DE102007006370A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt und wobei der erste Kältemittelgemischkreislauf der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, beschrieben. Erfindungsgemäß a) wird das Kältemittelgemisch jedes Kältemittelgemischkreislaufes auf lediglich einem Druckniveau verdampft, b) erfolgt der der Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dienende Wärmetausch zwischen dem Kohlenwasserstoff-reichen Strom (1, 1') und dem Kältemittelgemisch (6) des Vorkühlkreislaufes in zwei oder mehreren baugleichen, parallel angeordneten Wärmetauschern (E1, E1'), c) erfolgt die Verdichtung des Kältemittelgemisches (8, 8') des Vorkühlkreislaufes mittels eines Verdichters vom Double-flow-Typ (V1) und d) erfolgt die Verdichtung des Kältemittelgemisches (13, 13') des Verflüssigungskreislaufes in wenigstens zwei Stufen (V2, V2'), wobei die Verdichtung in der ersten Stufe mittels eines Verdichters vom Double-flow-Typ (V2).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt und wobei der erste Kältemittelgemischkreislauf der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes ist aus der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 bekannt. Mit der Zitierung der deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung aufgenommen.
  • Erdgasverflüssigungsanlagen werden entweder als so genannte LNG-Baseload-Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie – oder als so genannte Peak-Shaving-Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfs – ausgelegt.
  • LNG-Baseload-Plants werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, die aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Diese Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als Expander-Kreisläufe und ermöglichen bei den großen Verflüssigungsleistungen der Baseload-Plants entsprechend relativ niedrige Energieverbräuche.
  • Erdgasverflüssigungsprozesse für Verflüssigungsanlagen mit großer Kapazität – zu verstehen seien hierunter Kapazitäten von wenigstens 8 mtpa LNG – verwenden spezielle Anordnungen der in den Kältemittelkreisläufen vorgesehenen Verdichter, um die großen Massenströme der Kältemittel mit den auf dem Markt verfügbaren Verdichtern beherrschen zu können. Bei dem in der vorgenannten deutschen Offenlegungsschrift 197 16 415 beschriebenen Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes wird aus diesem Grund eine serielle Anordnung von Verdichtern in den drei zu einer Kaskade verschalteten Gemischkreisläufen realisiert.
  • Die Erhöhung der Verflüssigungskapazitäten großer LNG-Anlagen bzw. -Prozesse erfolgt mit dem Ziel, die Investitions- und Betriebskosten zu senken. Dabei ist es sinnvoll, die jeweils größten, am Markt verfügbaren Komponenten (Verdichter, Verdichterantriebe, Wärmetauscher, etc.) in der geringstmöglichen Stückzahl einzusetzen. Diese Zielvorgabe wird bisher durch die Parallelisierung ganzer Verdichtungssysteme oder Kältekreisläufe jedoch nur unzureichend erreicht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet, insbesondere eine Verringerung der Investitions- und Betriebskosten ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • a) das Kältemittelgemisch jedes Kältemittelgemischkreislaufes auf lediglich einem Druckniveau verdampft wird,
    • b) der der Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dienende Wärmetausch zwischen dem Kohlenwasserstoff-reichen Strom und dem Kältemittelgemisch des Vorkühlkreislaufes in zwei oder mehrerenbaugleichen, parallel angeordneten Wärmetauschern erfolgt,
    • c) die Verdichtung des Kältemittelgemisches des Vorkühlkreislaufes mittels eines Verdichters vom Double-flow-Typ erfolgt und
    • d) die Verdichtung des Kältemittelgemisches des Verflüssigungskreislaufes in wenigstens zwei Stufen erfolgt, wobei die Verdichtung in der ersten Stufe mittels eines Verdichters vom Double-flow-Typ erfolgt.
