DE102011014984A1 - Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere eines Erdgasstromes, – durch indirekten Wärmetausch der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion mit den Kältemitteln einer Kältekreislaufkaskade, – wobei wenigstens einer der Kältekreisläufe der Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dient und – das Kältemittel dieses Kältekreislaufes dem Kreislaufverdichter in überhitztem Zustand zugeführt wird, beschrieben. Erfindungsgemäß wird das Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes gegen das Kältemittel des oder eines der anderen Kältekreisläufe soweit überhitzt (E'', E3'), dass eine Saugtemperatur des Kreislaufverdichters (C', C3) von –50°C oder höher erreicht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere eines Erdgasstromes,
    • – durch indirekten Wärmetausch der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion mit den Kältemitteln einer Kältekreislaufkaskade,
    • – wobei wenigstens einer der Kältekreisläufe der Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dient und
    • – das Kältemittel dieses Kältekreislaufes dem Kreislaufverdichter in überhitztem Zustand zugeführt wird.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion ist beispielsweise aus dem europäischen Patent 0975923 bekannt. Hierbei erfolgt die Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion durch indirekten Wärmetausch mit den Kältemitteln einer Kältekreislaufkaskade, wobei diese aus wenigstens drei (unterschiedlichen) Kältekreisläufen gebildet wird. Hierbei dient der erste Kältekreislauf der Vorkühlung, der zweite Kältekreislauf der Verflüssigung und der dritte Kältekreislauf der Unterkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffreichen Fraktion.
  • Ferner sind Verflüssigungsverfahren bekannt, bei denen die Kältekreislaufkaskade aus lediglich zwei Kältekreisläufen besteht. Bei dem eingangs beschriebenen Verflüssigungsverfahren zirkulieren innerhalb der drei Kältekreisläufe Kältemittelgemische. Diese werden nach ihrer vollständigen Verdampfung überhitzt und anschließend mittels sog. kaltansaugender Verdichter auf den jeweils gewünschten Kreislaufdruck verdichtet. Anstelle der vorbeschriebenen Kältemittelgemische können auch Reinstoffe in wenigstens einem oder sämtlichen Kältekreisläufen Verwendung finden.
  • Von Nachteil bei dem in dem europäischen Patent 0975923 beschriebenen Verflüssigungsverfahren ist, dass das Kältemittelgemisch des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes nur geringfügig – typischerweise um 10°C – überhitzt wird. Dies hat zur Folge, dass die Saugtemperatur des Kreislaufverdichters im Bereich zwischen –100 und –80°C liegt. Ein derartiger Temperaturbereich erfordert jedoch vergleichsweise kostenintensive Werkstoffe für den Kreislaufverdichter.
  • Aus dem US-Patent 6,742,357 ist ebenfalls ein gattungsgemäßes Verflüssigungsverfahren bekannt, bei dem das Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes gegen die zu unterkühlende verflüssigte Fraktion zunächst nur teilverdampft wird. Erst in einem nachgeschalteten Wärmetauscher erfolgt eine vollständige Verdampfung des Kältemittels, wobei dieses in etwa auf Umgebungstemperatur angewärmt wird. Diese Weiterentwicklung ermöglicht einen Verzicht auf die vorgenannten teuren Werkstoffe für den Kreislaufverdichter.
  • Eine derartige Verfahrensführung erfordert jedoch die Wiedereinspeisung eines zweiphasigen Kältemittels in einen Wärmetauscher. Dies macht es erforderlich, die beiden Kältemittelphasen gasförmig und flüssig gleichmäßig auf ggf. parallele Wärmetauscher und innerhalb des bzw. der Wärmetauscher zu verteilen. Eine angemessene Gleichverteilung erfordert jedoch einen hohen Aufwand bzgl. der Rohrleitungsführung sowie Regelung. Eine unzureichende Gleichverteilung kann in einer Minderleistung des Verflüssigungsprozesses resultieren.
  • 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 Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass das Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes gegen das Kältemittel des oder eines der anderen Kältekreisläufe soweit überhitzt wird, dass eine Saugtemperatur des Kreislaufverdichters von –50°C oder höher erreicht wird.
