WO2016134815A1 - Verfahren zur verflüssigen von erdgas - Google Patents

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Stephan Burmberger
Claudia Gollwitzer
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Linde Aktiengesellschaft
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, beschrieben wobei die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) im indirekten Wärmetausch gegen das Kältemittel wenigstens eines Kältekreislaufs abgekühlt und verflüssigt wird, die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1) in einem gewickelten Wärmetauscher (E1, E2, E3) erfolgt, und die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) vor ihrer Verflüssigung einer Abtrenneinheit (T), die der Entfernung von schweren Kohlenwasserstoffen dient, zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) in dem gewickelten Wärmetauscher (E1) auf eine Temperatur zwischen -20 und -70 °C vorgekühlt und zumindest ein Teilstrom der vorgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3) vor der Zuführung dieser Fraktion in die Abtrenneinheit (T) in wenigstens einem separaten Wärmetauscher (E) soweit abgekühlt, dass die der Abtrenneinheit (T) zugeführte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (4) eine Temperatur aufweist, die maximal 10 °C, vorzugsweise maximal 5 °C unter oder über der Taupunkttemperatur liegt.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, wobei
- die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion im in direkten Wärmetausch gegen
das Kältemittel wenigstens eines Kältekreislaufs abgekühlt und verflüssigt wird, die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion in einem gewickelten Wärmetauscher erfolgt, und
die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion vor ihrer
Verflüssigung einer Abtrenneinheit, die der Entfernung von schweren
Kohlenwasserstoffen dient, zugeführt wird.
Unter dem Begriff "schwere Kohlenwasserstoffe" seien hierbei C2+-Kohlenwasserstoffe zu verstehen. Diese Kohlenwasserstoffe sind aus den nachfolgend genannten
Gründen aus der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion abzutrennen:
- C6+-Kohlenwasserstoffe, da sie bei der Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung gefrieren können; dies betrifft in Abhängigkeit der Konzentration generell alle
C6+-Kohlenwasserstoffe, insbesondere betrifft dies n-C6-Kohlenwasserstoffe bei einer Konzentration ab 50 ppm, n-C7-Kohlenwasserstoffe bei einer Konzentration ab 20 ppm sowie n-C8-Kohlenwasserstoffe und C8+-Kohlenwasserstoffe ab einer Konzentration von 0 ppm
- weitere gefriergefährdete Kohlenwasserstoffe, wie z.B. BTEX (Benzol, Toluol, Ethylbenzol und Xylole), da sie bei der Abkühlung, Verflüssigung und Unterkühlung gefrieren können; insbesondere betrifft dies Benzol bei einer Konzentration ab 0 ppm - alle Kohlenwasserstoffe, die zur Erreichung einer vorgegebenen LNG-
Produktspezifikation (Konzentrationslimit, Produktheizwert oder Wobbeindex) abgetrennt werden müssen.; vorzugsweise betrifft dies eine Produktspezifikation für C2-Kohlenwasserstoffe (z.B. < 6 mol-%) oder C5+-Kohlenwasserstoffe (z.B. < 0.15 mol- %).
Gattungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Der zu verflüssigende Erdgasstrom weist im Regelfall einen Druck zwischen 20 und 100 bar auf. Seine Abkühlung und Verflüssigung erfolgt in einem sog.
gewickelten Wärmetauscher, wobei der zu verflüssigende Gasstrom zunächst im Vorkühler-Bündel des gewickelten Wärmetauschers abgekühlt wird. Nach Abzug aus dem gewickelten Wärmetauscher wird der vorgekühlte Erdgasstrom einer der
Entfernung von schweren Kohlenwasserstoffen dienenden Abtrenneinheit zugeführt. Sofern erforderlich, erfolgt eine Entspannung des vorgekühlten Erdgasstromes auf den Betriebsdruck dieser Abtrenneinheit, bei der es sich im Regelfall um eine Abtrenn-, vorzugsweise eine Waschkolonne handelt. Aus Gründen der Energieoptimierung wird der vorgekühlte Erdgasstrom der Abtrennkolonne vorzugsweise bei einer Temperatur zugeführt, die nahe an der Taupunkttemperatur des Erdgasstroms liegt. Üblicherweise wird der vorgekühlte Erdgasstrom der Abtrennkolonnen in deren mittleren Bereich zugeführt.
