DE2820212A1 - Verfahren zum verfluessigen von erdgas - Google Patents

Verfahren zum verfluessigen von erdgas

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DE2820212A1 DE19782820212 DE2820212A DE2820212A1 DE 2820212 A1 DE2820212 A1 DE 2820212A1 DE 19782820212 DE19782820212 DE 19782820212 DE 2820212 A DE2820212 A DE 2820212A DE 2820212 A1 DE2820212 A1 DE 2820212A1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas, bei dem ein unter Druck stetender Erdgasstrom in Wärmetausch mit zwei in geschlossenen Kreisläufen geführten Kältemitteln, die jeweils verdichtet, mindestens teilweise verflüssigt und entspannt werden, gebracht wird und das Kühlmittel des ersten Kreislaufs zur Vorkühlung des Erdgases sowie des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs und das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs zur Verflüssigung des vorgekühlten Erdgases verwendet wird, und bei dem das verflüssigte Erdgas entspannt wird, wobei das Erdgas nach der Vorkühlung in zwei Teilströme aufgeteilt wird, vnn denen der eine durch Wärmetausch mit dem Kühlmittel des
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
zweiten Kreislaufs und der andere durch Wärmetausch mit dem bei der Entspannung des verflüssigten Erdgases gebildeten Flashgas verflüssigt wird.
Aus der DE-OS 2.K 38 Kkj> ist bereits ein Verfahren der genannten Art bekannt, bei dem stickstoffreiches Erdgas unter Druck verflüssigt, entspannt und anschließend einer Rektifikationssäule zur Abtrennung des Stickstoffs zugeführt wird. Das dabei anfallende stickstoffreiche Kopfprodukt gibt seine Kälte zunächst an einen Teilstrom des zu verflüssigenden Erdgases ab und wird dann im Wärmetausch mit dem gesamten Erdgasstrom sowie den Kühlmitteln der beiden Kreisläufe auf Umgebungstemperatur angewärmt und aus der Verflüssigungsanlage herausgeführt. Üblicherweise wird dieses Gas anschließend verdichtet und beispielsweise in Gasturbinen verbrannt, um auf diese V/eise zur Deckung des Energiebedarfs des Verflüssigungsverfahrens beizutragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein energetisch besonders günstiges Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Flashgas nach dem Wärmetausch mit dem vorgekühlten Erdgas verdichtet, mindestens teilweise in Wärmetausch mit den Kühlmitteln des ersten und des zweiten Kreislaufs verflüssigt und wieder entspannt wird.
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich als energetisch sehr günstig, weil die zur Verflüssigung erforderliche
Kälte des zweiten Kreislaufs auf einem höheren Temperaturniveau bereitgestellt werden kann als bei dem bekannten Verfahren. Dies hat zur Folge, daß bei der Entspannung des verflüssigten Erdgases gegenüber dem bekannten Verfahren ein erhöhter Anteil an Flashgas entsteht. Die Kälte dieses Gases wird zur Verflüssigung des einen Teilstroms des vorgekühlten Erdgases genutzt, und das Gas durchläuft nach seiner Verdichtung erneut den Verflüssigungsprozeß. Es hat sich gezeigt, daß bei geeigneter Dimensionierung des zweiten Kreislaufs, die unter anderem von der Zusammensetzung des Erdgases abhängt, für diesen Kreislauf eine Energieersparnis eintritt, die den für die Rückverdichtung des Flashgases erforderlichen Mehraufwand übertrifft, so daß sich insgesamt eine
günstigere Energiebilanz ergibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich auch in
betriebstechnischer Hinsicht als günstig, denn es ermöglicht
bei geeigneter Dimensionierung die Verwendung gleichartiger
Verdichterantriebe für den ersten und zweiten Kreislauf.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Teilstrom des verdichteten Flashgases abgezweigt und zur Energieerzeugung, beispielsweise in einer Gasturbine, verwendet. Als besonders vorteilhaft erweist sich dieses V'3rfahrensmerkmal in Verbindung mit einer adsorptiven Reinigung
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des Erdgases vor seiner Abkühlung, beispielsweise eine adsorptive HpO- und COp-Entfernung. Der vom Flashgas abgezweigte Teilstrom kann dann zur Regenerierung van beladenera Adsorptionsmittel verwendet werden, wodurch die Bereitstellung eines besonderen Regeneriergases entfallen kann.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden vorteilhaft in den beiden Kreisläufen Gemische als Kühlmittel verwendet. Dabei ist es günstig, das Kältemittel des ersten Kreislaufs nach seiner teilweisen Verflüssigung einer Fhasentrennung zu unterziehen und die dabei anfallende flüssige Fraktion nach ihrer Entsnannung in Wärmetausch mit dem Erdgas, der bei der Phasentrennung anfallenden gasförmigen Fraktion und dem zweiten Kühlmittel zumindest; teilweise zu verdampfen. Die Entspannung der flüssigen Fraktion kann dabei ir. mehreren aufeinanderfolgenden Stufen erfolgen. Die im T.,"ärmeuausch rr.it der entspannten flüssigen Fraktion verflüssigte gasförmige Fraktion wird entspannt und im Wärnietausch mit dem Erdgas und dem sich bei diesem Wärmetausch zumindest teilweise verflüssigenden zweiten Kühlmittel wieder verdampft.
