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DE19882481C2 - Verbesserter Prozess zum verflüssigen von Erdgas - Google Patents

Verbesserter Prozess zum verflüssigen von Erdgas

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DE19882481C2
DE19882481C2 DE19882481T DE19882481T DE19882481C2 DE 19882481 C2 DE19882481 C2 DE 19882481C2 DE 19882481 T DE19882481 T DE 19882481T DE 19882481 T DE19882481 T DE 19882481T DE 19882481 C2 DE19882481 C2 DE 19882481C2
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DE
Germany
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gas
flow
gas stream
process according
liquid
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DE19882481T
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Eugene R Thomas
Ronald R Bowen
Eric T Cole
Edward L Kimble
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ExxonMobil Upstream Research Co
Original Assignee
ExxonMobil Upstream Research Co
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Publication date
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    • F25J1/0228—Coupling of the liquefaction unit to other units or processes, so-called integrated processes
    • F25J1/0235—Heat exchange integration
    • F25J1/0237—Heat exchange integration integrating refrigeration provided for liquefaction and purification/treatment of the gas to be liquefied, e.g. heavy hydrocarbon removal from natural gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J1/00—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures
    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F25J1/0245—Different modes, i.e. 'runs', of operation; Process control
    • F25J1/0249—Controlling refrigerant inventory, i.e. composition or quantity
    • F25J1/025—Details related to the refrigerant production or treatment, e.g. make-up supply from feed gas itself
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J1/02—Processes or apparatus for liquefying or solidifying gases or gaseous mixtures requiring the use of refrigeration, e.g. of helium or hydrogen ; Details and kind of the refrigeration system used; Integration with other units or processes; Controlling aspects of the process
    • F25J1/0243—Start-up or control of the process; Details of the apparatus used; Details of the refrigerant compression system used
    • F25J1/0244—Operation; Control and regulation; Instrumentation
    • F25J1/0254—Operation; Control and regulation; Instrumentation controlling particular process parameter, e.g. pressure, temperature
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    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F25J3/00—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification
    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0204—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the feed stream
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    • F25J3/02—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream
    • F25J3/0228—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream
    • F25J3/0233—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of CnHm with 1 carbon atom or more
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    • F25J3/0228—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream
    • F25J3/0242—Processes or apparatus for separating the constituents of gaseous or liquefied gaseous mixtures involving the use of liquefaction or solidification by rectification, i.e. by continuous interchange of heat and material between a vapour stream and a liquid stream characterised by the separated product stream separation of CnHm with 3 carbon atoms or more
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    • F17C2223/01—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the phase
    • F17C2223/0146—Two-phase
    • F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
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    • F17C2223/0146—Two-phase
    • F17C2223/0153—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL
    • F17C2223/0161—Liquefied gas, e.g. LPG, GPL cryogenic, e.g. LNG, GNL, PLNG
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    • F17C2223/03—Handled fluid before transfer, i.e. state of fluid when stored in the vessel or before transfer from the vessel characterised by the pressure level
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    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
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    • F17C2270/00—Applications
    • F17C2270/01—Applications for fluid transport or storage
    • F17C2270/0134—Applications for fluid transport or storage placed above the ground
    • F17C2270/0136—Terminals
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/02—Processes or apparatus using separation by rectification in a single pressure main column system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
    • F25J2200/00—Processes or apparatus using separation by rectification
    • F25J2200/70—Refluxing the column with a condensed part of the feed stream, i.e. fractionator top is stripped or self-rectified
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25J—LIQUEFACTION, SOLIDIFICATION OR SEPARATION OF GASES OR GASEOUS OR LIQUEFIED GASEOUS MIXTURES BY PRESSURE AND COLD TREATMENT OR BY BRINGING THEM INTO THE SUPERCRITICAL STATE
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Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Erdgas-Verflüssigungsprozeß und insbesondere betrifft sie einen Prozeß zum Herstellen von komprimiertem, verflüssigtem Erdgas (Engl.: pressurized liquid natural gas, PLNG).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aufgrund seiner reinen Verbrenneigenschaften und der Bequemlichkeit wurde in den zurückliegenden Jahren Erdgas allgemeiner verwendet. Viele Erdgasquellen sind in fernliegenden Stellen angeordnet, mit großen Distanzen zu irgendwelchen kommerziellen Märkten für das Gas. Manchmal steht eine Pipeline zum Transportieren des erzeugten Erdgases zu den kommerziellen Märkten zur Verfügung. Ist ein Pipeline- Transport nicht möglich, so wird das hergestellte Erdgas oft in verflüssigtes Erdgas (das als LNG, liquified natural gas, bezeichnet wird) für den Transport zum Markt verarbeitet.
Eines der unterscheidenden Merkmale einer LNG Fabrik besteht in dem für die Fabrik erforderlichen großen Kapital- Investment. Die zum Verflüssigen von Erdgas verwendete Ausrüstung ist allgemein recht teuer. Die Verflüssigungsfabrik besteht aus mehreren Basissystemen, einschließlich der Gasbehandlung zum Entfernen von Verunreinigung, der Verflüssigung, dem Kühlen, Engergieversorgungseinheiten und Speicher- und Verladeeinrichtungen. Während die Kosten für eine LNG Fabrik in großem Umfang von dem Fabrikort abhängen, kann ein typisches übliches LNG-Projekt von 5 Milliarden US-Dollar bis zu 10 Milliarden US-Doller kosten, einschließlich der Kosten für das Entwickeln des Feldes. Die Kühlsysteme der Fabrik können bis zu 30% der Kosten verursachen.
Bei dem Entwurf einer LNG Fabrik sind die drei wichtigsten Aspekte (1) die Auswahl des Verflüssigungszyklus, (2) die in den Behältern, den Leitungen und anderen Ausrüstungsgegenständen verwendeten Materialien, und (3) die Prozeßschritte zum Umsetzen von einem zugeführten Erdgasstrom in LNG.
LNG Kühlsysteme sind teuer, da zu viel Kühlung zum Verflüssigen von Erdgas erforderlich ist. Ein typischer Erdgasstrom tritt in eine LNG Fabrik bei Drücken von ungefähr 4830 kPa (700 psia) bis zu ungefähr 7600 kPa (1100 psia) ein, sowie bei Temperaturen von ungefähr 20°C (68°F) bis zu ungefähr 40°C (104°F). Erdgas, das vorwiegend aus Methan besteht, läßt sich nicht durch einfaches Erhöhen des Drucks verflüssigen, wie bei schwereren Kohlenwasserstoffen, die für Energiezwecke verwendet werden. Die kritische Temperatur von Methan liegt bei -82.5°C (-116.5°F). Dies bedeutet, daß sich Methan lediglich unterhalb dieser Temperatur verflüssigen läßt, unabhängig von dem anliegenden Druck. Da Erdgas eine Mischung aus Gasen ist, verflüssigt es sich über einen Bereich von Temperaturen. Die kritische Temperatur von Erdgas liegt zwischen ungefähr -85°C (-121°F) und -62°C (-80°F). Typischerweise verflüssigen sich Erdgasbestandteile bei Luftdruck in dem Temperaturbereich zwischen -165°C (-265°F), und -155°C (-247°F). Da die Kühlausrüstungsgegenstände einen derart signifikanten Teil der LNG-Ausstattungkosten darstellen, wurden beträchtliche Anstrengungen unternommen, die Kühlkosten zu reduzieren.