  • Unter den Begriffen "Verdichter vom Double-flow-Typ" und "Double-flow-Verdichter" seien nachfolgend alle Verdichterkonstruktionen zu verstehen, bei denen jeweils der halbe Massenstrom des zu verdichtenden Mediums an den gegenüberliegenden Enden des Verdichters angesaugt wird und der verdichtete Gesamtstrom in der Mitte des Verdichters auf einem identischen Druck abgegeben wird. In vorteilhafter Weise entstammen die Laufräder derartiger Verdichter der jeweils größten, am Markt verfügbaren Laufräder-Baureihe.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, die Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Verflüssigungsleistung wenigstens 8 mtpa LNG, vorzugsweise wenigstens 10 mtpa LNG und besonders bevorzugt wenigstens 15 mtpa LNG beträgt,
    • – der den zwei oder mehreren baugleichen, parallel angeordneten Wärmetauschern zugeführte Kohlenwasserstoff-reiche Strom gleichmäßig auf diese Wärmetauscher verteilt wird,
    • – der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Abkühlung oder Verflüssigung von bei der Verflüssigung unerwünschten Komponenten, insbesondere von höheren Kohlenwasserstoffen, gereinigt wird und
    • – der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Abkühlung oder Verflüssigung verdichtet wird,
    • – der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Abkühlung oder Verflüssigung auf einen Druck von wenigstens 60 bar, vorzugsweise wenigstens 80 bar verdichtet wird,
    • – zwischen den der Verdichtung des Vorkühlkreislaufes zugeführten Kältemittelgemischteilströmen ein Druckausgleich realisierbar ist und
    • – die Antriebe der drei Kältekreislaufverdichter bzw. -verdichtereinheiten bau- und/oder leistungsgleich sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird dem Verflüssigungsprozess über Leitung 1 zugeführt. Sofern erforderlich und/oder gewünscht, können entsprechende, der Verflüssigung vorgeschaltete Prozesse vorgesehen werden, die der Entfernung von bei der Verflüssigung unerwünschten Komponenten aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom dienen. Derartige unerwünschte Komponenten können sein: höhere Kohlenwasserstoffe, Amine, Schwefelverbindungen, Wasser, Quecksilber, etc.
  • Darüber hinaus kann der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Zuführung in den Verflüssigungsprozess einer Verdichtung, die vorzugsweise einem ggf. vorzusehenden Abtrenn- bzw. Reinigungsprozess nachgeschaltet ist, unterworfen werden. In dieser Verdichtung wird der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom auf einen Druck von wenigstens 60 bar, vorzugsweise wenigstens 80 bar verdichtet. Die vorbeschriebenen Abtrennprozesse sowie die ggf. vorzusehende Verdichtung seien durch die Black-Box A dargestellt.
  • Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird erfindungsgemäß auf zwei, gleiche Durchflüsse aufweisende Teilströme 1 und 1' aufgeteilt und im Gegenstrom zu dem verdampfenden Kältemittelgemisch des Vorkühlkreislaufes durch die beiden parallel angeordneten, baugleichen Wärmetauscher E1 und E1' geführt. In Abhängigkeit von der Verflüssigungsleistung können auch drei oder mehr parallel angeordnete, baugleiche Wärmetauscher vorgesehen werden. Die Wärmetauscher E1 und E1' sind – ebenso wie die Wärmetauscher E2 und E3 – vorzugsweise als gewickelte Wärmetauscher ausgebildet.
  • Unter dem Begriff "Vorkühlung" sei ein Abkühlen des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes auf eine Temperatur von wenigstens –20°C bis –70°C, vorzugsweise –30°C bis –60°C zu verstehen.
  • Der vorgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird anschließend über Leitung 2 dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen das verdampfende Kältemittelgemisch des Verflüssigungskreislaufes verflüssigt.
  • Anschließend wird der verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom über Leitung 3 dem Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen das verdampfende Kältemittelgemisch des Unterkühlungskreislaufes unterkühlt. Über Leitung 4 wird der verflüssigte und unterkühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom anschließend seiner weiteren Verwendung und/oder Speicherung zugeführt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Verdichtung des Kältemittelgemisches des Vorkühlkreislaufes mittels eines Double-flow-Verdichters V1. In diesem wird das Kältemittelgemisch des Vorkühlkreislaufes auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtet und anschließend über Leitung 5 einem Kondensator E4 sowie einen ggf. vorzusehenden Abscheider/Speicherbehälter D zugeführt.
  • Über die Leitungen bzw. Leitungsabschnitte 6 und 6' wird das Kältemittelgemisch gleichmäßig verteilt den Wärmetauschern E1 und E1' zugeführt und in ihnen gegen sich selbst unterkühlt. Das aus den Wärmetauschern E1 und E1' abgezogene Kältemittelgemisch wird in den Entspannungsventilen a und a' kälteleistend entspannt und anschließend über die Leitungen 7 bzw. 7' im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom sowie den abzukühlenden Kältemittelgemischströmen des Verflüssigungs- sowie des Unterkühlungskreislaufes durch die Wärmetauscher E1 und E1' geführt.