Eine solche Ausgestaltung des ersten Kreislaufs ist energetisch sehr günstig, weil durch die getrennte Verdampfung der bei der Phasentrennung des partiell kondensierten Kühlmittels des ersten Kreislaufs anfallenden Fraktionen bereits im Bereich der Vorkühlung eine sehr gute Anpassung der Anwärmkurve des
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Kühlmittels an die Abkühlkurve des Erdgases erzielt wird. Außerdem wird in den Wärmetauschern eine gute Temperaturstabilisierung erreicht, da durch die Phasentrennung des Kühlmittels innerhalb des Kreislaufes in den jeweiligen Wärmetauschern Flüssigkeiteil verdampfen, die stark mit höher siedenden Komponenten des Kühlmittels angereichert sind.
Es hat sich als günstig erwiesen, als Kältemittel im ersten Kreislauf ein Gemisch von C9- und ([^-Kohlenwasserstoffen zu verwenden, wobei der Anteil der Cp-Kohlenwasserstoffe zwischen 5 und 20 Mol.-% betragen kann. Als Cp-Kohlenwasserstoffe sind Äthylen oder Ä'than und als ^-Kohlenwasserstoffe Propan oder Propylen geeignete Kühlmittel. Insbesondere hat sich ein Gemisch von 8 Mol-$ Äthylen und 92 V.ol.-fo Propan als günstiges Gemisch für den ersten Kreislauf erwiesen.
Im zweiten Kühlkreisluaf wird vorteilhaft ebenfalls ein Gemisch verwendet, wobei sich Mischungen von Stickstoff, Methan, C2- und CU-Kohlenwasserstoffen als günstig erwiesen haben. Der Stickstoffanteil kann dabei zwischen 5 und 15 Mol.-^, der des Methans zwischen 50 und 45 Mol-fj, der der Cp-Kohlenwasserstoffe zwischen j50 und 50 xnol.-fo und der der C-,-Kohlenwasserstoffe zwischen 3 und 20 Mo1-$ liegen. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei ein Gemisch von 10 Mol-# Stickstoff, J51 Mol.-fS Methan, 42 Mol.-Jo Äthylen und 16 MoI.-^ Propan erwiesen.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren schematisch dargestellt sind, erläutert.
Gemäß Figur 1 wird zu verflüssigendes Erdgas, das in diesem Beispiel im wesentlichen aus Methan und geringen Anteilen an A'than, Propan und höher siedenden Kohlenwasserstoffen besteht und außerdem geringe Mengen COp,HpO und Stickstoff enthält, über Leitung 1 unter einem Druck von etwa 60 bar der Anlage unter Umgebungstemperatur zugeführt. In den wechselweise betriebenen Adsorbern 2, j5 erfolgt eine Reinigung des Erdgases, das heißt im wesentliehen eine Abtrennung von HgO und CO2- Dabei können als Adsorptionsmittel beispielsweise Molekularsiebe verwendet werden. Anschließend wird das gereinigte Erdgas durch die Leitung 4 den Wärmetauschern 5,6,7 und 8 des Vorkühlkreislaufs zugeführt und in ihnen auf eine Temperatur von eta -50 C abgekühlt. Falls das Erdgas unter hinreichend tiefen Temperaturen, beispielsweise bei tiefer Umgebungstemperatur, vorliegt, kann die Vorkühlung des Erdgases im Wärmetauseher 5 entfallen.