Obgleich viele Kühlzyklen zum Verflüssigen von Erdgas verwendet wurden, sind heutzutage die drei am meisten verwendeten LNG-Fabriktypen: (1) "Kaskadenzyklus", der mehrere Einfachkomponenten Kühlmittel in Wärmetauschern verwendet, die fortschreitend angeordnet sind, zum Reduzieren des Gases zu einer Verflüssigungstemperatur, (2) "Mehrfachkomponenten-Kühlzyklus", er ein Mehrfachkomponenten- Kühlmittel in speziell entworfenen Wärmetauschern verwerdet, und (3) "Expander- bzw. Auspannerzyklus", der Gas von einem hohen Druck zu einem niedrigen Druck mit einer zugeordneten Temperaturreduktion expandiert. Die meisten Erdgas- Verflüssigungszyklen nützen Variationen oder Kombinationen dieser drei Grundtypen.
Das Expander- bzw. Ausspannsystem wird aufbauend auf dem Prinzip betrieben, daß Gas zu einem ausgewählten Druck komprimiert werden kann, sowie gekühlt, anschließend über eine Expansionsturbine expandieren kann, wodurch eine Arbeit und eine Reduzierung der Temperatur des Gases durchgeführt wird. Es ist möglich, einen Teil des Gases bei einem derartigen Expandieren zu verflüssigen. Das Gas niederer Temperatur wird anschließend einem Wärmetauschen zum Bewirken einer Verflüssigung der Charge bzw. Zuführung unterzogen. Die durch das Expandieren erhaltene Energie wird üblicherweise verwendet, um einen Teil der im Kühlzyklus verwendeten Hauptkomprimierungsenergie bereitstellen. Beispiele für Expandierprozesse zum Herstellen von LNG sind in den US-Patenten Nr. 3,724,226; 4,456,459; 4,698,081; sowie in WO 97/13109 offenbart.
Die in üblichen LNG-Fabriken verwendeten Materialien tragen auch zu den Kosten der Fabrik bei. Behälter, Leitungen und andere Ausrüstungsgegenstände, die in LNG-Fabriken verwendet werden, sind typischerweise zumindestens teilweise aus Aluminium, rostfreiem Stahl oder Stahl mit hohem Nickelgehalt konstruiert, um die erforderliche Stärke und Bruchfestigkeit bei niedrigen Temperaturen zu gewährleisten.
Bei üblichen LNG-Fabriken besteht das Erfordernis, daß die nachfolgend genannten Substanzen im wesentlichen von der Erdgaserarbeitung entfernt werden, bis zu einem Niveau von ppm (parts-per-million), und zwar von Wasser, Kohlendioxid, schwefelhaltigen Bestandteilen wie Schwefelwasserstoff und andere Sauergase, n-Pentan und schwereren Kohlenwasserstoffen, einschließlich Benzol. Einige dieser Komponenten gefrieren, was zu Verstopfungsproblemen in den Prozeßausrüstungsgegenständen führt. Andere Komponenten wie diejenigen mit Schwefel, werden typischerweise entfernt, um Verkaufsvorschriften zu erfüllen. Bei einer üblichen LNG- Fabrik ist eine Gasbehandlungsausrüstung zum Entfernen von Kohlendioxid und der Sauergase erforderlich. Die Gasbehandlungsausrüstungsgegenstände verwenden typischerweise einen Degenerativ-Prozeß mit chemischen und/oder physikalischen Lösungsmitteln und erfordern ein signifikantes Kapitalinvestment. Weiterhin sind die Betriebsausgaben hoch. Trockenbett-Entwässerungsmittel - beispielsweise Molekularsiebe - sind zum Entfernen des Wasserdampfs erforderlich. Eine Waschkolonne (Engl.: scrub column) und Fraktionierungsausrüstungsgegenstände werden tpyischerweise zum Entfernen der Kohlenwasserstoffe verwendet, die tendenziell zu Verstopfungsproblemen führen. Quecksilber wird ebenso in einer üblichen LNG-Fabrik entfernt, da es Fehler bei aus aluminiumkonstrierten Ausrüstungsgegenständen bewirken kann. Zusätzlich wird ein großer Anteil des Stickstoffs, der in Erdgas vorliegen kann, nach der Verarbeitung entfernt, da Stickstoff nicht in der Flüssigphase während dem Transport von üblichen LNG verbleibt, und Stickstoffdampf in LNG-Behältern bei dem Abgabepunkt nicht erwünscht sind.
Demnach besteht ein fortgesetzter Bedarf in der Industrie für einen verbesserten Prozeß zum Verflüssigen von Erdgas, der den Umfang an erforderlichen Behandlungsausrüstungsgegenständen minimiert.
ZUSAMMENFASSUNG
Diese Erfindung betrifft einen verbesserten Prozeß zum Verflüssigen eines zugeführten Gasstroms, der mit Methan angereichert ist. Der zugeführte Gasstrom weist einen Druck von ungefähr oberhalb 3100 kPa (450 psia) auf. Ist der Druck zu niedrig, so kann das Gas zunächst komprimiert werden. Das Gas wird durch Druckexpansion mit einer geeigneten Expansionsvorrichtung verflüssigt, zum Erzeugen eines flüssigen Produkts mit einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreicht, daß das flüssige Produkt bei oder unterhalb seiner Blasenpunkttemperatur vorliegt. Vor dem Expandieren wird das Gas vorzugsweise durch rückgeführten Dampf abgekühlt, der über die Expandiervorrichtung ohne Verflüssigen geführt wird. Eine Entmischer trennt das flüssige Produkt von Gasen, die in der Expandiervorrichtung nicht verflüssigt werden. Das flüssige Produkt von dem Entmischer wird dann bei einem Speicher eingeführt, oder es folgt ein Transport eines Produkts bei einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F).
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird dann, wenn das zugeführte Gas Komponenten enthält, die schwerer als Methan sind, die vorwiegende Anteil der schwereren Kohlenwasserstoffe durch einen Fraktionierungsprozeß vor der Verflüssigung durch Druckexpansion entfernt.
Bei einer zusätzlichen, weiteren Ausführungsform dieser Erfindung läßt sich ein Verdampfungsgas, das sich aus der Verdampfung von verflüssigtem Erdgas ergibt, dem Gas zugeben, das zum Verflüssigen durch die Druckexpansion zum Herstellen von komprimiertem, flüssigen Erdgas (PLNG) zugeführt wird.