  • Die dabei verdampften Kältemittelgemischteilströme werden über die Leitungen 8 und 8' aus den Wärmetauschern E1 und E1' abgezogen und dem bereits erwähnten Double-flow-Verdichter V1 zugeführt. Dieser wird von einem geeigneten Verdichterantrieb M1, bei dem es sich beispielsweise um einen Dampfturbinen-, Gasturbinen- oder Elektromotoren-Antrieb handelt, angetrieben.
  • Wie in der Figur dargestellt, wird das Kältemittelgemisch des Vorkühlkreislaufes – gleiches gilt jedoch auch für die Kältemittelgemische der anderen beiden Kreisläufe – auf lediglich einem Druckniveau verdampft. Dies ermöglicht die Realisierung eines vergleichsweise einfachen Verdichterkonzepts, bei dem auf eine (unerwünschte) Seiteneinspeisung von Kältemittelgemischteilströmen verzichtet werden kann.
  • Mittels der Leitung 9 kann zwischen den Kältemittelgemischteilströmen in den Leitungen 8 und 8' ein Druckausgleich realisiert werden. Diese vorteilhafte Verfahrensweise vereinfacht den Betrieb der Wärmetauscher E1 und E1'.
  • Die Verdichtung des innerhalb des Verflüssigungskreislaufes zirkulierenden Kältemittelgemisches erfolgt erfindungsgemäß in wenigstens zwei Verdichterstufen V2 und V2', wobei die Verdichtung in der ersten Stufe ebenfalls mittels eines Verdichters vom Double-flow-Typ erfolgt. Der Antrieb der beiden vorgenannten Verdichterstufen V2 und V2' erfolgt ebenfalls mittels eines geeigneten Verdichterantriebs M2.
  • Das auf den gewünschten Enddruck des Verflüssigungskreislaufes verdichtete und im Nachkühler E5 abgekühlte Kältemittelgemisch wird über die Leitungen bzw. Leitungsabschnitte 10 und 10' den Wärmetauschern E1 bzw. E1' zugeführt und in diesen gegen das verdampfende Kältemittelgemisch des Vorkühlkreislaufes abgekühlt. Auch das Kältemittelgemisch des Verflüssigungskreislaufes wird den Wärmetauschern E1 und E1' gleichmäßig verteilt zugeführt.
  • Die in den Wärmetauschern E1 und E1' abgekühlten und verflüssigten Kältemittelgemischteilströme des Verflüssigungskältekreislaufes werden nach ihrer Zusammenführung über Leitung 11 dem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt. In diesem erfolgt eine Unterkühlung des Kältemittelgemisches des Verflüssigungskreislaufes, bevor es nach Abzug aus dem Wärmetauscher E2 im Ventil b kälteleistend entspannt wird. Über Leitung 12 wird das entspannte Kältemittelgemisch dem Wärmetauscher E2 wiederum zugeführt und in diesem im Gegenstrom zu dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom sowie dem zu verflüssigenden Kältemittelgemisch des Unterkühlungskreislaufes verdampft.
  • Das verdampfte Kältemittelgemisch wird anschließend über Leitung 13 aus dem Wärmetauscher E2 abgezogen und über die Leitungen 13 und 13' der ersten Stufe V2 der Verflüssigungskreislauf-Verdichtereinheit V2/V2' zugeführt. Da es sich bei der ersten Verdichterstufe um einen Double-flow-Verdichter handelt, sind die Durchflussmengen in den Leitungen 13 und 13' wiederum identisch. Das in der ersten Verdichterstufe V2 auf einen Zwischendruck verdichtete Kältemittelgemisch wird über Leitung 14 der zweiten Verdichterstufe V2' zugeführt und in dieser auf den gewünschten Kreislaufenddruck verdichtet.
  • Im Wesentlichen analog zu der Verfahrensweise des Verflüssigungskältekreislaufes wird auch das Kältemittelgemisch des Unterkühlungskreislaufes im Falle des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles zweistufig verdichtet V3/V3'. Auch diese Verdichter bzw. Verdichterstufen werden von einem geeigneten Verdichterantrieb M3 angetrieben.
  • Das auf den Enddruck verdichtete und im Nachkühler E6 abgekühlte Kältemittelgemisch wird über die Leitungen 15 und 15' gleichmäßig verteilt den Wärmetauschern E1 und E1' zugeführt. In diesen erfolgt eine Abkühlung der beiden Kältemittelgemischteilströme gegen die beiden verdampfenden Kältemittelgemischteilströme des Abkühlungskreislaufes.