  • Der Begriff ”Kältemittel” stehe im Folgenden sowohl für Reinstoffe als auch für Gemische. Analog hierzu stehe der Begriff ”Kältekreislauf” für Kreisläufe, in denen Reinstoffe oder Gemische zirkulieren.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – das Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes gegen das Kältemittel des oder eines der anderen Kältekreisläufe soweit überhitzt wird, dass eine Saugtemperatur des Kreislaufverdichters (C', C3) von –30°C oder höher erreicht wird,
    • – sofern die Kältekreislaufkaskade drei Kältekreisläufe umfasst, von denen der erste der Vorkühlung, der zweite der Verflüssigung und der dritte der Unterkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dient, das Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes gegen das Kältemittel des der Verflüssigung dienenden Kältekreislaufes überhitzt wird,
    • – der Mengenstrom desjenigen Kältemittels, das der Überhitzung des Kältemittels des Unterkühlungs-Kältekreislaufes dient, regelbar ist, und
    • – der Wärmetausch zwischen dem zu überhitzenden Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes und dem Kältemittel des oder einem der anderen Kältekreisläufe in einem gewickelten Wärmetauscher erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Hierbei ist in der 1 ein Verflüssigungsverfahren dargestellt, bei dem ein Erdgasstrom gegen eine Kältekreislaufkaskade, bestehend aus zwei Kältekreisläufen, verflüssigt wird. Bei dem in der 2 dargestellten Verflüssigungsverfahren kommen hingegen drei Kältekreisläufe zur Anwendung.
  • Der zu verflüssigende Erdgasstrom wird bei dem in der 1 dargestellten Verflüssigungsverfahren über die Leitung 100 einem ersten Wärmetauscher E zugeführt. In diesem wird er gegen einen ersten noch zu beschreibenden Kältekreislauf abgekühlt, verflüssigt und anschließend über Leitung 200 einem zweiten Wärmetauscher E' zugeführt. In diesem erfolgt die Unterkühlung des Erdgasstromes gegen einen zweiten noch zu beschreibenden Kältekreislauf. Aus dem Wärmetauscher E' wird der verflüssigte und unterkühlte Erdgasstrom über Leitung 300 abgezogen.
  • Der für die Vorkühlung und Verflüssigung des Erdgasstromes verwendete Kältekreislauf weist eine ein- oder mehrstufig ausgelegte Verdichtereinheit C auf. Das mittels dieser verdichtete Kältemittel wird über Leitung 101 dem Wärmetauscher E zugeführt, in diesem abgekühlt und über die Leitung 102 aus dem Wärmetauscher E abgezogen. Nach kälteleistender Entspannung im Ventil a wird das Kältemittel über Leitung 103 erneut durch den Wärmetauscher E geführt, dabei vollständig verdampft und überhitzt.
  • Der der Unterkühlung des Erdgasstromes dienende Kältekreislauf weist ebenfalls eine ein- oder mehrstufig ausgelegte Verdichtereinheit C' auf. Das mittels dieser verdichtete Kältemittel wird über Leitung 201 zunächst dem Wärmetauscher E zugeführt und in diesem gegen das Kältemittel des ersten Kältekreislaufes abgekühlt und verflüssigt. Über Leitung 202 wird das Kältemittel des zweiten Kältekreislaufes dem zweiten Wärmetauscher E' zugeführt und in diesem unterkühlt. Nach Abzug am kalten Ende des Wärmetauschers E' wird das Kältemittel im Ventil c kälteleistend entspannt und über Leitung 203 erneut dem Wärmetauscher E zugeführt. Beim Durchgang durch den Wärmetauscher E' wird dieses Kältemittel vollständig verdampft und überhitzt und anschließend über Leitung 204 aus dem Wärmetauscher E' abgezogen.
