DE10209799A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents

Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlewasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen einen Kältemittelgemischstrom erfolgt, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß besteht der Kältemittelgemischstrom aus zwei Komponenten, wobei eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes und die andere Komponete ein schwerer Kohlenwasserstoff, zumindest wenigstens Propan oder Propylen, ist, und vor der Abkühlung und kälteleistenden Entspannung der beiden Komponenten erfolgt eine Auftrennung des Kältemittelgemisches in eine höher siedende und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen einen Kältemittelgemischstrom erfolgt.
  • Erdgasverflüssigungsanlagen werden entweder als sog. LNG Baseload Plants - 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.
  • Die vorgenannten Peak Shaving Plants werden mit Expansionsturbinen oder Kältemittelmischungen in den Kältekreisläufen betrieben.
  • 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.
  • In energetischer Hinsicht problematisch sind jedoch Verfahren zur Verflüssigung von Erdgas, die eine Verflüssigungsleistung im Bereich von wenigen hundert Nm3/h bis zu einigen zehntausend Nm3/h aufweisen. Bei diesen Verflüssigungsverfahren werden oftmals die vorbeschriebenen Expander-Prozesse realisiert, wobei jedoch energetische Nachteile in Kauf genommen werden müssen.
  • Alternativ zu diesen Expander-Prozessen kommen auch sog. Single-Flow-Prozesse zur Anwendung; diese sind jedoch hinsichtlich ihres Betriebes sowie Equipments als vergleichsweise aufwendig einzustufen.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes anzugeben, das gegenüber einem Expander-Prozess einen geringeren Energieverbrauch aufweist, wobei jedoch der apparative Aufwand - verglichen mit herkömmlichen Kältemittelgemischkreisläufen - niedrig gehalten werden kann. Ferner sollen der verfahrenstechnische Aufwand und damit das erforderliche Personal für den Betrieb des Prozesses minimiert bzw. optimiert werden.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass der Kältemittelgemischstrom aus zwei Komponenten besteht, wobei eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes und die andere Komponente ein schwerer Kohlenwasserstoff, zumindest wenigstens Propan oder Propylen ist, und vor der Abkühlung und kälteleistenden Entspannung der beiden Komponenten eine Auftrennung des Kältemittelgemisches in eine höher siedende und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion erfolgt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vereinigt die apparatetechnische Einfachheit eines Expander-Prozesses mit der betriebs- bzw. verfahrenstechnischen Einfachheit sowie den energetischen Vorteilen von Kältemittelgemischkreisläufen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Verdichtung des Kältemittelgemisches mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung erfolgt und die höher siedende Kältemittelfraktion der tiefer siedenden Kältemittelfraktion auf einer Zwischendruckstufe zugemischt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Hierbei unterscheiden sich die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich dadurch, dass bei dem anhand der Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine Rückverflüssigung des aus dem Speicherbehälter abgezogenen Boil-Off-Gases erfolgt.
  • Gemäß der in der Fig. 1 dargestellten Verfahrensweise wird dem erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahren über Leitung 1 ein trockener, vorbehandelter Kohlenwasserstoff-reicher Strom, beispielsweise Erdgas, zugeführt und im Wärmetauscher E1 abgekühlt sowie teilweise kondensiert. Der Kohlenwasserstoff- reiche Strom weist beispielsweise einen Druck zwischen 10 und 60 bar auf.
  • Anschließend wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom über Ventil a sowie Leitung 2 in den Abscheider D1, in dem ggf. unerwünschte schwerere Komponenten, wie beispielsweise höhere Kohlenwasserstoffe, abgetrennt werden, entspannt. Am Kopf des Abscheiders D1 wird eine C2-reiche Fraktion über Leitung 3 abgezogen, im Wärmetauscher E1 weiter abgekühlt, dabei verflüssigt und ggf. unterkühlt und anschließend über Leitung 4 und Entspannungsventil b dem (Zwischen)Speicherbehälter T zugeführt bzw. in diesen entspannt.
  • Über Leitung 5 kann aus dem (Zwischen)Speicherbehälter T eine Flüssigfraktion - im vorliegenden Falle also verflüssigtes Erdgas (LNG) - abgezogen und seiner weiteren Verwendung zugeführt werden. Während der (Zwischen)Speicherung anfallendes Boil- Off-Gas wird aus dem (Zwischen)Speicherbehälter T über Leitung 9 abgezogen, im Wärmetauscher E1 gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und über die noch zu beschreibende Fuel- bzw. Brenngasleitung 8 abgeführt.