Die Abtrennung der vorgenannten schweren Kohlenwasserstoffe ist zwingend erforderlich, da diese im nachfolgenden Verflüssigungsteil ausfrieren können bzw. aufgrund der vorgegebenen LNG-Produktspezifikation nicht zulässig sind.
Üblicherweise wird der Abtrennkolonne am Kopf ein Rücklaufstrom zugeführt, bei dem es sich vorzugsweise um einen Teilstrom des verflüssigten Erdgases handelt. Um den Anteil von leichten Kohlenwasserstoffen im Sumpfprodukt der Abtrennkolonne zu reduzieren, kann der Abtrennkolonne als Strippgas ein Teilstrom des abzukühlenden Erdgasstromes im Sumpf zugeführt werden. Das vorerwähnte Sumpfprodukt der Abtrennkolonne weist die abzutrennenden schweren Kohlenwasserstoffe auf.
Im Falle sog. magerer Kohlenwasserstoff-reicher Fraktionen weist diese
Verfahrensführung eine Vielzahl von Nachteilen auf. Unter dem Begriff "magere Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion" sei eine Fraktion zu verstehen, die wenige langkettige Kohlenwasserstoffe aufweist und bei der deshalb die Anwendung der vorbeschriebenen Verfahrensführung mit Nachteilen, wie bspw. einem Mehraufwand an Energie verbunden ist. Insbesondere betriff diese Gaszusammensetzungen, die weniger als 2,5 % Ethan oder weniger als 0,5 % Propan aufweisen.
Weist die magere Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion beispielsweise lediglich 2 ppm n-C8-Kohlenwasserstoffe, 7 ppm n-C7-Kohlenwasserstoffe und 14 ppm n-C6- Kohlenwasserstoffe auf, muss die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion je nach Druck auf eine Temperatur von bspw. -80 °C - dies entspricht in etwa der Taupunkttemperatur eines derartigen mageren Gases - abgekühlt werden, bevor sie der Abtren nkolonne zugeführt werden kann. Bei höheren Temperaturen wäre die Abtrennung der n-C8- Kohlenwasserstoffe, die in den nachfolgenden Prozessschritten ausfrieren würden, energetisch ungünstig.
Die vorbeschriebene Verfahrensführung konfrontiert den Fachmann mit einer Vielzahl von Problemen. Das Abkühlen der aufzutrennenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion von Umgebungstemperatur auf eine Temperatur von beispielsweise -80 °C in einem einzigen Wärmetauscherbündel gegen lediglich ein Kältemittel(gemisch) ist nicht energieeffizient. Die Wärmetauscherfläche sowie der Durchmesser des Vorkühl- Bündels sind zudem nicht unerheblich. In Abhängigkeit von der Kapazität des
Verflüssigungsprozesses können zudem die konstruktiven Begrenzungen für
Aluminium - gewickelte Wärmetauscher werden üblicherweise aus Aluminium hergestellt - erreicht werden. Es stellt eine große Herausforderung dar, die
Austrittstemperatur aus dem Vorkühl-Bündel zu kontrollieren oder anzupassen - insbesondere bei vergleichsweise stark variierenden Zusammensetzungen der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion. Wie erwähnt, erfordert ein mageres Gasgemisch beispielsweise eine Austrittstemperatur von ca. -80 °C, während hingegen ein schweres Gasgemisch lediglich eine Temperatur von bspw. -30 °C erfordert.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das die
vorgenannten Nachteile vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion in dem gewickelten Wärmetauscher auf eine Temperatur zwischen -20 und -70 °G vorgekühlt wird, und
zumindest ein Teilstrom der vorgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor der Zuführung dieser Fraktion in die Abtrenneinheit in wenigstens einem separaten Wärmetauscher soweit abgekühlt wird, dass die der Abtrenneinheit zugeführte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion eine Temperatur aufweist, die maximal 10 °C, vorzugsweise maximal 5 °C unter oder über der
Taupunkttemperatur liegt.