Nach der Vorkühlung wird das Erdgas in zwei Teilströme 9, 10 aufgeteilt. Das im ersten Teilstrom 9 geführte Erdgas wird im Wärmetauscher 11 gegen das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs auf eine Temperatur von etwa 120 K abgekühlt, verflüssigt sich dabei vollständig und wird unterkühlt. Anschließend wird es im Drosselventil 12 auf den geringfügig über Atmosphärendruck liegen-
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den Druck entspannt. Das dabei entstehende Flashgas wird in einem Abscheider 13 von der flüssigen Phase getrennt. Die flüssige Phase wird über Leitung 14 einem Speicherbehälter 15 zugeführt, während das Plashgas über Leitung 16 abgezogen wird. Es gibt im Wärmetauscher 17 seine Kälte an den Teilstrom 10 des zu verflüssigenden Erdgases ab. Der sich bei diesem Wärmetausch vollständig verflüssigende und unterkühlende Teilstrom 10 wird im Drosselventil l8 entspannt und ebenfalls im Abscheider 13 einer Phasentrennung unterzogen.
Das im Wärmetauscher 17 angewärmte Flashgas wird gemeinsam mit dem über Leitung 19 abgeführten Boil-Off-Gas aus dem Speicherbehälter 15 in einem Turboverdichter 20 auf einen Druck von etwa 35 bar verdichtet. Dabei erwärmt sich das Gas auf eine Temperatur, die oberhalb der Umgebungstemperatur liegt und wird deshalb im Nachkühler 21 auf etwa Umgebungstemperatur rückgekühlt. Das komprimierte Gas wird anschließend über Leitung 22 weitergeleitet und in Teilströme 23, 24 aufgeteilt. Der über Leitung 23 abgezweigte Teilstrom wird durch den jeweils in der Regenerierphase betriebenen Adsorber 2 oder 3 geführt, um das mit HpO un<^ C0p beladene Adsorptionsmittel zu regenerieren. Anschließend wird es über Leitung 25 abgezogen und in einer nicht dargestellten Gasturbine verbrannt.
Der übrige, über Leitung 22 zugeführte Teilstrom wird über Leitung 24 der Vorkühlstufe zugeführt und in den Wärmetauscher
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
5,6,7 und 8 erneut vorgekühlt und gelangt anschlagend in den Wärmetauscher 11, in dem eine vollständige Verflüssigung und Unterkühlung erfolgt. Der verflüssigte und unterkühlte Teilstrom wird anschließend im Drosselventil 26 entspannt und ebenfalls in den Abscheider 13 geführt, in dem eine Phasentrennung vorgenommen wird.
Die zur Durchführung des Verfahrens erforderliche Kälte wird durch zwei zur Kaskase geschaltete Gemischkreisläufe zur Verfügung gestellt.
Das Kältemittel des im wesentlichen zur Vorkühlung dienenden ersten Gemischkreislaufes ist ein Gemisch aus Äthylen und Propan. Es wird in den Verdichtungsstufen 27, 28 und 29 des Kreislaufkompressors auf den Kreislaufenddruck verdichtet, im Wasserkühler 30 partiell kondensiert und im Abscheider 31 einer Phasentrennung unterzogen. Die im Abscheider 31 anfallende flüssige Fraktion, die stark mit Propan angereichert ist, wird nach weiterer Kühlung im Wasserkühler 48 über ein Ventil 32 in einen ersten Abscheider 33 zwischenentspannt. Ein Teil der im Abscheider 35 anfallenden flüssigen Fraktion, die nunmehr fast nur noch aus Propan besteht, wird im Querschnitt 34 des Wärmetauschers 5 verdampft, in den Abscheider 35 zurückgeführt und daraufhin zusammen mit dem bei der Entspannung anfallenden Dampf über eine Leitung 35 der dritten Verdichtungsstufe 29 zugeleitet.
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Der Rest der im Abscheider 33 anfallenden flüssigen Fraktion wird über ein Ventil J>6 in einen zweiten Abscheider 37 weiterentspannt. Ein Teil der im Abscheider 37 anfallenden flüssigen Fraktion wird nunmehr im Querschnitt 38 des Wärmeaustauschers 6 verdampft, in den Abscheider 37 zurückgeführt und daraufhin zusammen mit dem bei der Entspannung anfallenden Dampf über eine Leitung 39 der zweiten Verdichtungsstufe 28 zugeleitet.
Der Rest der im Abscheider 37 anfallenden flüssigen Fraktion wird schließlich über ein Ventil 4o in einen dritten Abscheider 4l auf den tiefsten Druck des Kreislaufes entspannt. Die im Abscheider 4l anfallende flüssige Fraktion wird im Querschnitt 42 des Wärmeaustauschers 7 verdampft, in den Abscheider 4l zurückgeführt und daraufhin zusammen mit dem bei der Entspannung anfallenden Dampf über eine Leitung 43 der ersten Verdichtungsstufe 27 zugeleitet.
