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DE102010044869A1 - Erdgasverflüssigung - Google Patents

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DE102010044869A1
DE102010044869A1 DE102010044869A DE102010044869A DE102010044869A1 DE 102010044869 A1 DE102010044869 A1 DE 102010044869A1 DE 102010044869 A DE102010044869 A DE 102010044869A DE 102010044869 A DE102010044869 A DE 102010044869A DE 102010044869 A1 DE102010044869 A1 DE 102010044869A1
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Germany
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nitrogen
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DE102010044869A
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English (en)
Inventor
Dr. Bauer Heinz
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Priority to US13/226,633 priority patent/US20120060553A1/en
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf beschrieben, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt. Erfindungsgemäß – erfolgt die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem wenigstens dreistufigen Wärmetauschprozess (E1a–E1c), – wobei in dem ersten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1a) die Einsatzfraktion (1) gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff (9) soweit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung (D2) der schwereren Komponenten (2') realisierbar ist, – in dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1b) die von schwereren Komponenten befreite Einsatzfraktion (2) gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff (9) teilverflüssigt wird. und – in dem dritten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1c) die Einsatzfraktion (2) gegen teilzuverdampfenden Stickstoff (8) verflüssigt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas. gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt.
  • Die Verflüssigung von Kohlenwasserstoff-reichen Gasen, insbesondere von Erdgasen, findet kommerziell in einem Kapazitätsbereich von 10 bis 30.000 Tonnen LNG pro Tag (tato) statt. Bei Anlagen mittlerer Kapazität – hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 300 und 3.000 tato LNG zu verstehen – und großer Kapazität – hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 3.000 und 30.000 tato LNG zu verstehen – ist der Fachmann bestrebt, durch hohe Effizienz die Betriebskosten zu optimieren. Demgegenüber stehen bei kleineren Anlagen – hierunter seien Verflüssigungsprozesse mit einer Kapazität zwischen 10 und 300 tato LNG zu verstehen – niedrige Investitionskosten im Vordergrund. Bei derartigen Anlagen ist der Investitionskostenanteil einer eigenen Kälteanlage, bei der als Arbeitsmittel bspw. Stickstoff oder ein Stickstoff-Kohlenwasserstoff-Gemisch zur Anwendung kommt, erheblich. Daher wird ggf. auf eine Kälteerzeugung in der Verflüssigungsanlage verzichtet und ein geeignetes Kältemittel importiert. Üblicherweise wird in diesem Fall flüssiger Stickstoff verwendet und nach seiner Nutzung als Kältemittel gasförmig an die Atmosphäre abgegeben. Sofern in der Nähe befindliche Luftzerlegungsanlagen ungenutzte Produktmengen an flüssigem Stickstoff kostengünstig zur Verfügung stellen können, ist dieses Konzept für kleine Verflüssigungsanlagen durchaus kommerziell sinnvoll.
  • Aus Kostengründen kommen bei kleinen. Flüssig-Stickstoff-gekühlten Anlagen im Regelfall gelötete Aluminium-Plattenwärmetauscher zur Anwendung. Diese Apparate sind jedoch empfindlich gegenüber starken thermischen Belastungen, wie sie bspw. durch ein Überangebot an Kältemittel und/oder großen Temperaturdifferenzen zwischen warmen und kalten Prozessströmen entstehen können. Die resultierenden mechanischen Spannungen können zu Schäden an diesen Apparaten führen.