Erfindungsgemäß erfolgt nunmehr die Abkühlung der zu verflüssigenden
Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor ihrer Zuführung in die Abtrenneinheit auf die gewünschte Temperatur nicht in einem einzigen Verfahrensschritt bzw. nicht ausschließlich in dem gewickelten Wärmetauscher, sondern es wird ein separater Wärmetauscher vorgesehen, der der weiteren Vorkühlung dieser Fraktion vor ihrer Zuführung in die Abtrenneinheit dient. Während die zu verflüssigende
Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion in dem gewickelten Wärmetauscher auf eine Temperatur zwischen -20 und -70 °C vorgekühlt wird - dies entspricht dem energetischen Optimum -, wird sie in dem separaten Wärmetauscher anschließend soweit abgekühlt, dass sie am Eintritt in die Abtrenneinheit eine Temperatur aufweist, die maximal 10 °C, vorzugsweise maximal 5 °C unter oder über ihrer
Taupunkttemperatur liegt.
Bei diesem separaten Wärmetauscher handelt es sich vorzugsweise um einen Wärmetauscher vom Typ Zweistromtauscher oder Gegenströmer, insbesondere vom Typ PFHE. Bei einem Wärmetauscher vom Typ PFHE.ist die auf die mittlere
Temperaturdifferenz bezogene Wärmeleistung bspw. um den Faktor 20 geringer als die des Vorkühler-Bündels, woraus eine kompakte Bauform resultiert.
Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ermöglicht es, die Temperatur, die bei der Vorkühlung im gewickelten Wärmetauscher erreicht wird, dem energetischen Optimum anzunähern bzw. anzupassen, unabhängig von der Zusammensetzung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion und der daraus resultierenden erforderlichen Eintrittstemperatur an der Abtrennkolonne für schwere
Kohlenwasserstoffe. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es zudem, mit einem vergleichsweise geringen verfahrenstechnischen Aufwand die Eintrittstemperatur an der
Abtrennkolonne auch bei in ihren Zusammensetzungen stark schwankenden
Einsatzfraktionen bzw. Erdgasen anzupassen. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion erfolgt die Abkühlung der im gewickelten Wärmetauscher vorgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion in dem separaten Wärmetauscher gegen zumindest einen Teilstrom der aus der
Abtrenneinheit abgezogenen, von schweren Kohlenwasserstoffen befreiten
Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die anschließend der weiteren Abkühlung und Verflüssigung unterworfen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Über Leitung 1 wird eine zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion dem Vorkühl-Bündel E1 eines gewickelten Wärmetauschers zugeführt. Dieser gewickelte Wärmetauscher - dargestellt durch die gepunktet gezeichnete Black-Box - umfasst das vorgenannte Vorkühl-Bündel E1 , ein Verflüssigungs-Bündel E2 und ein
Unterkühlungs-Bündel E3.
Die entsprechend ihrem Druck auf eine Temperatur zwischen -20 und -70 °C vorgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 2 wird aus dem gewickelten
Wärmetauscher abgezogen und einem Abscheider D zugeführt. Dieser Abscheider D dient dem Schutz des nachgeschalteten separaten, außerhalb des gewickelten Wärmetauschers angeordneten Wärmetauschers E, da die dem Behälter D zugeführte vorgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 2 unter Umständen bereits
Flüssigkeitsanteile enthält, die im Abscheider D abgetrennt werden. Dies kann bspw. dann der Fall sein, wenn die Taupunkttemperatur einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zwischen 0 und -10 °C beträgt. Bei dieser Temperatur fallen je nach
Zusammensetzung bereits geringe Mengen an ersten flüssigen Kohlenwasserstoffen an, eine nennenswerte Kondensation größerer Mengen erfolgt aber erst ab einem geringerem Temperaturniveau, so dass eine Einspeisung bei bspw. -30 °C einem energetischen Optimum entspricht.