Die mehrstufige Entspannung und Verdampfung bei verschiedenen Druckniveaus der im Abscheider 3I anfallenden flüssigen Fraktion erweist sich als energetisch sehr günstig, da hierdurch eine sehr gute Anpassung der Anwärmkurve des Kältemittels an die Abkühlkurve des Erdgases erreicht wird. Durch die Anordnung der Abscheider 33.» 37 und 4l wird mit Sicherheit vermieden, daß nichtverdampftes Kältemittel in die Verdichtungsstufen gelangt was zu einer Zerstörung der Kompressoren führen könnte. Ein weiterer entscheidender Vorteil der Anordnung des Abscheiders 31
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und auch der Abscheider y$} 37-und 4l liegt jedoch darin, daß trotz der Verwendung eines Gernischkreislaufes in den Wärmeaustauscherquerschnitten j54, 38 und ^2 nahezu reines Propan verdampft. Dies ist im Hinblick auf die Temperaturstabilisierung in den Wärmeaustauschern 5,6 und 7 von entscheidender Bedeutung.
Die im Abscheider Jl anfallende gasförmige Fraktion wird in den Wärmeaustauschern 5*6,7 verflüssigt und unterkühlt, im Ventil 44 entspannt und im Wärmeaustauscher 8 gegen das in den Leitungen 4 und 24 geführte Erdgas und das Gemisch des zweiten Kreislaufes verdampft. Daraufhin wird sie zunächst dem Abscheider 4l und anschließend über die Leitung 43 der ersten Verdichtungsstufe'27 des Kreislaufkompressors zugeleitet. Gegebenenfalls kann die gasförmige Fraktion vor ihrer Entspannung im Ventil 44 im Wärmeaustauscher 8 im Wärmeaustausch mit sich selbst noch weiter unterkühlt werden.
Da die im Abscheider 31 anfallende gasförmige Fraktion aus Äthylen und Propan besteht, kann im Wärmeaustauscher 8 Kälte auf relativ tiefem Temperaturniveau übertragen werden. Damit gelingt es, im Wärmeaustauscher S bereits einen Großteil des Mehrkomponentengemisches des zweiten Gemischkreislaufes zu verflüssigen, was thermodynamisch sehr günstig ist.
Das Gemisch des zweiten Kreislaufes, in dem die Kälte zur vollständigen Verflüssigung und Unterkühlung des Erdgases erzeugt wird, besteht im wesentlichen aus Stickstoff, Methan,
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Äthylen und Propan. Es wird im Kreislaufkompressor 45 auf den Kreislaufdruck verdichtet und im WasserkUhler 46 gekühlt. Daraufhin wird es in den Wärmeaustauschern 5*6,7 und δ im Wärmeaustausch gegen das Kältemittel des ersten Kreislaufes teilweise verflüssigt. Im Wärmeaustauscher 11 wird das Gemisch vollständig verflüssig und unterkühlt. Schließlich wird es im Ventil 47 entspannt, im Wärmeaustauscher 11 gegen Erdgas, das sich hierbei verflüssigt und unterkühlt, und gegen sich selbst verdampft und erneut dem kaltansaugenden Kreislaufkompressor 45 zugeführt. Der besondere Vorteil des zweiten Gemischkreislauf liegt in seiner Einfachheit, da zur Verflüssigung und Unterkühlung des Erdgases nur ein einziger Wärmeaustauscher 11 mit vier Querschnitten erforderlich ist, so daß ein gewickelter Wärmeaustauscher verwendet werden kann.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Figur 2 dargestellt, das sich von dem in Fig. 1 dargestellten im wesentlichen nur durch die Konzeption des zweiten Kreislaufes unterscheidet.
Gemäß dieser Figur wird das in den Wärmeaustauschern 5,6,7 und 8 teilweise kondensierte zweite Mehrkomponentengemisch im Abscheider 49 einer Phasentrennung unterzogen. Die im Abscheider 49 anfallende flüssige Fraktion wird im Wärmeaustauscher unterkühlt, im Ventil 51 entspannt und im Wärmeaustauscher 50 gegen sich verflüssigendes Erdgas, gegen die sich verflüssigende
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LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
gasförmige Fraktion aus dem Abscheider 4-9 und gegen sich selbst verdampft. Die verflüssigte gasförmige Fraktion wird im Wärmeaustauscher 52 unterkühlt, im Ventil 52 entspannt und im Wärmeaustauscher 52 gegen sieh unterkühlendes Erdgas und gegen sich selbst verdampft. Daraufhin werden beide Fraktionen vereint und erneut dem Kreislaufkompressor 45 zugeführt.