  • Zusätzlich ist zu beachten, dass während des Betriebs des Verflüssigungsprozesses die Gefriertemperatur der Einsatzfraktion nicht unterschritten werden darf. Der Festpunkt von Methan liegt mit –182°C deutlich über der atmosphärischen Siedetemperatur von Stickstoff, die –196°C beträgt. Ein Einfrieren der Anlage verursacht immer eine unerwünschte Betriebsstörung und kann zudem bleibende Schäden zur Folge haben.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion ist aus dem US-Patent 5,390,499 bekannt. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere für Anlagen kleiner Kapazität, wie sie eingangs erläutert wurden. Bei dem im US-Patent 5.390,499 beschriebenen Verflüssigungsverfahren wird das zu verflüssigende Gas in zwei separaten Wärmetauschern gegen Stickstoff gekühlt und verflüssigt. Hierbei wird der flüssige tiefsiedende Stickstoff im zweiten Wärmetauscher vollständig verdampft und bis zu einer Temperatur angewärmt, bei der aus dem zu verflüssigenden Gas mittels eines Abscheiders schwerere Rohgaskomponenten flüssig abgezogen werden können. Bei einer wie in dem US-Patent 5,390,499 beschriebenen Verfahrensführung kann jedoch die Stelle, an der der Stickstoff vollständig verdampft ist, je nach Last erheblich schwanken. Dies kann zu unerwünschten Prozessbedingungen führen, die die vorgenannten Nachteile zur Folge haben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und insbesondere ein Verfahren schafft, das robust gegen betriebliche Störungen und Schäden ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem wenigstens dreistufigen Wärmetauschprozess erfolgt,
    • – wobei in dem ersten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die Einsatzfraktion gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff soweit abgekühlt wird, dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung der schwereren Komponenten realisierbar ist,
    • – in dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die von schwereren Komponenten befreite Einsatzfraktion gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff teilverflüssigt wird, und
    • – in dem dritten Abschnitt des Wärmetauschprozesses die Einsatzfraktion gegen teilzuverdampfenden Stickstoff verflüssigt wird.
  • Unter dem Begriff ”schwere Komponenten” seien nachfolgend Kohlenwasserstoffe ab Ethan zu verstehen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion sind dadurch gekennzeichnet. dass
    • – der dreistufige Wärmetauschprozess in einem oder mehreren Wärmetauschern realisiert wird,
    • – der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt wird, und
    • – der Siededruck des zu überhitzenden gasförmigen Stickstoffs auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Einsatzfraktion wird über Leitung 1 einem Wärmetauscher E1 zugeführt. Dieser ist in drei Abschnitte bzw. Stufen a bis c aufgeteilt. Die Grenzen zwischen diesen Abschnitten bzw. Stufen sind durch die beiden gestrichelten Linien dargestellt. Im wärmsten Abschnitt a des Wärmetauschers E1 wird die Kohlenwasserstoff-reiche Einsatzfraktion gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff, der dem Wärmetauscher E1 über Leitung 9 zugeführt wird, soweit abgekühlt, dass in einem dem Wärmetauscher E1 nachgeschalteten Abscheider D2 eine Abtrennung der schweren Komponenten aus der Einsatzfraktion möglich ist. Dazu wird die abgekühlte Einsatzfraktion aus dem Wärmetauscher E1 über Leitung 1 dem Abscheider D2 zugeführt. Aus dessen Sumpf werden über Leitung 2', in der ein Ventil V1 vorgesehen ist. die unerwünschten, schweren Komponenten in flüssiger Form abgezogen und aus dem Prozess abgegeben.
  • Anstelle des in der Figur dargestellten Abscheiders D2 kann eine Rektifizierkolonne zur Anwendung kommen, die eine schärfere Abtrennung schwerer Komponenten bzw. höherer Kohlenwasserstoffe aus der Einsatzfraktion zu erreichen.
  • Am Kopf des Abscheiders D2 wird über Leitung 2 die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion abgezogen und dem zweiten Abschnitt b des Wärmetauschers E1 zugeführt. In diesem wird die von schweren Komponenten befreite Einsatzfraktion gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff 9 teilverflüssigt. Anschließend erfolgt in der dritten Stufe c des Wärmetauschers E1 die vollständige Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen teilzuverdampfenden Stickstoff, der dem Wärmetauscher E1 über die Leitung 8 zugeführt wird.
  • Die verflüssigte Einsatzfraktion wird nach Durchgang durch den Wärmetauscher E1 über Leitung 3, in der ein Regelventil V3 angeordnet ist, einem Speicherbehälter D4 zugeführt. Aus diesem kann das verflüssigte Produkt (LNG) über Leitung 4 abgegeben werden. Das Regelventil V3 dient der Entspannung der verflüssigten Einsatzfraktion auf den Produktabgabedruck, der mindestens annähernd dem Atmosphärendruck entspricht.