Der Prozeß gemäß der vorliegenden Erfindung läßt sich sowohl für das anfängliche Verflüssigen von Erdgas bei der Zuführungsquelle für ein Speichern oder einen Transport anwenden, oder zum erneuten Verflüssigen von Erdgasdampf, der während dem Speichern oder dem Abgabeverladen abgegeben wird. Demnach besteht ein technisches Problem dieser Erfindung in der Bereitstellung eines verbesserten Verflüssigungssystems für die Verflüssigung oder für die erneute Verflüssigung von Erdgas. Ein anderes technisches Problem dieser Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verflüssigungssystems, bei dem im wesentlichen weniger Komprimierungsleistung als bei Systemen nach dem Stand der Technik erforderlich ist. Ein zusätzliches, weiteres technisches Problem der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verflüssigungsprozesses, der ökonomisch und im Betrieb einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Die sehr niedrige Verflüssigungstemperatur bei dem üblichen LNG-Prozeß ist sehr teuer im Vergleich zu der relativ milden bzw. geringen Verflüssigung, die bei der Herstellung von PLNG in Übereinstimmung mit der Praxis dieser Erfindung erforderlich ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung und deren Vorteile lassen sich besser durch Bezug auf die folgende detaillierte Beschreibung und die angefügte Zeichnung, die schematisch Flußdiagramme darstellender Ausführungsform dieser Erfindung zeigen, verstehen; es zeigt:
Fig. 1 ein schematisches Flußdiagramm einer Ausführungsform dieser Erfindung zum Erzeugen von PLNG;
Fig. 2 ein schematisches Flußdiagramm einer zweiten Ausführungsform dieser Erfindung, bei der Erdgas durch ein Kühlsystem mit geschlossenem Zyklus vor der Verflüssigung des Erdgas durch Druckexpansion vorgekühlt wird;
Fig. 3 ein schematisches Flußdiagramm einer dritten Ausführungsform dieser Erfindung, bei der zugeführtes Erdgas vor der Verflüssigung zu PLNG fraktioniert wird;
Fig. 4 ein schematisches Flußdiagramm einer vierten Ausführungsform dieser Erfindung ähnlich zu dem in Fig. 3 dargestellten Prozeß, bei dem ein Kühlsystem mit geschlossenem Zyklus und ein Druckexpandieren zum Herstellen von PLNG verwendet wird.
Die in den Figuren dargestellten Flußdiagramme zeigen zahlreiche Ausführungsformen für die praktische Umsetzung des erfindungsgemäßen Prozeß. Die Figuren sind nicht so zu verstehen, daß sie von dem Schutzbereich der Erfindung andere Ausführungsformen ausschließen, die das Ergebnis normaler und erwarteter Modifikationen dieser spezifischen Ausführungsformen sind. Zahlreiche erforderliche Teilsysteme wie Pumpen, Ventile, Flußströmungsmischer, Steuer- bzw. Regelsysteme und Sensoren, sind von den Figuren für den Zweck der Einfachheit und Klarheit der Darstellung entfernt.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft einen verbesserten Prozeß zum Verflüssigen von Erdgas durch Druckexpansion zum Herstellen eines Methan-angereicherten flüssigen Produkts mit einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F), und einem Druck, der ausreicht, damit das flüssige Produkt bei oder unterhalb seines Blasenpunkts vorliegt. Das Methan-angereicherte Produkt wird manchmal in dieser Beschreibung als komprimiertes flüssiges Erdgas (Engl.: pressurized liquid natural gas, PLNG) bezeichnet. Der Begriff "Blasenpunkt" betrifft die Temperatur und den Druck, bei dem eine Flüssigkeit beginnt, in Gas überzugehen. Beispielsweise dann, wenn ein bestimmtes Volumen von PLNG bei konstantem Druck gehalten wird, jedoch die Temperatur erhöht wird, stellt die Temperatur, bei der das Bilden von Gasblasen in dem PLNG beginnt, den Blasenpunkt dar. Ähnlich definiert dann, wenn ein bestimmtes Volumen von PLNG bei konstanter Temperatur gehalten wird, jedoch der Druck reduziert wird, der Druck, bei dem sich Gas zu bilden beginnt, den Blasenpunkt. Bei dem Blasenpunkt ist die Mischung eine gesättigte Flüssigkeit.
Der Gasverflüssigungsprozeß gemäß der vorliegenden Erfindung erfordert weniger Leistung/Energie zum Verflüssigen des Erdgases als Prozesse, die in der Vergangenheit verwendet wurden, und die im Rahmen des Prozesses dieser Erfindung verwendeten Ausrüstungsgegenstände lassen sich als weniger teure Materialien herstellen. Im Gegensatz hierzu erfordern Prozesse nach dem Stand der Technik, die LNG bei Luftdrücken und bei so niedrigen Temperaturen wie -160°C (-256°F) herstellen, für einen sicheren Betrieb Prozeßausrüstungsgegenstände, die aus teuren Materialien hergestellt sind.
Die zum Verflüssigen des Erdgas in der Praxis erforderliche Energie gemäß dieser Erfindung ist in großem Umfang gegenüber Energieanforderungen einer üblichen LNG-Fabrik reduziert. Die Reduzierung der erforderlichen Kühlenergie, die für den Prozeß der vorliegenden Erfindung erforderlich ist, ergibt eine große Reduzierung der Kapitalkosten, proportional abgesenkte Betriebsausgaben und einen erhöhten Wirkungsgrad und eine erhöhte Zuverlässigkeit, wodurch die Wirtschaftlichkeit zum Herstellen von verflüssigtem Erdgas erheblich verbessert ist.
Bei den Betriebsdrücken und Temperaturen der vorliegenden Erfindung läßt sich ein Stahl mit ungefähr 3½ Gew.-% Nickel für Leitungen und Einrichtungsgegenstände in den kältesten Betriebsbereichen des Verflüssigungsprozesses verwenden, wohingehend in einem üblichen LNG-Prozeß für dieselben Ausrüstungsgegenstände allgemein ein teuerer Anteil von 9 Gew.-% Nickel oder Aluminium erforderlich ist. Dies führt zu einer anderen signifikanten Kostenreduzierung für den Prozeß dieser Erfindung im Vergleich zu LNG-Prozessen nach dem Stand der Technik.
Die erste Betrachtung bei der Cryo-Verarbeitung von Erdgas ist die Kontamination. Das Roherdgas-Zuführmaterial, das sich für den Prozeß dieser Erfindung eignet, kann Erdgas enthalten, das von einer Rohölwanne (zugeordnetes Gas) erhalten wird, oder von einer Gaswanne (nicht zugeordnetes Gas). Die Zusammensetzung des Erdgases kann signifikant variieren. Wie hier verwendet, enthält ein Erdgasstrom Methan (C1) als Hauptkomponente. Das Erdgas enthält typischerweise auch Ethan (C2), höhere Kohlenwasserstoffe (C3+) und geringe Mengen von Verunreinigungen wie Wasser, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Stickstoff, Butan, Kohlenwasserstoffe mit sechs oder mehr Kohlenstoffatomen, Schmutz, Eisensulfid, Wachs und Rohöl. Die Flüssigkeiten dieser Verunreinigungen verändern sich mit der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung. Bei Kühltemperaturen können CO2, Wasser und andere Verunreinigungen Feststoffe bilden, die das Strömen in Durchgängen bei Kühlwärmetauschern verstopfen können. Diese potentiellen Schwierigkeiten lassen sich durch Entfernen derartiger Verunreinigungen vermeiden, wenn Bedingungen im Hinblick auf ihren Reinanteil, Festphasen, Temperatur/Druck- Phasengrenzen antizipiert werden. In der folgenden Beschreibung der Erfindung wird davon ausgegangen, daß der Erdgasstrom geeignet zum Entfernen von Sulfiden und Kohlendioxid behandelt und zum Entfernen von Wasser getrocknet wird, unter Verwendung üblicher und allgemein bekannter Prozesse, zum Erzeugen eines "süßen (d. h., geringer Anteil an Schwefelverbindungen), trockenen" Erdgasstroms. Enthält der Erdgasstrom schwere Kohlenwasserstoffe, die während der Verflüssigung ausfrieren könnten oder sind die schweren Kohlenwasserstoffe in dem PLNG nicht gewünscht, so läßt sich der schwere Kohlenwasserstoff durch einen Fraktionierungsprozeß vor dem Herstellen des PLNGs entfernen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die wärmeren Betriebstemperaturen ermöglichen, daß das Erdgas erfindungsgemäß höhere Konzentrationsniveaus von gefrierbaren Komponenten aufweist, als dies bei einem üblichen LNG-Prozeß möglich wäre. Beispielsweise muß bei einer üblichen LNG- Fabrik, die LNG bei -160°C (-256°F) herstellt, das CO2 unterhalb ungefähr 50 ppm zum Vermeiden von Gefrierpoblemen liegen. Im Gegensatz hierzu kann durch Halten der Prozeßtemperaturen oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F) das Erdgas CO2 auf Niveaus so hoch wie ungefähr 1.4 Mol% CO2 bei Temperaturen von -112°C (-170°F) enthalten, sowie ungefähr 4.2% bei -95°C (-139°F), ohne daß die Gefrierprobleme bei dem Verflüssigungsprozeß gemäß dieser Erfindung bewirkt werden.
