Beschreibung

VERFAHREN UND ANLAGE ZUM VERFLüSSIGEN EINES KOHLENWASSERSTOFFREICHEN STROMS

Technisches Gebiet

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Anlage zum Verflüssigen, insbesondere durch Vorkühlen oder durch Unterkühlen, eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, durch mittels mindestens eines Wärmeaustauschers erfolgenden indirekten Wärmeaustausch mit dem Kältemittelgemisch mindestens eines Kältemittelgemischkreislaufs, wobei nach Entspannen das Kältemittelgemisch gegen den zu verflüssigenden kohlenwasserstoffreichen Strom und gegen sich selbst verdampft wird.

Stand der Technik

[0002] Erdgasverflüssigungsanlagen werden heutzutage in der Regel mit sogenannten Gemischkreisläufen als Kältekreisläufe betrieben. Als Kältemittel dient dabei ein Gemisch, das sich aus zwei oder mehreren Komponenten der folgenden Stoffe zusammensetzt: Stickstoff, Methan, Ethan oder Ethylen, Propan oder Propylen, Butan und gegebenenfalls noch höhere Kohlenwasserstoffe.

[0003] Aus der Druckschrift WO 03/106906 Al ist ein Verfahren zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, mit gleichzeitiger Gewinnung einer C3+-reichen Fraktion mit hoher Ausbeute bekannt, wobei die Verflüssigung des kohlenwasserstoffreichen Stroms im Wärmetausch mit einer Kältemittelgemischkreislaufkaskade erfolgt.

[0004] In der Druckschrift DE 199 37 623 Al ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, durch indirekten Wärmetausch mit mindestens einem Kältemittelgemischkreislauf offenbart. Mit der Zitierung der Druckschrift DE 199 37 623 Al sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung integriert.

[0005] Bei diesem aus der Druckschrift DE 199 37 623 Al bekannten Verfahren liegt das Kältemittelgemisch vor der Verdichtung als Zwei-Phasen-Strom vor. Die Auftrennung des Zwei-Phasen-Stroms in einen gasförmigen Strom und in einen flüssigen Strom kann mittels eines Abscheiders und/oder mittels einer Trennkolonne erfolgen. Hierbei kann der Flüssiganteil des Zwei-Phasen-Stroms bis zu fünfzehn Prozent betragen.

[0006] Ein weiteres gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms, durch indirekten Wärmetausch

ist in der Druckschrift DE 197 16415 C1 offenbart. Mit der Zitierung der Druckschrift DE 197 16 415 Cl sei deren Offenbarungsgehalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldung integriert.

[0007] Bei diesem aus der Druckschrift DE 197 16 415 C1 bekannten Verfahren wird das Kältemittelgemisch in einem einstufigen oder mehrstufigen Kompressor verdichtet, in einem oder mehreren, gegebenenfalls unterschiedlichen Wärmeaustauschern gekühlt, verflüssigt und unterkühlt. Nach seiner Entspannung - in einem Ventil oder in einer Expansionsturbine - wird das Kältemittelgemisch beispielsweise im Außenraum eines gewickelten Wärmeaustauschers im Fallstrom total verdampft und fünf Kelvin bis fünfzehn Kelvin über seinen Taupunkt angewärmt, damit es sicher im Kreislaufkompressor wieder verdichtet werden kann.

[0008] Es hat sich nun herausgestellt, dass Wärmeaustauscher, in denen diese Totalverdampfung und überhitzung des Kreislaufmediums bzw. des Kältemittelgemisches erfolgen, Leckagen - im Falle eines gewickelten Wärmeaustauschers in den gewickelten Rohren - entwickeln. Der Stress an den Rohren des gewickelten Wärmeaustauschers entsteht durch thermische und akustische Schwingungen, die sich im trockenen Teil des Wärmeaustauschers ausbilden.

[0009] Es hat sich aber auch herausgestellt, dass Wärmeaustauscher, die vollständig benetzt sind, keine Leckagen entwickeln. Dieser Effekt lässt sich insbesondere bei doppelstöckigen und dreistöckigen Wärmeaustauschern beobachten, bei denen die oberen, vollständig benetzten Wärmeaustauscher keine Leckagen entwickeln.

Darstellung der Erfindung

[0010] Ausgehend von den vorstehend dargelegten Nachteilen und Unzulänglichkeiten sowie unter Würdigung des umrissenen Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Anlage der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die vorgenannten Probleme vermieden werden.

[0011] Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen

Merkmalen sowie durch eine Anlage mit den im Anspruch 5 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen gekennzeichnet.

[0012] Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung verdampfen zwischen etwa neunzig Prozent und etwa 99 Prozent, vorzugsweise etwa 95 Prozent, des zu verdampfenden Kältemittelgemischstroms, anschließend erfolgt eine Auftrennung des teilverdampften Kältemittelgemischstroms in eine Gasfraktion und in eine Flüssigfraktion; die Gasfraktion wird, vorzugsweise mittels mindestens eines kaltansaugenden Verdichters, auf den gewünschten Enddruck verdichtet, die Flüssigfraktion wird gepumpt, und an-

schließend werden die beiden Fraktionen vereinigt.