  • Um die erfindungsgemäß gewünschte Überhitzung des Kältemittels des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes zu erreichen, wird ein Teilstrom des in dem ersten Kältekreislauf zirkulierenden Kältemittels über Leitung 104 dem Wärmetauscher E'' zugeführt und in diesem gegen das zu überhitzende Kältemittel des zweiten Kältekreislaufes ab- bzw. unterkühlt. Der Wärmetausch zwischen den beiden vorgenannten Ströme erfolgt vorzugsweise in einem sog. gewickelten Wärmetauscher E''. Sofern auch der Wärmetausch zwischen dem zu unterkühlenden Erdgasstrom 200 und dem Kältemittel 203 des zweiten Kältekreislaufes in einem gewickelten Wärmetauscher E' realisiert wird, können die beiden Wärmetauscher in einen gemeinsamen Druckbehälter bzw. Mantel eingebaut werden.
  • Anschließend wird der der Überhitzung des Kältemittels 204 dienende Kältemittelteilstrom über Leitung 105 erneut in den Wärmetauscher E zurückgeführt und dem Hauptstrom des Kältemittels 101 des ersten Kältekreislaufes zugemischt. Das in der Leitung 105 vorgesehene Regelventil b dient der Regelung der mittels des Kältemittelteilstromes 104 im Wärmetauscher E'' bereitgestellten Wärmeleistung. Die Wärmeleistung ist hierbei derart einzustellen, dass das Kältemittel 204 des zweiten Kältekreislaufs soweit überhitzt wird, dass eine Saugtemperatur des Verdichters C' von –50°C oder höher, vorzugsweise von –30°C oder höher realisiert wird.
  • Die vorerwähnten Wärmetauscher E3' und E'' können in einer beliebigen Bauart ausgeführt werden. auch bspw. als Geradrohrtauscher, die Ausführung als gewickelter Wärmetauscher und der Einbau in einen mit dem Wärmetauscher E3 bzw. E' gemeinsamen Mantel stellt eine bevorzugte Lösung dar.
  • Die in der 2 dargestellte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens unterscheidet sich von der in der 1 dargestellten dadurch, dass nunmehr für die Vorkühlung und Verflüssigung des Erdgasstromes separate Kältekreisläufe verwendet werden.
  • Der zu verflüssigende Erdgasstrom, der über Leitung 1 dem Wärmetaucher E1 zugeführt wird, wird nach erfolgter Vorkühlung in diesem über die Leitung 2 einem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen das Kältemittel des zweiten Kältekreislaufes verflüssigt. Anschließend wird er über Leitung 3 einem dritten Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen das Kältemittel des dritten Kältekreislaufes unterkühlt, bevor er über Leitung 4 aus dem dritten Wärmetauscher E3 abgezogen wird. Ein derartiges Verflüssigungsverfahren ist beispielsweise aus dem eingangs genannten europäischen Patent 0975923 bekannt und dort im Detail erläutert.
  • Der der Vorkühlung des zu verflüssigenden Erdgasstromes dienende erste Kältekreislauf weist eine ein- oder mehrstufig ausgelegte Verdichtereinheit C1 auf. Das verdichtete Kältemittel wird dem Wärmetauscher E1 über Leitung 7 zugeführt. Nach Durchgang durch den Wärmetauscher E1 wird es über Leitung 8 abgezogen, im Ventil V kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung 9 erneut durch den Wärmetauscher E1 geführt, dabei vollständig verdampft und überhitzt.
  • Auch der zweite, der Verflüssigung des Erdgasstromes dienende Kältekreislauf weist eine ein- oder mehrstufig ausgelegte Verdichtereinheit C2 auf. Das mittels ihr verdichtete Kältemittel wird über Leitung 10 zunächst durch den Wärmetauscher E1 und anschließend über die Leitungsabschnitte 11 und 12 dem zweiten Wärmetauscher E2 zugeführt. Nach Abzug des Kältemittels des zweiten Kältekreislaufes am kalten Ende des Wärmetauschers E2 wird es im Ventil V3 kälteleistend entspannt und über Leitung 13 erneut dem Wärmetauscher E2 zugeführt. Das im Wärmetauscher E2 vollständig verdampfte und überhitzte Kältemittel des zweiten Kältekreislaufes wird über Leitung 16 erneut der Verdichtereinheit C2 zugeführt.