Zusätzlich müssen mäßige Mengen von Stickstoff in dem Erdgas im Rahmen des erfindungsgemäßen Prozesses nicht entfernt werden, da Stickstoff in der Flüssigphase mit verflüssigtem Kohlenwasserstoffen bei den Betriebszyklen und Temperaturen gemäß dieser Erfindung bleibt. Die Fähigkeit zum Reduzieren oder in einigen Fällen zum Weglassen der für die Gasbehandlung und das Stickstoffabweisen erforderlichen Ausrüstungsgegenständen dann, wenn die Zusammensetzung des Erdgas dies ermöglicht, führt zu signifikanten technischen und wirtschaftlichen Vorteilen. Diese und andere Vorteile der Erfindung lassen sich besser durch Bezug auf die Zeichnung verstehen.
Wie in Fig. 1 gezeigt, tritt ein Erdgas-Zuführstrom 10 vorzugsweise in dem Verflüssigungsprozeß bei einem Druck oberhalb von ungefähr 3100 kPa (450 psia) ein, oder weiter bevorzugt oberhalb von ungefähr 4827 kPa (700 psia), und bevorzugt bei Temperaturen unterhalb von ungefähr 40°C (104°F); jedoch können - sofern gewünscht - unterschiedliche Drücke und Temperaturen verwendet werden, und das System läßt sich geeignet modifizieren, nachdem den mit dem Stand der Technik vertrauten Personen die technischen Lehren dieser Erfindung bekannt sind. Liegt der Gasstrom 10 unterhalb von ungefähr 3102 kPa (450 psia), so läßt er sich durch eine geeignete (nicht gezeigte) Komprimierungsvorrichtung, die einen oder mehrere Kompressoren enthalten kann, komprimieren.
Der komprimierte Zuführstrom 10 wird durch einen oder mehrere Wärmetauscher 20 abgekühlt. Der gekühlte Zuführstrom wird anschließend durch mindestens eine geeignete Expandiervorrichtung bzw. einen geeigneten Ausspanner 30 expandiert. Der Expander kann ein kommerzieller Typ eines Turbo-Expanders sein, mit einer Wellenkopplung zu geeigneten Kompressoren, Pumpen oder Generatoren, wodurch die von dem Expander extrahierte Arbeit in verwendbare mechanische und/oder elektrische Energie umgesetzt wird, was im Ergebnis für eine erhebliche Energieeinsprarung in dem Gesamtsystem führt.
Die Expandiervorrichtung 30 bewirkt ein Verflüssigen mindestens eines Teils des Erdgasstroms 11 zum Erzeugen der Strömung 12. Die Strömung 12 wird zu einem üblichen Phasenmischer 40 befördert, der eine Strömung eines flüssigen Produkts 13 erzeugt, die ein PLNG mit einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F) ist, und einem Druck, der ausreicht, damit das flüssige Produkt bei oder unterhalb dem Blasenpunkt liegt. Das PLNG wird zu einem geeigneten Speicher oder zu einer Transportvorrichtung 90 (beispielsweise einer Pipeline, einem stationären Speichertank oder einem Träger wie ein PLNG-Schiff, Lastwagen oder Schienenfahrzeug) geführt, für ein einschließen bei einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F). Damit das flüssige Produkt in der flüssigen Phase bleibt, muß die Temperatur unterhalb der kritischen Temperatur für das Produkt liegen, die typischerweise unterhalb von -62°C (-80°F) liegt. Der Separator 40 erzeugt auch eine Dampf- Overhead-Strömung 14, die durch den Wärmetauscher 20 geführt wird, indem die Dampfströmung 14 den Zuführstrom 10 kühlt. Ein Kompressor oder mehrere Kompressoren komprimieren anschließend die Dampfströmung 15. Die Fig. 1 stellt eine bevorzugte Verwendung eines Kompressors 50 dar, und zwar zum erneuten Komprimieren des rückgeführten Dampfes auf näherungsweise den Druck der ankommenden Zuführströmung 10. Jedoch können zusätzliche Kompressoren bei der praktischen Umsetzung dieser Erfindung verwendet werden. Die komprimierte Gasströmung 16 wird durch einen Wärmetauscher 60 gekühlt, zum Wiedergewinnen der Wärmewerte für die Verwendung anderswo, oder eine derartige Kühlung läßt sich unter Verwendung von Luft oder Wasser erzielen. Nach Verlassen des Wärmetauschers wird die gekühlte Dampfströmung 17 mit dem Zuführstrom für ein Recycling kombiniert. Bei dieser Ausführungsform läßt sich die Zuführströmung ohne dem Erfordernis für ein Regelkühlsystem verflüssigen.
Bei dem Speichern, dem Transport und der Handhabung von verflüssigtem Erdgas kann eine beträchtliche Menge von "Verdampfen" auftreten, mit Dampf aufgrund des Verdampfens eines verflüssigten Erdgases. Die Erfindung eignet sich besonders gut zum Verflüssigen von Verdampfungsdampf, der durch PLNG erzeugt wird. Wie in Fig. 1 gezeigt, läßt sich der Verdampfungsdampf bei dem Verflüssigungsprozeß über die Leitung 18 einführen, für ein Kombinieren mit der Dampfströmung 14, die - wie oben beschrieben - rückgeführt wird. Der Druck des Verdampfungsdampfs sollte vorzugsweise bei oder in der Nähe des Drucks der Gasströmung 14 liegen. Liegt der Verdampfungsdampf unterhalb des Drucks der Strömung 14, so läßt sich der Verdampfungsdampf durch eine übliche (in Fig. 1 nicht gezeigte) Komprimierungsvorrichtung komprimieren.
Ein kleiner Anteil der Dampfströmung 15 kann optional von dem Prozeß als Kraftstoff/Brennstoff (Strömung 19) entfernt werden, zum Zuführen eines Teils der zum Treiben der Kompressoren und Pumpen im Rahmen des Verflüssigungsprozesses erforderlichen Energie. Obgleich dieser kleine Anteil von dem Prozeß bei jedem beliebigen Punkt nach Erregung des Separators 40 entnommen werden kann, wird der Kraftstoff vorzugsweise von dem Prozeß nach Erwärmung durch den Wärmetauscher 20 entfernt.
Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Prozesses dieser Erfindung, und bei dieser Ausführungsform weisen die Teile mit gleichen Bezugszeichen wie die in Fig. 1 gezeigtwen Teile dieselben Prozeßfunktionen auf. Die mit dem Stand der Technik vertrauten Personen erkennen jedoch, daß die Prozeßausrüstung von einer Ausführungsform zu einer anderen im Hinblick auf Größe und Kapazität zum Handhaben unterschiedlicher Fluidströmungsraten, Temperaturen und Zusammensetzungen variieren kann. Die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform ist ähnlich zu der im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Ausführungsform mit der Ausnahme, daß eine zusätzliche Kühlung für die Zufuhrströmung 10 durch den Wärmetauscher 70 vorgesehen ist. Diese in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform reduziert die Größe der Rückführströmung 14, und sie erfordert weniger Energie, als die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform. Das Kühlen für den Wärmetauscher 70 wird durch ein übliches Regelkühlsystem 80 erreicht. Das Kühlmittel für das Kühlsystem kann Propan, Propylen, Ethan, Kohlendioxid oder jedes andere geeignete Kühlmittel sein.
Die Fig. 3 zeigt eine zusätzliche weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform enthält ein System zum Entfernen schwerer Kohlenwasserstoffe und eine aufgeteilte Strömungsanordnung des komprimierten Gases unmittelbar stromaufwärts der abschließenden Verflüssigungsschritte. Diese aufgeteilte Strömungsanordnung kann insgesamt die Energieanforderung im Vergleich zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform dadurch reduzieren, daß ein größeres Annähern in dem Hauptverflüssigungs-Austauscher 142 zugelassen ist. Die geteilte Strömungsanordnung ermöglicht auch eine größere Betriebsflexibilität bei der Handhabung variierender Mengen von Verdampfungsgas von LNG oder PLNG Lade- und Entlade-Betriebsvorgängen. Wie in Fig. 3 gezeigt, tritt die Zuführströmung 100 in den Separator 130 ein, in dem die Strömung in zwei getrennte Strömungen aufgeteilt wird, die Dampfströmung 101 und die flüssige Strömung 102. Obgleich in Fig. 3 nicht gezeigt, läßt sich die Zuführströmung 100 durch jedwedges geeignetes Kühlsystem vor dem Zuführen zu dem Separator 130 kühlen. Die flüssige Strömung 102 wird zu einem üblichen Entmethaner 131 geführt. Eine Dampfströmung 101 wird über zwei oder mehr Kompressoren und Kühleinheiten zum Anheben des Drucks der Dampfströmung 102 von dem Zuführgasdruck zu ungefähr 10343 kPa (1500 psia) geführt. Die Fig. 3 zeigt einen Zug von zwei Kompressoren 132 und 133 zum Komprimieren des Gases und übliche Wärmetauscher 134 und 135 nach jeder Komprimierungsstufe zum Kühlen des komprimierten Gases. Nachdem die Dampfströmung 101 aus dem Wärmetauscher 135 austritt, kühlt ein Aufkocher 136 dieses unter Verwendung von Flüssigkeit von dem Entmethaner 131 weiter. Von dem Aufkocher 136 wird die gekühlte Strömung 101 zu einem üblichen Phasenseparator 137 befördert. Eine Dampfströmung. 103 von dem Separator 137 wird durch einen üblichen Turboexpander 138 expandiert, wodurch der Gasströmungsdruck reduziert wird, bevor diese in den oberen Abschnitt des Entmethaner 131 eintritt. Der Turboexpander 138 stellt zumindest teilweise die erforderliche Energie zum Treiben des Kompressors 132 zur Verfügung. Flüssigkeiten von dem Separator 137 werden durch die Leitung 104 zu dem Mittenabschnitt des Entmethaners 131 geführt.
Bei Zuführen von Flüssigkeit zu der Entmethanerkolonne 131 fließt sie nach unten unter Einwirkung der Gravitätskraft. Während ihrem Fortschreiten gelangt die Flüssigkeit in Eingriff mit aufsteigenden Dämpfen, die das Methan von der Flüssigkeit beim Aufwärtssteigen abziehen. Der Abziehbetrieb erzeugt ein im wesentlichen entmethanisiertes flüssiges Produkt, das von der Unterseite der Entmethanerkolonne 131 als Strömung 105 entfernt wird.
Die aus dem Entmethaner austretende Overhead-Dampfströmung 106 wird zu einem Wärmetauscher 139 befördert. Nach Erwärmen durch den Wärmetauscher 139 kann optional ein erster Teil der erwärmten Dampfströmung (die Strömung 107) zum Verwenden als Kraftstoff für die Gasverflüssigungsfabrik entnommen werden. Ein zweiter Teil der Strömung 107 wird dann über einen Zug der Kompressoren 140 und 141 und Wärmetauscher 142 und 143 geführt, zum Erhöhen des Drucks der Dampfströmung und zum Bereitstellen einer Kühlung nach jeder Komprimierungsstufe. Die Zahl der Komprimierungsstufen liegt vorzugsweise in dem Bereich von 2 bis 4. Ein Teil der Strömung, die aus dem Wärmetauscher 142 austritt, wird entnommen und als Strömung 110 zu dem Wärmeleiter 139 zum weiteren Kühlen der Strömung 110 geführt. Die optimale Fraktionierung der Strömung 109, die als Strömung 110 abgetrennt wird, hängt von der Temperatur, dem Druck und der Zusammensetzung der Strömung 109 ab. Die Optimierung läßt sich durch mit dem Stand der Technik vertrauten Personen auf der Grundlage der hier dargelegten technischen Lehren durchführen. Nach Austreten aus dem Wärmetauscher 139 wird die Strömung 110 zu einer Expandiervorrichtung geführt, beispielsweise dem Turboexpander 144, der zumindest teilweise die Strömung 110 zum Erzeugen der Strömung 111 verflüssigt. Die Strömung 111 wird anschließend zu einem üblichen Phasendurchmischer bzw. Separator 145 geführt. Der Phasenseparator 145 erzeugt PLNG (die Strömung 121) bei einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreicht, daß das flüssige Produkt bei oder unterhalb seinem Blasenpunkt liegt. Das PLNG wird zu einer geeigneten Speichervorrichtung 153 geführt, zum Speichern des PLNGs bei einer Temperatur oberhalb von -112°C (-170°F). Der Separator 145 erzeugt auch eine komprimierte Gasdampfströmung 115, die mit der Strömung 106 zum Recyceln kombiniert wird.
Die Strömung 112, die die gekühlte und aus dem Wärmetauscher 143 austretende Strömung ist, wird zu einer geeigneten Expandiervorrichtung - beispielsweise dem Turboexpander 146 - geführt, zum Reduzieren des Drucks und zum weiteren Kühlen der Strömung 112. Der Turboexpander 146 verflüssigt zumindest teilweise die Erdgasströmung 112. Nach Verlassen des Turboexpanders 146 wird die teilweise verflüssigte Strömung zu einem Phasenseparator 147 geführt, zum Erzeugen einer flüssigen Strömung 113 und einer Dampfströmung 114. Die Dampfströmung 114 wird mit der Entmethaner-Overhead- Dampfströmung 106 für ein Recycling rückgeführt und kombiniert. Die den Separator 147 verlassende flüssige Strömung 113 wird mit der Strömung 111 kombiniert.