[0013] Entsprechend vorteilhaften Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Anlage können die Gasfraktion und die Flüssigfraktion entweder vor oder nach ihrer Entspannung vereinigt werden. Erfolgt eine Vereinigung beider Fraktionen bereits vor ihrer Entspannung, wird die Flüssigfraktion vorzugsweise auf den gleichen Druck wie die Gasfraktion gepumpt.

[0014] In zweckmäßiger Weise wird das Kreislaufmedium bzw. das Kältemittelgemisch soweit mit schwereren Komponenten angereichert, dass keine Totalverdampfung entsteht, sondern eine Restflüssigkeit von etwa einem Prozent bis etwa zehn Prozent, vorzugsweise von etwa fünf Prozent, verbleibt. Dieser Nassdampf darf so jedoch nicht in den Kompressor bzw. in den Verdichter eingespeist werden; vielmehr ist dieser Nassdampf mittels mindestens eines Abscheiders in eine Gasfraktion und in eine Flüssigfraktion zu zerlegen.

[0015] In vorteilhafter Weise erfolgt das Verdichten der Gasfraktion mittels mindestens eines kaltansaugenden Verdichters. Das Pumpen der Flüssigfraktion erfolgt mittels mindestens einer geeigneten Pumpe, wobei die Flüssigfraktion in vorteilhafter Weise vor dem Pumpen geringfügig unterkühlt wird.

[0016] Bei der Auslegung bzw. beim Betrieb der Pumpe ist der N[et]P[ositive]S[uction] H[ead]-Wert zu berücksichtigen. Der NPSH- Wert der Pumpe ergibt sich aus der Art der Konstruktion und aus der Pumpendrehzahl. Je höher die Pumpendrehzahl ist, umso größer ist der NPSH- Wert der Pumpe.

[0017] Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung eines Verfahrens gemäß der vorstehend dargelegten Art und/oder mindestens einer Anlage gemäß der vorstehend dargelegten Art beim Verflüssigen, insbesondere durch Vorkühlen oder durch Unterkühlen, eines kohlenwasserstoffreichen Stroms, insbesondere eines Erdgasstroms; mithin ist die L[iquefied]N[atural]G[as]-Technologie ein bevorzugtes Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung.

[0018] Hierbei kann die erfindungsgemäße Vorgehensweise bei allen Verflüssigungsverfahren, bei denen der Wärmetausch zwischen dem zu verflüssigenden kohlenwasserstoffreichen Strom und dem Kältemittelgemisch in einem oder mehreren gewickelten Wärmetauschern und/oder in einem oder mehreren Plattentauschern erfolgt, zur Anwendung kommen.

[0019] Ferner ist die erfindungsgemäße Verfahrensweise grundsätzlich bei allen Gemischkreisläufen realisierbar, insbesondere bei allen sogenannten M[ixed]F[luid]C[ascade] - Prozessen, beim sogenannten C3-M[ixed]R[efrigerant]C[ycle]-Prozess (propane precooled mixed refrigerant process) der Firma Air Products, beim sogenannten Dual- Flow-M[ixed]R[efrigerant]C[ycle]-Prozess der Firma Shell und/oder beim sogenannten Single-Flow-M[ixed]R[efrigerant]C[ycle]-Prozess der Firma Linde bzw. der

Firma Statoil.

[0020] Prinzipiell gilt, dass, sofern beim erfindungsgemäßen Verfahren und/oder bei der erfindungsgemäßen Anlage zwei oder mehrere Kältemittelgemischkreisläufe zur Anwendung kommen, diese mindestens zwei Kältemittelgemischkreisläufe hintereinander und/oder kaskadenförmig angeordnet sein können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0021] Wie bereits vorstehend erörtert, gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird einerseits auf die dem Anspruch 1, dem Anspruch 5 sowie dem Anspruch 9 nachgeordneten Ansprüche verwiesen, andererseits werden weitere Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung nachstehend anhand der durch Fig. 1 sowie durch Fig. 2 veranschaulichten beiden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0022] Es zeigt:

[0023] Fig. 1 in schematischer Prinzipdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage, bei deren Verfahrensführung die Flüssigfraktion auf den gleichen Druck gepumpt wie die Gasfraktion verdichtet wird, woraufhin die beiden Fraktionen vereinigt werden; und

[0024] Fig. 2 in schematischer Prinzipdarstellung ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage, bei deren Verfahrensführung die Flüssigfraktion nur soweit gepumpt wird, dass - nach in einer eigenen Wärmetauscherpassage erfolgter Unterkühlung -diese Flüssigfraktion der entspannten Gasfraktion zugemischt wird.