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Claims (1)

  1. Patentansprüche
    /ΊJ Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas, bei dem ein unter Druck stehender Erdgasstrom in Wärmetausch mit zwei in geschlossenen Kreisläufen geführten Kältemitteln, die jeweils verdichtet, mindestens teilweise verflüssigt und entspannt werden, gebracht wird und das Kühlmittel des ersten Kreislaufs zur Vorkühlung des Erdgases sowie des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs und das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs zur Verflüssigung des vorgekühlten Erdgases verwendet wird, und bei dem das verflüssigte Erdgas entspannt wird, wobei das Erdgas nach der Vorkühlung in zwei Teilströme aufgeteilt wird, von denen der eine durch Wärmetausch mit dem Kühlmittel des zweiten Kreislaufs und der andere durch Wärmetausch mit dem bei der Entspannung des verflüssigten Erdgases gebildeten Flashgas verflüssigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Flashgas nach dem Wärmetausch mit dem vorgekühlten Erdgas verdichtet, mindestens teilweise in WärmetauschraLt den Kühlmitteln des ersten und des zweiten Kreislaufs verflüssigt und wieder entspannt wird.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrom des verdichteten Flash-Gases abgezweigt und zur Energieerzeugung verwendet wird.
    ■ /.
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    ORIGINAL INSPECTED
    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    J5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdgas, bevor es in Wärmetausch mit dem Kühlmittel des ersten Kreislaufs gebracht wird, adsorptiv gereinigt wird und der zur Energieerzeugung vorgesehene abgezweigte Teilstrom des verdichteten Flash-Gases zur Regenerierung von beladenemAdsorptionsmittel verwendet wird.
    4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, daß dem Flashgas vor seiner Verdichtung das in einem Speicherbehälter anfallende Boil-off-Gas zugemischt wird.
    5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel des ersten Kreislaufs aus mehreren Komponenten besteht und nach seiner teilweisen Verflüssigung einer Phasentrennung unterzogen, wird, daß die hierbei anfallende flüssige Fraktion nach ihrer Entspannung in Wärmetausch mit dem Erdgas, der bei der Phasentrennung anfallenden gasförmigen Fraktion und dem zweiten Kühlmittel zumindest teilweise verdampft wird, und daß die im Wärmetausch mit der entspannten flüssigen Fraktion verflüssigte gasförmige Fraktion entspannt und im Wärmetausch mit dem Erdgas und dem sich bei diesem Wärmetausch zumindest teilweise verflüssigenden zweiten Kühlmittel zumindest teilweise verdamcft wird.
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    LiNDE AKTIENGESELLSCHAFT
    6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, daß das Kältemittel des ersten Kreislaufs aus bis 20 Mol. -fo Cp- und aus 95 bis 80 Mol.-$ ^-Kohlenwasserstoffen besteht.
    7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß das Kältemittel des zweiten Kreislaufs aus einem Gemisch von 5 bis 15 Mol.-# Stickstoff, 30 bis 45 Methan, 30 bis 50.-$ C2- und 3 bis 20 Mol.-$ ^-Kohlenwasser stoffen besteht.
    8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet, daß als C ,,-Kohlenwasserstoff Äthylen oder Äthan und als C-z-Kohlenwasserstoff Propan oder Propylen verwendet wird.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im ersten Kreislauf ein Gemisch von 8 Mol.-$ Äthylen und 92 MoI-Js Propan und im zweiten Kältekreislauf ein Gemisch von 11 Mol.-# Stickstoff, 31 Mol.-# Methan, 42 Mol-$ Äthylen und ΐβ Mol-$ Propan verwendet wird.
    10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn-• zeichnet, daß die flüssige Phase des verdichteten Kühlmittels des ersten Kreislaufs mehrstufig entspannt wird und daß
    • A
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    LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    nach jeder Entspannungsstufe eine Phasentrennung durchgeführt wird, wobei die dabei anfallende flüssige Fraktion teilweise im Wärmetausch mit zu kühlenden Medien verdampft und der flüssige Rest der nächstfolgenden Entspannungsstufe zugeführt wird.
    11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel des ersten Kreislaufs auf einen Druck zwischen 8 und 18 bar verdichtet, die flüssige Fraktion in drei Stufen auf etwa Atmosphärendruck entspannt und die gasförmige Fraktion nach ihrer Verflüssigung auf etwa Atmosphärendruck entspannt wird.
    12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs auf einen Druck zwischen 4o und 65 bar verdichtet, nach seiner Verflüssigung unterkühlt und dann einstufig auf einen Druck zwischen 1 und 5 bar entspannt wird.
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