Die den Entmethaner 131 verlassende flüssige Strömung 105 wird zu einem üblichen Kondensatstabilisator 150 geführt, der eine Overhead-Strömung 116 erzeugt, die reich an Ethan und anderen leichten Kohlenwasserstoffen ist, vorzugsweise Methan. Die Dampf-Overhead-Strömung 116 wird durch den Wärmetauscher 151 geführt, der den Overhead-Dampf 116 kühlt. Ein Teil der Strömung 116 wird anschließend als Rückführströmung 117 zu dem Kondensatstabilisator 150 rückgeführt. Der verbleibende Teil der Strömung 116 wird über einen Kompressor 152 geführt, zum Erhöhen des Drucks der Strömung 116 zu näherungsweise dem Druck der Strömung 107. Nach dem Komprimieren wird die Overhead-Strömung 116 gekühlt, und das gekühlte Gas (die Strömung 118) wird mit der Strömung 107 vermischt (Engl: co-mingled). Die die Unterseite des Kondensatstabilisators 150 verlassende Flüssigkeit steht als Kondensatprodukt zur Verfügung (als Strömung 119).
Der Prozeß gemäß dieser Erfindung, wie er in Fig. 3 gezeigt ist, kann optional Verdampfungsdampf erneut verflüssigen. Verdampfungsdampf kann bei dem in Fig. 3 dargestellten Prozeß über die Leitung 120 eingeführt werden, die mit der Overhead- Dampfströmung 106 kombiniert ist.
Wie in Fig. 4 gezeigt, tritt die Zuführströmung 201 in den Separator 230 ein, in dem die Strömung in zwei getrennte Strömungen abgeteilt wird, die Dampfströmung 202 und die Flüssigkeitsströmung 203. Diese Ausführungsform zeigt eine externe Kühlschleife zum Minimieren der Energieanforderungen und Größe der Prozeßausrüstungsgegenstände und des Fraktionierzugs zum Bereitstellen des Kühlzusatzes für die Kühlschleife. Die flüssige Strömung 203 wird zu der Entmethaner-Kolonne 231 geführt. Die Dampfströmung 202 wird durch eine oder mehrere Komprimierstufen komprimiert, bevorzugt zwei Stufen. Aus Gründen der Einfachheit zeigt die Fig. 3 lediglich einen Kompressor 232. Nach jeder Kompressionsstufe wird der komprimierte Dampf vorzugsweise - wie üblich - durch Luft oder Wasserkühler gekühlt, beispielsweise dem Kühler 234. Nach dem Verlassen des Kühlers 234 wird die Gasströmung 202 durch den Aufkocher 235 gekühlt, durch den die Entmethaner-Flüssigkeit von der Entmethaner- Kolonne 231 fließt. Von dem Aufkocher 235 wird die gekühlte Strömung 202 weiter durch Wärmetauscher 236 und 237 gekühlt, die - wie üblich - mit einem Regelkühlsystem 238 gekühlt werden, in dem das Kühlmittel vorzugsweise Propan ist. Von den Austauschern 236 und 237 wird das gekühlte Erdgas erneut in einem üblichen Phasenseparator 238 separiert. Eine Dampfströmung 204 von dem Separator 238 wird durch einen Turboexpander 239 expandiert, wodurch der Gasströmungsdruck reduziert wird, bevor er in den oberen Abschnitt des Entmethaners 231 eintritt. Der Turboexpander 239 stellt bevorzugt Energie für den Kompressor 232 zur Verfügung. Flüssigkeiten von dem Separator 238 werden durch die Leitung 205 zu dem Mittenabschnitt des Entmethaners 231 geführt.
Die den Entmethaner 231 verlassende Overhead-Dampfströmung 207 wird zu einem Wärmetauscher 240 befördert. Ein Teil der Strömung 208, der den Wärmetauscher 240 verläßt, kann optional entnommen werden (Strömung 209), und zwar für die Verwendung als Kraftstoff für die Gasverflüssigungsfabrik. Der verbleibende Teil der Strömung 208 wird durch einen oder mehrere Kompressoren 241 auf einen Druck komprimiert, der vorzugsweise zwischen ungefähr 5516 kPa (800 psia) und 13790 kPa (2000 psia) liegt. Das komprimierte Gas wird anschließend über einen Zug von Wärmetauschern 242, 243 und 244 geführt, zum Kühlen des Gases zum Erzeugen der Strömung 210. Der Wärmetauscher 242 wird vorzugsweise durch Luft oder Wasser gekühlt. Die Wärmetauscher 243 und 244 werden vorzugsweise durch das Kühlsystem 238 gekühlt, dasselbe System, wie es für das Kühlen der Wärmetauscher 236 und 237 verwendet wird. Ein Teil der Strömung 210 wird als Strömung 211 zu dem Wärmetauscher 240 geführt, zum Bereitstellen der Kühlleistung für das weitere Kühlen der Dampfströmung 211. Die Strömung 211, die den Wärmetauscher 240 verläßt, wird zu einer Expandiervorrichtung geführt, beispielsweise dem Turboexpander 245, der mindestens teilweise die Strömung 211 zum Erzeugen der Strömung 212 verflüssigt. Die Strömung 212 wird anschließend zu einem üblichen Phasenseparator 246 geführt.
Der Abschnitt der Strömung 210, der nach dem Entnehmen der Strömung 211 verbleibt, wird zu einer geeigneten Expandiervorrichtung, beispielsweise dem Turboexpander 248, geführt, damit der Gasdruck reduziert und die Gasströmung weiter gekühlt wird. Der Turboexpander 248 erzeugt eine Strömung 213, die mindestens teilweise das verflüssigte Erdgas ist. Die Strömung 213 wird zu einem üblichen Phasenseparator 249 geführt, zum Erzeugen einer flüssigen Strömung 214 und einer Dampfströmung 215. Die Strömung 215 wird rückgeführt, durch Kombinieren mit der Overhead- Dampfströmung 207 des Entmethaners. Die flüssige Strömung 214 wird mit der Strömung 212 kombiniert und zu dem Separator 246 geführt, der das Gas in eine Dampfströmung 216 und eine Flüssigkeitsströmung 217 separiert. Die Dampfströmung 216 wird - wie die Dampfströmung 215 - mit der Overhead-Strömung 207 des Entmethaners für ein Recycling kombiniert. Die flüssige Strömung 207 ist PLNG mit einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F), und einem Druck, der ausreicht, daß die Flüssigkeit bei oder unterhalb ihres Blasenpunkts liegt, und sie wird zu einem geeigneten Speicherbehälter 248 zum Speichern bei einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (170°F) gesendet.
Die den Entmethanisierer 231 verlassende flüssige Strömung 206 wird zu einem Fraktionierungssystem geführt, mit einer Serie von Fraktionierungskolonnen 250, 251 und 252. Die Fraktionierungskolonne 250 ist ein üblicher Entethaner, der eine Overhead-Strömung erzeugt, die reich an Ethan und anderen leichten Kohlenwasserstoffen ist, und vorzugsweise Methan. Die Dampf-Overhead-Strömung 218 wird durch den Wärmetauscher 253 zum Erwärmen der Kraftstoffströmung 209 geführt. Nach dem Führen durch den Wärmetauscher 253 wird die Dampfströmung 218 zu einem üblichen Phasenseparator 254 geführt, der eine Dampfströmung 220 und eine flüssige Strömung 221 erzeugt. Die flüssige Strömung 221 wird zu der Entethaner-Kolonne als Rückstrom rückgeführt. Die Dampfströmung 220 wird mit der Strömung 208 kombiniert.