  • Das derart abgekühlte Kältemittelgemisch des Unterkühlungskreislaufes wird sodann über Leitung 16 dem Wärmetauscher E2 zugeführt, in diesem verflüssigt und daran anschließend im Wärmetauscher E3 gegen sich selbst unterkühlt.
  • Nach dem Abzug aus dem Wärmetauscher E3 wird das Kältemittelgemisch des Unterkühlungskreislaufes im Ventil c kälteleistend entspannt und dem Wärmetauscher E3 über Leitung 17 erneut zugeführt. Das im Wärmetauscher E3 verdampfte Kältemittelgemisch des Unterkühlungskreislaufes wird über Leitung 18 aus dem Wärmetauscher E3 abgezogen und nach einer Verdichtung auf einen Zwischendruck in der ersten Verdichterstufe V3 über Leitung 19 der zweiten Verdichterstufe V3' des Unterkühlungskreislaufes, in der das Kältemittelgemisch auf den Kreislaufenddruck verdichtet wird, zugeführt.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles sind die Antriebe M1, M2 und M3 der drei Kältekreislaufverdichter bzw. -verdichtereinheiten V1, V2 und V2' sowie V3 und V3' bau- und/oder leistungsgleich.
  • Das erfindungsgemäße Verfahrenskonzept ermöglicht die Realisierung von Verflüssigungsverfahren bzw. -anlagen mit großen Verflüssigungskapazitäten, die vergleichsweise geringe Investitions- und Betriebskosten erforderlich machen. Erreicht wird dies insbesondere durch die Kombination einer eine vergleichsweise geringe Komplexität aufweisenden Kältemittelgemischkreislaufkaskade, bestehend aus drei Kältemittelgemischkreisläufen, mit der Verwendung von Verdichtern vom Double-flow-Typ sowie baugleicher Wärmetauscher.
  • Obwohl die Verfahrensführung bewusst einfach gehalten ist, entspricht der spezifische Energieverbrauch des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dem in dieser Prozess- bzw. Anlagenkategorie üblichen Wert.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19716415 A [0002, 0002, 0005]

Claims (8)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gegen eine aus drei Kältemittelgemischkreisläufen bestehende Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt und wobei der erste Kältemittelgemischkreislauf der Vorkühlung, der zweite Kältemittelgemischkreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältemittelgemischkreislauf der Unterkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dient, dadurch gekennzeichnet, dass a) das Kältemittelgemisch jedes Kältemittelgemischkreislaufes auf lediglich einem Druckniveau verdampft wird, b) der der Vorkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes dienende Wärmetausch zwischen dem Kohlenwasserstoff-reichen Strom (1, 1') und dem Kältemittelgemisch (6) des Vorkühlkreislaufes in zwei oder mehreren baugleichen, parallel angeordneten Wärmetauschern (E1, E1') erfolgt, c) die Verdichtung des Kältemittelgemisches (8, 8') des Vorkühlkreislaufes mittels eines Verdichters vom Double-flow-Typ (V1) erfolgt und d) die Verdichtung des Kältemittelgemisches (13, 13') des Verflüssigungskreislaufes in wenigstens zwei Stufen (V2, V2') erfolgt, wobei die Verdichtung in der ersten Stufe mittels eines Verdichters vom Double-flow-Typ (V2) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verflüssigungsleistung wenigstens 8 mtpa LNG, vorzugsweise wenigstens 10 mtpa LNG und besonders bevorzugt wenigstens 15 mtpa LNG beträgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der den zwei oder mehreren baugleichen, parallel angeordneten Wärmetauschern (E1, E1') zugeführte Kohlenwasserstoff-reiche Strom gleichmäßig auf diese Wärmetauscher (E1, E1') verteilt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Abkühlung oder Verflüssigung von bei der Verflüssigung unerwünschten Komponenten, insbesondere von höheren Kohlenwasserstoffen, gereinigt wird (A).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Abkühlung oder Verflüssigung verdichtet wird (A).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor der Abkühlung oder Verflüssigung auf einen Druck von wenigstens 60 bar, vorzugsweise wenigstens 80 bar verdichtet wird (A).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den der Verdichtung (V1) des Vorkühlkreislaufes zugeführten Kältemittelgemischteilströmen (8, 8') ein Druckausgleich realisierbar ist.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebe der drei Kältekreislaufverdichter bzw. -verdichtereinheiten bau- und/oder leistungsgleich sind.
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