höher siedende Fraktion (11) unterkühlt, auf den Druck der höher siedenden Fraktion (6, 7) entspannt und derjenigen Verdichterstufe (C2) zugeführt wird (13), der auch die höher siedende Fraktion (6, 7) zugeführt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der oder den partiellen Kondensationen (D') eines oder mehrere Teilströme der tiefer siedenden Kältemittelfraktion (2) gewonnene, weitere höher siedende Fraktion (11 ) unterkühlt, auf den Druck der niedriger siedenden Fraktion (3, 4) entspannt und derjenigen Verdichterstufe (C1) zugeführt wird, der auch die niedriger siedende Fraktion (3, 4) zugeführt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes
(X, X1) gegen das Kältemittelgemisch in Plattenwärmetauschem, vorzugsweise in einem einzigen Plattenwärmetauscher (E) erfolgt.
PCT/EP2006/001804 2005-03-04 2006-02-28 Verfahren zum verflüssigen eines kohlenwasserstoff-reichen stromes WO2006094675A1 (de)

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