Die an der Unterseite des Entethaners 250 austretenden Flüssigkeiten werden durch den Wärmetauscher 251 gekühlt und zu dem Entpropaner 251 geführt. Der Dampf-Overhead von dem Entpropaner 251 ist frei von Propan und kann optional als Propanzusatz für das Kühlsystem 238 verwendet werden. Die die Unterseite des Entpropaners 251 verlassenden Flüssigkeiten werden anschließend zu einem Entbutaner 252 geführt. Die an der Unterseite des Entbutaners austretenden Flüssigkeiten werden von dem Prozeß als Flüssigkondensat (Strömung 222) entnommen. Mindestens ein Teil des Dampf-Overheads von dem Entbutaner 252 wird durch die Leitung 223 über einen Wärmetauscher 255 zum Kühlen der Dampfströmung geführt. Die Dampfströmung 223 wird dann über einen Kompressor 256 zum Erhöhen des Drucks der Strömung 223 zu näherungsweise dem Druck der Strömung 208 geführt. Nach dem Verlassen des Kompressors 256 wird die komprimierte Strömung mit der Strömung 220 kombiniert.
Verdampfungsdampf kann optional zu dem Prozeß der vorliegenden Erfindung über die Leitung 224 eingeführt werden, die mit der Overhead-Dampfströmung 207 kombiniert ist.
Beispiel
Eine simulierte Massen- und Energiebalance wurde zum Darstellen der in den Figuren dargestellten Ausführungsformen durchgeführt, und die Ergebnisse sind in den Tabellen 1, 3, 4 und 5 nachfolgend dargelegt. Die in den Tabellen dargelegten Daten werden angeboten, um ein besseres Verständnis der in den Figuren gezeigten Ausführungsformen zu ermöglichen, jedoch ist die Erfindung nicht so auszulegen, daß sie unnötigerweise hierauf beschränkt ist. Die in den Tabellen angegebenen Temperaturen und Durchsatzraten sind nicht als einschränkend für die Erfindung anzusehen, die viele Variationen bei Temperaturen und Durchsätzen bzw. Strömungsraten im Hinblick auf die hier gegebenen technischen Lehren umfaßt.
Die Daten wurden unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren Prozeßsimulationsprogramms mit dem Namen HYSYS™ erhalten, jedoch können andere kommerziell verfügbare Prozeßsimulationsprogramme zum Entwickeln der Daten verwendet werden, einschließlich beispielsweise HYSIM™, PROII™; und ASPEN PLUS™, die den mit dem Stand der Technik Vertrauten bekannt sind.
Die zum Erzeugen von PLNG in Übereinstimmung mit dieser Erfindung erforderliche Energie bzw. Leistung ist signifikant niedriger als die zum Erzeugen von LNG bei nahezu atmosphärischen Bedingungen und bei einer Temperatur von -164.5°C (-264°F) unter Verwendung eines Expansionsprozesses erforderliche Energie bzw. Leistung. Ein Vergleich der Tabelle 2 mit der Tabelle 1 illustriert diesen Leistungsunterschied. Die Tabelle 2 betont Ergebnisse einer simulierten Massen- und Energiebilanz unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Strömungsprozessese zum Herstellen von LNG bei nahezu Luftdrücken. Die Ergebnisse der Tabelle 2 basieren auf der Herstellung eines flüssigen Produkts mit nahezu Luftdruck, und eine signifikant reduzierte Menge von Verdampfungsdampf wurde in den Prozeß eingeführt und es besteht die Anforderung für eine gestufte Rückführungskomprimierung (vier Rückführkompressoren anstelle eines in Fig. 1 gezeigten Kompressors 50). Bei diesen zuwei Simulationen betrug die gesamte installierte Leistung, die zum Erzeugen eines üblichen LNGs (Tabelle 2 Daten) erforderlich ist, mehr als das Doppelte, wie sie zum Erzeugen von PLNG (Tabelle 1 Daten) erforderlich ist. Die Verbesserungen des PLNG Expansionsprozesses, wie sie beispielsweise in Fig. 2 abgebildet sind, könnten auch den üblichen LNG-Prozeß verbessern. Jedoch würde sich das Verhältnis der installierten Leistung für das übliche LNG und der installierten Leistung für den PLNG-Prozeß in Übereinstimmung mit der praktischen Umsetzung dieser Erfindung nicht signifikant ändern. Der PLNG-Prozeß dieser Erfindung erfordert ungefähr die Hälfte der Leistung, wie sie bei einem üblichen Expansionsprozeß zum Herstellen von LNG bei Luftdruck verwendet wird.
Die in Fig. 3 dargestellten Daten werden zum Erzielen eines besseren Verständnis der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform angeboten. Im Vergleich mit der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform lassen sich die Anforderungen für die gesamtinstallierte Leistung für die ein Fig. 2 gezeigte Ausführungsform von 198359 kW (266000 PS) zu 111857 kW (150000 PS) reduzieren, durch Ergänzen eines Propankühlsystems. Die mit dem Stand der Technik Vertrauten könnten ferner die erforderliche Leistung durch Optimieren des Prozesses reduzieren.
Die in Tabelle 4 dargestellten Daten werden zum Erzielen eines besseren Verständnisses der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform angeboten. Das Zuführgas in Fig. 3 und 4 weist eine unterschiedliche Zusammensetzung sowie unterschiedliche Bedingungen als das Zuführgas nach Fig. 1 und 2 auf.
Die in Tabelle 5 dargestellten Daten werden zum Erzielen eines besseren Verständnisses der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform angeboten. Der Prozeß zeigt erneut den Vorteil des Propankühlsystems durch signifikantes Absinken der erforderlichen installierten Leistung im Vergleich zu derjenigen der in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform.
Eine mit dem Stand der Technik vertraute Person, insbesondere eine mit Kenntnis der Vorteile der technischen Lehren dieses Patents, erkennt viele Modifikationen und Variationen der oben offenbarten spezifischen Prozesse. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Temperaturen und Drücken in Übereinstimmung mit der Erfindung verwendet werden, in Abhängigkeit von dem Gesamtentwurf des Systems und der Zusammensetzung des Zuführgas. Zudem kann der Zuführgas-Kühlzug ergänzt und umkonfiguriert sein, in Abhängigkeit von den Gesamtentwurfsanforderungen zum Erzielen optimaler und wirksamer Wärmetauscheranforderungen. Wie oben diskutiert, sollten die oben spezifisch offenbarten Ausführungsformen und Beispiele nicht verwendet werden, um den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu begrenzen oder einzuschränken, der anhand der nachfolgenden Patentansprüche und deren Äquivalente zu bestimmen ist.

Claims (18)

1. Prozeß zum Verflüssigen eines mit Methan angereichterten Gasstroms, enthaltend die Schritte:
  • a) Bilden des Gasstroms bei einem Druck von oberhalb ungefähr 3103 kPa (450 psia);
  • b) Expandieren des Gasstroms zu einem niedrigeren Druck zum Erzeugen einer Gasphase und einem flüssigen Produkt mit einer Temperatur von oberhalb ungefähr -112°C (-170°F) und einem Druck, der ausreicht, damit das flüssige Produkt bei oder unterhalb seines Blasenpunkts vorliegt;
  • c) Phasentrennen der Gasphase des flüssigen Produkts; und
  • d) Einführen des flüssigen Produkts bei einer Speichervorrichtung zum Speichern bei einer Temperatur oberhalb von ungefähr -112°C (-170°F).
2. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner das Abkühlen des Gasstroms vor dem Schritt (b) enthält.
3. Prozeß nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner das Kühlen des Gasstroms in einem Wärmetauscher enthält, der durch ein Regelkühlsystem gekühlt wird.
4. Prozeß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelkühlsystem Propan als vorherrschendes Kühlmittel aufweist.
5. Prozeß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelkühlsystem Kohlendioxid als vorherrschendes Kühlmittel aufweist.
6. Prozeß nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es ferner dem Schritt zum Kühlen des Gasstroms durch Herstellen einer Beziehung zwischen dem Wärmetauscher und der Gasphasen des Schritts (c) des Patentanspruchs 1 enthält, wodurch die Gasphase erwärmt wird.
7. Prozeß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner das Komprimieren der erwährmten Gasphase enthält, sowie das Abkühlen der komprimierten Gasphase und Rückführen der gekühlten, komprimierten Gasphase zu dem Gasstrom des Schritts (a) des Patentanspruchs 1 für ein Recycling.
8. Prozeß nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß er vor dem Kühlschritt nach Patentanspruch 6 den Schritt zum Kühlen des Gasstroms in dem Wärmetauscher enthält, der durch ein Regelkühlsystem gekühlt wird.
9. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verflüssigen des Gasstroms ferner der Schritt zum Kombinieren eines Verdampfungsgases, das das Ergebnis einer Verdampfung von verflüssigtem Erdgas ist, mit dem Gasstrom enthält.
10. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom Methan und Kohlenwasserstoff-Komponenten schwerer als Methan enthält, und daß er ferner den Schritt zum Entfernen des vorherrschenden Anteils der schwereren Kohlenwasserstoffe enthält, durch Fraktionierung zum Erzeugen eines Methan-angereicherten Dampfstroms und eines mit dem schwereren Kohlenwasserstoff-angereicherten Flüssigkeitsstroms, derart, daß der Dampfstrom dann durch Expandieren gemäß dem Schritt (b) nach Patentanspruch 1 verflüssigt wird.
11. Prozeß nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner das Abkühlen des Gasstrom vor der Fraktionierung des Gasstroms enthält.
12. Prozeß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verflüssigen des Gasstroms ohne Regelkühlsystem durchgeführt wird.
13. Prozeß zum Verflüssigen eines Methan angereichterten Gasstroms mit einem Druck oberhalb von ungefähr 3103 kPa (450 psia), enthaltend die Schritte:
  • a) Phasentrennung des Gasstroms in einem ersten Gasstrom und einem ersten Flüssigkeitsstrom;
  • b) Führen des ersten Gasstroms zu einer Entmethanisiererkolonne;
  • c) Komprimieren und Abkühlen des ersten Gasstroms, wodurch Gas und Flüssigphasen erzeugt werden;
  • d) Phasentrennung der Gas- und Flüssigkeitsphasen des Schritts (c) zum Herstellen eines zweiten Gasstroms und eines zweiten Flüssigkeitsstroms;
  • e) Expandieren mindestens eines Teils des zweiten Gasstroms zu einem niedrigeren Druck, wodurch der zweite Gasstrom weiter abgekühlt wird;
  • f) Zuführen des zweiten Flüssigkeitsstroms und des expandierten zweiten Gasstroms zu der Entmethanisiererkolonne;
  • g) Entfernen - von dem oberen Abschnitt der Entmethaner Kolonne - eines dritten Gasstroms, derart, daß der dritte Gasstrom vorwiegend Methan enthält, und Führen des dritten Gasstroms durch eine Wärmetauscher zum Erwärmen des dritten Gasstroms;
  • h) Entfernen - von dem Entmethaner - einer dritten Flüssigkeitsströmung und Führen der dritten Flüssigkeitsströmung zu einem Fraktionierungssystem mit mindestens einer Fraktionierungskolonne und mit mindestens einer Overhead-Dampfströmung;
  • i) Kombinieren der erwärmten dritten Gasströmung nach Schritt (g) und der Overhead-Dampfströmung nach Schritt (h) und Komprimieren der komprimierten Strömung;
  • j) Kühlen der komprimierten Kombinationsströmung;
  • k) Aufteilen der gekühlten kombinierten Strömung des Schritts (j) in eine erste gekühlte Strömung und eine zweite gekühlte Strömung und Führen der ersten gekühlten Strömung über den Wärmetauscher nach Schritt (g) zum weiteren Abkühlen der ersten gekühlten Strömung;
  • l) Expandieren der ersten gekühlten Strömung zum Erzeugen von Gas und Flüssigphasen;
  • m) Phasentrennen der Gas- und Flüssigkeitsphasen nach Schritt (l) in einem Phasenentmischer bzw. Phasenseparator, wodurch ein Methan-angereichertes verflüssigtes Erdgas bei einer Temperatur von oberhalb ungefähr -112°C (-170°F) erzeugt wird, sowie bei einem Druck, der ausreicht, daß das Methan-angereicherte verflüssigte Erdgas bei oder unterhalb seinem Blasenpunkt vorliegt;
  • n) Expandieren der zweiten gekühlten Strömung nach Schritt (k) zu einem niedrigeren Druck, wodurch es weiter abgekühlt wird, unter Erzeugung von Gas- und Flüssigkeitsphasen;
  • o) Phasenentmischen der in dem Schritt (n) erzeugten Gas- und Flüssigkeitsphasen; und
  • p) Führen der Flüssigkeitsphasen nach Schritt (o) zu dem Phasenentmischer nach dem Schritt (m).
14. Prozeß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er weiter das Kombinieren der Gasphase nach Schritt (o) mit der dritten Gasströmung nach Schritt (g) enthält, sowie das Führen der kombinierten Gasströmung über den Wärmetauscher nach Schritt (g).
15. Prozeß nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er ferner das Kombinieren der Gasstrom nach Schritt (m) mit der dritten Gasströmung nach Schritt (g) enthält, sowie das Führen der kombinierten Gasströmung über dem Wärmetauscher nach Schritt (g).
16. Prozeß nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlen nach Schritt (j) durch indirektes Wärmetauschen mit einem Kühlmittel von einem Regelkühlsystem erfolgt.
17. Prozeß nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Regelkühlsystem Propan als vorwiegendes Kühlmittel aufweist und das Fraktionierungssystem nach Schritt (h) eine Entpropaner-Kolonne enthält, zum Erzeugen einer Propangas-angereicherten Overhead-Strömung, und ferner den Schritt zum Führen des Propan-angereichterten Strömungsgas von dem Fraktionierungssystem als Zusatzkühlmittel (Engl.: make-up refrigerant) zu dem Regelkühlsystem enthält.
18. Prozeß nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozeß ferner den Schritt zum Einführen eines Verdampfungsgases, das sich aus der Verdampfung eines verflüssigten Erdgases ergibt, in die dritte Gasströmung nach Schritt (g) enthält, sowie das Führen der kombinierten dritten Gasströmung und des Verdampfungsgases über den Wärmetauscher nach Schritt (g).
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