Die vorgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion wird über die Leitung 3 aus dem Abscheider D abgezogen und in dem separaten Wärmetauscher E auf die für die Zuführung in die Abtrennkolonne T erforderliche Eintrittstemperatur abgekühlt. Diese Eintrittstemperatur liegt erfindungsgemäß maximal 10 °C, vorzugsweise 5 °C unter oder über der Taupunkttemperatur dieser Fraktion.
Die aus dem Sumpf des Abscheiders D abgezogene Fraktion 5 kann der
Abtrennkolonne T im unteren Bereich zugeführt werden. Aus dem Sumpf der
Abtrennkolonne T wird über Leitung 6 eine an schweren Kohlenwasserstoffen angereicherte Flüssigfraktion abgezogen; sie kann nach einer Aufbereitung als zusätzliches Produkt abgegeben oder zur Energieerzeugung verwendet werden. Die Zusammensetzung dieser Fraktion 6 kann über die Zugabe eines Strippgases am Sumpf der Kolonne angepasst bzw. kontrolliert werden. Als Strippgas eignet sich bspw. ein Teilstrom 11 der abzukühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1.
Am Kopf der Abtrennkolonne T wird eine von schweren Kohlenwasserstoffen befreite Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 7 abgezogen und im separaten Wärmetauscher E gegen die vorzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 3 angewärmt. Hierbei kann ein Teilstrom 7' der von schweren Kohlenwasserstoffen befreiten
Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion am Wärmetauscher E vorbeigeführt werden, woraus eine weitere Regelungsmöglichkeit für den Wärmetauscher E resultiert.
Anschließend wird die Fraktion 7 - ggf. nach Zumischung des Teilstromes 7' - erneut dem gewickelten Wärmetauscher bzw. dessen Verflüssigungs-Bündel E2 zugeführt und verflüssigt.
Ein Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 8 kann über Leitung 10 der Abtrennkolonne T als Rücklauf zugeführt werden. Die Zuführung dieses
Teilstromes 10 ist dann zwingend vorzusehen, wenn die im Kopfbereich der
Abtrennkolonne T verdampfende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 10 für die
Kältebereitstellung in dem separaten Wärmetauscher E erforderlich ist. Über die Anzahl der Kolonnenböden in der Kolonne T und/oder die Menge des Rücklaufstromes 10 lässt sich die Zusammensetzung des Kopfproduktstromes 7 in weiten Bereichen anpassen (bspw. 0 ppm C6+-Kohlenwasserstoffe).
Im Unterkühlungs-Bündel E3 des gewickelten Wärmetauschers wird die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 8 unterkühlt und über Leitung 9 ihrer weiteren Verwendung bzw. einer Zwischenspeicherung, die der Übersichtlichkeit halber in der Figur nicht dargestellt sind, zugeführt. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion weist gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine Vielzahl von Vorteilen auf.
Sowohl die Vorkühl- als auch die Verflüssigungs-Einheit des gewickelten
Wärmetauschers können bei den Parametern, wie Druck, Temperatur, etc., betrieben werden, die eine bestmögliche Effizienz gewährleisten. Im Vergleich zu einer zum Stand der Technik zählenden Verfahrensweise, bei der eine vorzukühlende, magere Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion das Vorkühl-Bündel des gewickelten Wärmetauschers mit einer Temperatur von bspw. -80 °C verlässt, weist das erfindungsgemäße Verfahren einen um ca. 5 % geringeren Energieverbrauch auf. Zudem kann die Wärmetauscherfläche des Vorkühl-Bündels um ca. 1/3 reduziert werden. Umgekehrt kann bei gegebener Antriebsleitung die Verflüssigungsleistung dementsprechend erhöht werden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann die Abtrenneinheit bzw. Abtrennkolonne nunmehr auch für die Abtrennung kleinerer Mengen an schweren Kohlenwasserstoffen verwendet werden.