  • Sofern der Stickstoff im dritten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 bei einem Druck von mehr als 15 bara verdampft wird, ist seine Siedetemperatur nicht mehr tief genug, um die verflüssigte Einsatzfraktion soweit zu unterkühlen, dass eine Ausgasung nach einer Entspannung im Regelventil V3 verhindert werden kann. In diesem Fall wird das im Speicherbehälter D4 entstehende Boil-off-Gas vorteilhafterweise über Leitung 5 abgezogen, im Verdichter C3 verdichtet und der von schweren Komponenten befreiten Einsatzfraktion 2 vor deren Verflüssigung wieder zugeführt und im Wärmetauscher E1 rückverflüssigt. Diese Verfahrensführung ist insbesondere bei einer nennenswerten Zwischenlagerung des LNG Produktes in einem atmosphärischen Flachbodentank D4 zu wählen, da somit auch das anfallende Boil-off-Gas verarbeitet wird.
  • Der für die Kältebereitstellung erforderliche Stickstoff wird dem Verflüssigungsprozess über Leitung 6 zugeführt. In vorteilhafter Weise ist ein Pufferbehälter D3 vorgesehen, der dem Ausgleich von Mengenschwankungen der zu verflüssigenden Einsatzfraktion und/oder des Kältemittels Stickstoff dient. Mittels einer Pumpe P1 wird flüssiger Stickstoff in der erforderlichen Menge über Leitung 7 einem Abscheider D1 zugeführt. Aus dem Sumpf des Abscheiders D1 wird siedender Stickstoff entnommen und über Leitung 8 durch den kältesten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 geführt. Der dabei teilweise verdampfte Stickstoff wird anschließend über Leitung 8' erneut dem Abscheider D1 zugeführt.
  • Sofern der noch zu beschreibende Rückverflüssigungsprozess betrieben wird, kann zumindest zeitweise die Kälteerzeugung durch die Rückverflüssigung des Stickstoffs den Kältebedarf der Erdgasverflüssigung übersteigen. Ein dadurch entstehendes Überangebot an flüssigem Stickstoff kann über Leitung 8'' und Ventil V6 in den Pufferbehälter D3 abgegeben werden.
  • Am Kopf des Abscheiders D1 wird über Leitung 9 gasförmiger Stickstoff abgezogen und dem mittleren Abschnitt b des Wärmetauschers E1 zugeführt. Im Gegenstrom zu der abzukühlenden und teilzuverflüssigenden Einsatzfraktion 2 wird der gasförmige Stickstoff durch den zweiten und ersten Abschnitt des Wärmetauschers E1 geführt und dabei angewärmt sowie überhitzt. Der überhitzte Stickstoff wird anschließend über die Leitungsabschnitte 10 und 11 aus dem Prozess abgezogen.
  • Mittels des Regelventils V4 kann der Siededruck des zu überhitzenden gasförmigen Stickstoffs 9 geregelt werden. In vorteilhafter Weise wird dieser Siededruck auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt.
  • In analoger Weise kann mittels des Regelventils V2 der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion 2 geregelt werden. Dieser Kondensationsdruck wird vorzugsweise auf Werte zwischen 1 und 15 bara. vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt.
  • Mittels der Regelventile V2 und/oder V4 kann somit das Temperaturprofil im dritten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 kontrolliert werden. Während mittels des Regelventils V2 der Kondensationsdruck der Einsatzfraktion im Abschnitt zwischen den Regelventilen V2 und V3 festgelegt wird, wird mittels des Regelventils V4 der Siededruck des Stickstoffs im Abscheider D1 und dem dritten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 geregelt. Aufgrund der vorbeschriebenen Aufteilung des Wärmetauschprozesses in einen zweiten und dritten Abschnitt und mit der Phasentrennung im Abscheider D1 kann nunmehr exakt festgelegt werden, in welchem Abschnitt des Wärmetauschers E1 eine (Teil-)Verdampfung bzw. Überhitzung des Stickstoffes stattfindet.
  • Durch die Aufteilung des Wärmetauschprozesses E1 in drei Abschnitte a bis c kann zuverlässig ausgeschlossen werden, dass die Phasengrenze zwischen flüssigem und gasförmigem Kältemittel innerhalb des Wärmetauschers E1 wandert und dadurch unerwünschte thermische und mechanische Spannungen innerhalb des Wärmetauschers E1 bewirkt werden.
  • Sofern der Stickstoffsiededruck (pN2) und der Rohgaskondensationsdruck (pRG) nach der Ungleichung pRG (bara) ≥ 0,3 pN2 (bara) – 1 gewählt werden, wird eine thermische Überlastung des Wärmetauschers E1 durch unzulässig hohe Temperaturdifferenzen sicher vermieden.