  • Auch der dritte, der Unterkühlung des verflüssigten Erdgasstromes dienende Kältekreislauf weist eine ein- oder mehrstufig ausgelegte Verdichtereinheit C3 auf. Das mittels ihr verdichtete Kältemittel wird über die Leitung 20 dem Wärmetauscher E1 und nach Durchgang durch den Wärmetauscher E1 über Leitung 21 dem Wärmetauscher E2 zugeführt. Anschließend wird das Kältemittel über Leitung 22 durch den Wärmetauscher E3 geführt. Nach Abzug am kalten Ende des Wärmetauschers E3 wird dieses Kältemittel im Ventil V4 kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung 23 erneut dem Wärmetauscher E3 zugeführt. Nach vollständiger Verdampfung und Überhitzung im Wärmetauscher E3 wird das Kältemittel über Leitung 24 wieder der Verdichtereinheit C3 zugeführt.
  • Um die erfindungsgemäß gewünschte Überhitzung des Kältemittels des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes zu erreichen, wird ein Teilstrom des Kältemittels des zweiten Kältekreislaufs über Leitung 14 dem dritten Wärmetauscher E3 zugeführt und in diesem gegen das zu überhitzende Kältemittel des dritten Kältekreislaufes ab- bzw. unterkühlt. Der Wärmetausch zwischen den beiden vorgenannten Ströme erfolgt wiederum vorzugsweise in einem sog. gewickelten Wärmetauscher E3'. Anschließend wird der der Überhitzung des Kältemittels 24 dienende Kältemittelteilstrom über Leitung 15 dem Hauptstrom des Kältemittels 12 des zweiten Kältekreislaufes zugemischt. Mittels der Regelventile V1 und V2 kann die durch den Kältemittelteilstrom 14 im Wärmetauscher E3' bereitgestellte Wärmeleistung beeinflusst werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion ermöglicht die Realisierung einer ausreichend großen Überhitzung des der Unterkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dienenden Kältemittels. Eine wie in dem eingangs genannten US-Patent 6,742,357 beschriebene Zweiphaseneinspeisung in einen Wärmetauscher kann somit vermieden werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 0975923 [0002, 0004, 0020]
    • US 6742357 [0005, 0025]

Claims (5)

  1. Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere eines Erdgasstromes, – durch indirekten Wärmetausch der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion mit den Kältemitteln einer Kältekreislaufkaskade, – wobei wenigstens einer der Kältekreisläufe der Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dient und – das Kältemittel dieses Kältekreislaufes dem Kreislaufverdichter in überhitztem Zustand zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes gegen das Kältemittel des oder eines der anderen Kältekreisläufe soweit überhitzt wird (E'', E3'), dass eine Saugtemperatur des Kreislaufverdichters (C', C3) von –50°C oder höher errreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes gegen das Kältemittel des oder eines der anderen Kältekreisläufe soweit überhitzt wird (E'', E3'), dass eine Saugtemperatur des Kreislaufverdichters (C', C3) von –30°C oder höher erreicht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kältekreislaufkaskade drei Kältekreisläufe umfasst, von denen der erste der Vorkühlung, der zweite der Verflüssigung und der dritte der Unterkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dient, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes gegen das Kältemittel des der Verflüssigung dienenden Kältekreislaufes überhitzt wird (E'', E3').
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenstrom desjenigen Kältemittels, das der Überhitzung (E'', E3') des Kältemittels des Unterkühlungs-Kältekreislaufes dient, regelbar ist (b, V1, V2).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetausch zwischen dem zu überhitzenden Kältemittel (203, 23) des der Unterkühlung dienenden Kältekreislaufes und dem Kältemittel des oder einem der anderen Kältekreisläufe in einem gewickelten Wärmetauscher (E'', E3') erfolgt.
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EP0975923A1 (de) 1997-04-18 2000-02-02 Linde Aktiengesellschaft Verfahren zum verflüssigen eines kohlenwasserstoff-reichen stromes
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