  • Aus dem Sumpf des vorbeschriebenen Abscheiders D1 wird über Leitung 7, in der ein Entspannungsventil c angeordnet ist, die ggf. aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom abgetrennte Flüssigfraktion abgezogen, im Wärmetauscher E1 gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt, in dem dem Wärmetauscher E1 nachgeschalteten Ventil d entspannt und anschließend über Leitung 8 als Fuel- bzw. Brenngas aus dem Prozess abgeführt.
  • Die vorbeschriebene Abkühlung und Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes erfolgt erfindungsgemäß im Wärmetausch gegen einen Kältemittelgemischstrom, der aus zwei Komponenten besteht. Der entsprechende Kältekreislauf weist bei den Ausführungsformen gemäß der Fig. 1 und 2 jeweils eine zweistufige Verdichtereinheit, bestehend aus den Verdichterstufen C1 sowie C2, auf. Jeder Verdichterstufe ist ein Luft- oder Wasserkühler E2 bzw. E3 nachgeschaltet. Ferner weist der Kältekreislauf einen sog. warmen Abscheider D2 auf. Das Vorsehen lediglich eines warmen Abscheiders reduziert - verglichen mit den bekannten Kältemittelgemischkreisläufen - den betriebstechnischen Aufwand des erfindungsgemäßen Verfahrens erheblich.
  • In dem Abscheider D2 wird das Kältemittelgemisch in eine tiefer siedende sowie eine höher siedende Fraktion aufgetrennt. Die tiefer siedende Fraktion wird dem Abscheider D2 an dessen Kopf über Leitung 23 entnommen, im Wärmetauscher E1 abgekühlt sowie teilweise kondensiert und anschließend am kalten Ende des Wärmetauschers E1 im Entspannungsventil f kälteleistend entspannt. Über Leitung 24 wird die entspannte Fraktion wieder dem Wärmetauscher E1 zugeführt, in ihm gegen abzukühlende Verfahrensströme verdampft sowie überhitzt und anschließend über Leitung 20 der ersten Stufe C1 der zweistufigen Verdichtereinheit zugeführt.
  • Nach Verdichtung in der ersten Verdichterstufe C1 erfolgt eine Abkühlung in dem nachgeschalteten Wärmetauscher E2. Anschließend wird die verdichtete tiefer siedende Fraktion über Leitung 21 der zweiten Verdichterstufe C2 zugeführt - auf die Zumischung der höher siedenden Fraktion wird im Folgenden noch näher eingegangen werden - und auf den Kältemittelkreislaufenddruck, der beispielsweise zwischen 20 und 60 bar liegt, verdichtet. Auch der zweiten Verdichterstufe C2 ist ein Wärmetauscher E3 als Kühler nachgeschaltet. Das in dem Nachkühler E3 abgekühlte und teilweise kondensierte Kältemittelgemisch wird dann über Leitung 22 wieder dem Abscheider D2 zugeführt.
  • Aus dem Sumpf des Abscheiders D2 wird über Leitung 25 eine höher siedende Flüssigfraktion abgezogen, im Wärmetauscher E1 abgekühlt und anschließend im Entspannungsventil e kälteleistend auf den gewünschten Zwischendruck entspannt. Anschließend wird diese Fraktion über Leitung 26 wiederum dem Wärmetauscher E1 zugeführt, in ihm gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt sowie verdampft und anschließend über Leitung 27 der Verdichtereinheit vor deren zweiter Verdichterstufe C2 zugeführt.
  • Die in der Fig. 2 dargestellte Verfahrensweise unterscheidet sich von der in der Fig. 1 Dargestellten lediglich dadurch, dass das über Leitung 9 aus dem (Zwischen)Speicherbehälter T abgezogene Boil-Off-Gas nunmehr einem Rückverflüssigungsverdichter C3 zugeführt, in diesem verdichtet und anschließend über Leitung 9' dem Wärmetauscher E1 zugeführt wird. Nunmehr kann ein gewünschter Teilstrom des Boil-Off-Gases in dem Wärmetauscher E1 rückverflüssigt und über Leitung 10 und Entspannungsventil g wieder dem (Zwischen)Speicherbehälter T zugeführt bzw. in diesen entspannt werden.
  • Ein derartiger Boil-Off-Rückverflüssigungskreislauf wird zweckmäßigerweise jedoch nur dann vorgesehen, wenn dies aufgrund der anfallenden Boil-Off-Gasmenge erforderlich und/oder sinnvoll ist.

Claims (4)

1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen einen Kältemittelgemischstrom erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelgemischstrom aus zwei Komponenten besteht, wobei eine der Komponenten ein Bestandteil des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes und die andere Komponente ein schwerer Kohlenwasserstoff, zumindest wenigstens Propan oder Propylen ist, und vor der Abkühlung und kälteleistenden Entspannung der beiden Komponenten eine Auftrennung des Kältemittelgemisches in eine höher siedende und eine tiefer siedende Kältemittelfraktion erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung des Kältemittelgemisches mittels einer wenigstens zweistufigen Verdichtung erfolgt und die höher siedende Kältemittelfraktion der tiefer siedenden Kältemittelfraktion auf einer Zwischendruckstufe zugemischt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom zumindest teilweise zwischengespeichert wird und bei dieser Zwischenspeicherung anfallendes Boil-Off-Gas im Wärmetausch gegen den Kältemittelgemischstrom rückverflüssigt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom bei tiefen Temperaturen entspannt und von bei dieser Entspannung anfallenden flüssigen Kohlenwasserstoffen befreit wird.
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