  • Durch die Begrenzung des Siededrucks des flüssigen Stickstoffs im dritten Abschnitt c des Wärmetauschers E1 und des Abscheiders D1 auf mindestens 5 bara – die zugehörige Siedetemperatur beträgt –179°C – kann sicher verhindert werden, dass im Wärmetauscher E1 eine Temperatur unterhalb der Gefriertemperatur von Methan auftritt. Somit sind Betriebsprobleme und ggf. Schäden durch Feststoffbildung ausgeschlossen.
  • Der über Leitung 10 aus dem Wärmetauscher E1 abgezogene überhitzte Stickstoff kann alternativ zu einer Abführung über Leitung 11 zumindest teilweise rückverflüssigt werden. Dazu wird der Stickstoff über die Leitungsabschnitte 12 und 13 einer Verdichtung zugeführt – in der Figur dargestellt durch eine zweistufige Verdichtereinheit C1/C2, wobei jeder Verdichtereinheit ein Wärmetauscher E3 bzw. E4 nachgeschaltet ist – und anschließend über Leitung 14 einem Wärmetauscher E2 zugeführt. In diesem wird der Stickstoff rückverflüssigt und sodann über Leitung 15 dem Abscheider D1 zugeführt. Eine Druckregulierung des Verdichters C2 erfolgt über das Regelventil V5. Zum Zwecke der Kältebereitstellung im Wärmetauscher E2 wird über Leitung 16 ein Teilstrom des verdichteten Stickstoffstromes abgezogen, vorzugsweise mehrstufig entspannt – dargestellt durch die Gasexpander X1 und X2 – und anschließend über Leitung 17 im Gegenstrom zu dem zu verflüssigenden Stickstoffstrom durch den Wärmetauscher E2 geführt. Die Wellen der Verdichter C1 und C2 sind vorzugsweise mit den Wellen der Gasexpander X2 und X1 gekoppelt.
  • Sofern der vorbeschriebene Rückverflüssigungsprozess betrieben wird, ist es vorteilhaft, dem Wärmetauscher E1 über Leitung 9 nur die Menge an gasförmigem Stickstoff zuzuführen, die für eine kleine positive Temperaturdifferenz von ca. 3°C zwischen den Strömen 1 und 10 am warmen Ende des Wärmetauschers E1 erforderlich ist. Die überschießende Menge an kaltem, gasförmigen Stickstoff wird über Leitung 9' anteilig zur Rückverflüssigung im Wärmetauscher E2 verwendet.
  • Grundsätzlich kann der Verflüssigungsprozess mittels ”importiertem” Stickstoff – in diesem Falle wird der überhitzte Stickstoff aus dem Wärmetauscher E1 über die Leitungsabschnitte 10 und 11 abgezogen –, mittels rückverflüssigtem Stickstoff oder durch eine beliebige Kombination beider Betriebsarten erfolgen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5390499 [0005, 0005, 0005]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise von Erdgas, gegen einen Stickstoff-Kältekreislauf, wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion gegen anzuwärmenden, gasförmigen Stickstoff und die Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen zu verdampfenden, flüssigen Stickstoff erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass – die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion in einem wenigstens dreistufigen Wärmetauschprozess (E1a–E1c) erfolgt. – wobei in dem ersten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1a) die Einsatzfraktion (1) gegen überhitzten gasförmigen Stickstoff (9) soweit abgekühlt wird. dass eine im Wesentlichen vollständige Abtrennung (D2) der schwereren Komponenten (2') realisierbar ist, – in dem zweiten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1b) die von schwereren Komponenten befreite Einsatzfraktion (2) gegen zu überhitzenden gasförmigen Stickstoff (9) teilverflüssigt wird, und – in dem dritten Abschnitt des Wärmetauschprozesses (E1c) die Einsatzfraktion (2) gegen teilzuverdampfenden Stickstoff (8) verflüssigt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dreistufige Wärmetauschprozess (E1a–E1c) in einem oder mehreren Wärmetauschern realisiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensationsdruck der von schwereren Komponenten befreiten Einsatzfraktion (2) auf Werte zwischen 1 und 15 bara, vorzugsweise zwischen 1 und 8 bara eingestellt wird (V2).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Siededruck des zu überhitzenden gasförmigen Stickstoffs (9) auf Werte zwischen 5 und 30 bara, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bara eingestellt wird (V4).
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