Des Weiteren eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für
Kohlenwasserstoff-reiche Fraktionen, deren Zusammensetzung variiert, da mit der Variation der Eintrittstemperatur ein weiterer Freiheitsgrad gegeben ist. Um diese Anpassung der Temperatur an die Zusammensetzung in der Praxis mit einem vergleichsweise geringen Aufwand realisieren zu können, kann bspw. eine den separaten Wärmetauscher E umgehende Bypass-Leitung 4 vorgesehen werden, über die ggf. ein Teilstrom der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 3 an dem
Wärmetauscher E vorbeigeführt wird. Die hierfür erforderlichen, in den Leitungen 3 und 4 vorzusehenden Regelventile sind der Übersichtlichkeit halber in der Figur nicht dargestellt.
Sofern die Konzentration an schweren Kohlenwasserstoffen in der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion bei veränderter Gaszusammensetzung
ausreichend groß ist, kann der separate Wärmetauscher E unter Umständen zumindest zeitweilig zur Gänze umgangen werden, da die im Vorkühl-Bündel E1 erreichte Temperatur von -20 bis -70 °C ausreichend niedrig ist. In diesem Falle würde die aus dem Abscheider D abgezogene Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion zumindest zeitweilig über die gestrichelt gezeichnete Leitung 4 direkt der Abtrennkolonne T zugeführt werden. Dies ermöglicht es, die erfindungsgemäße Verfahrensweise bzw. den Anlagenbetrieb an veränderte Zusammensetzungen der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1 anzupassen.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion,
insbesondere Erdgas, wobei
- die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) im indirekten Wärmetausch gegen das Kältemittel wenigstens eines Kältekreislaufs abgekühlt und verflüssigt wird,
- die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1 ) in einem gewickelten Wärmetauscher (E1 , E2, E3) erfolgt, und
- die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1 ) vor ihrer
Verflüssigung einer Abtrenneinheit (T), die der Entfernung von schweren Kohlenwasserstoffen dient, zugeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) in dem gewickelten Wärmetauscher (E1 ) auf eine Temperatur zwischen -20 und -70 °C vorgekühlt wird, und
- zumindest ein Teilstrom der vorgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3) vor der Zuführung dieser Fraktion in die Abtrenneinheit (T) in wenigstens einem separaten Wärmetauscher (E) soweit abgekühlt wird, dass die der Abtrenneinheit (T) zugeführte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (4) eine Temperatur aufweist, die maximal 10 °C, vorzugsweise maximal 5 °C unter oder über der Taupunkttemperatur liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung der vorgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (2, 3) in dem separaten
Wärmetauscher (E) gegen zumindest einen Teilstrom der aus der Abtrenneinheit (T) abgezogenen, von schweren Kohlenwasserstoffen befreiten
Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (7) erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als separater Wärmetauscher (E) ein Wärmetauscher vom Typ Zweistromtauscher oder Gegenströmer, insbesondere vom Typ PFHE verwendet wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtrenneinheit (T) ein Teilstrom der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1) als Strippgas (11) und/oder ein Teilstrom der verflüssigten
Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (8) als Rücklauf (10) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zusammensetzung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1) variiert, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom (4) der vorgekühlten
Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion nicht dem separaten Wärmetauscher (E) zugeführt, sondern mit dem in dem separaten Wärmetauscher (E) abgekühlten Teilstrom (3) der vorgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion
zusammengeführt wird, wobei die Teilstrommengen (3, 4) derart geregelt werden, dass die zusammengeführte Fraktion eine Temperatur aufweist, die maximal 10 °C, vorzugsweise maximal 5 °C unter oder über der Taupunkttemperatur liegt.
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