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

[0025] Zur Vermeidung überflüssiger Wiederholungen beziehen sich die nachfolgenden Erläuterungen hinsichtlich der Ausgestaltungen, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung (soweit nicht anderweitig angegeben) sowohl auf das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet, als auch auf das in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anlage, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet.

[0026] Wie in Fig. 1 dargestellt, wird über Leitung A ein zu verflüssigender kohlenwasserstoffreicher Strom, beispielsweise ein Erdgasstrom, einem Wärmeaustauscher E zugeführt.

[0027] In diesem Wärmeaustauscher E erfolgt eine Vorkühlung oder eine Verflüssigung oder eine Unterkühlung des kohlenwasserstoffreichen Stroms gegen ein Kältemittelgemisch, auf das im Folgenden noch näher eingegangen werden wird. Der kohlenwasserstoffreiche Strom wird nach seiner Vorkühlung oder Verflüssigung oder Un-

terkühlung über Leitung B aus dem Wärmeaustauscher E abgezogen und seiner weiteren Verwendung zugeführt.

[0028] über Leitung 1 wird dem Wärmeaustauscher E das unter Druck stehende Kältemittelgemisch zugeführt und im Wärmeaustauscher E verflüssigt und unterkühlt. über Leitung 2 wird das unterkühlte Kältemittelgemisch aus dem Wärmeaustauscher E abgezogen und in der Entspannungsvorrichtung 3, bei der es sich um ein Ventil oder um eine Entspannungsturbine handelt, entspannt bzw. kälteleistend entspannt.

[0029] Anschließend wird das Kältemittelgemisch im Wärmeaustauscher E nunmehr - im Gegensatz zu den zum Stand der Technik zählenden Verflüssigungsverfahren - erfindungsgemäß lediglich soweit verdampft, dass es am Ausgang des Wärmeaustauschers E eine Restflüssigkeit von etwa einem Prozent bis etwa zehn Prozent, vorzugsweise von etwa fünf Prozent, aufweist.

[0030] Dieses Zweiphasengemisch wird über Leitung 4 einem Abscheider D zugeführt. Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung 5 die Gasfraktion des Kältemittelgemisches abgezogen und mittels des kaltansaugenden, ein- oder mehrstufigen Verdichters V auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtet.

[0031] Die Flüssigfraktion des Kältemittelgemisches wird aus dem Sumpf des Abscheiders D über Leitung 6 abgezogen und mittels einer Pumpe P ebenfalls auf den gewünschten Kreislaufdruck gepumpt und anschließend der über Leitung 5 aus dem Abscheider D abgezogenen und verdichteten Gasfraktion des Kältemittelgemisches zugeführt.

[0032] Die in Fig. 1 dargestellte Verfahrensweise eignet sich insbesondere zum Nachrüsten bereits existierender Anlagen.

[0033] Hinsichtlich der in Fig. 2 dargestellten Verfahrensführung bei der Anlage gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel wird inhaltlich auf Fig. 1 Bezug genommen.

[0034] Die Verfahrensführung gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Verfahrensführung gemäß Fig. 1 dahin gehend, dass die über Leitung 6 aus dem Sumpf des Abscheiders D abgezogene Flüssigfraktion des Kältemittelgemisches mittels der Pumpe P nicht auf den gewünschten Kreislauf druck gepumpt werden muss; vielmehr ist eine Druckerhöhung ausreichend, die die Druckverluste von Leitung 7, der eigenen (, in Fig. 2 mittleren) Passage des Wärmeaustauschers E, von Leitung 8 und der Entspannungsvorrichtung 9, bei der es sich um ein Ventil handeln kann, kompensiert.

[0035] Diese Verfahrensfühlung hat gegenüber der in der Fig. 1 dargestellten Verfahrensführung den großen Vorteil, dass die zwischen dem Verdichter V und dem Wärmeaustauscher E liegenden Leitungen und Wärmeaustauscher nicht auf etwa 101 Prozent bis etwa 110 Prozent ausgelegt werden müssen und dass die Pumpe P lediglich für eine entsprechend geringere Druckerhöhung auszulegen ist.

[0036] Die Flüssigfraktion wird anschließend über (eine in Vergleich zur Verfahrensführung gemäß Fig. 1 zusätzliche) Leitung 7 dem Wärmeaustauscher E zugeführt

und (in einer in Vergleich zur Verfahrensfiihrung gemäß Fig. 1 zusätzlichen Passage) im Wärmeaustauscher E unterkühlt.

[0037] Nach Abzug aus dem Wärmeaustauscher E über (eine in Vergleich zur Verfahrensfiihrung gemäß Fig. 1 zusätzliche) Leitung 8 erfolgt eine geringfügige Entspannung im (in Vergleich zur Verfahrensführung gemäß Fig. 1 zusätzlichen) Ventil 9 auf den Druck der entspannten "Gasfraktion" in Leitung 2', wo die beiden Fraktionen vor der Zuführung in den Wärmeaustauscher E vereinigt werden.

[0038] Die in der Fig. 2 dargestellte Verfahrensweise eignet sich insbesondere für Neuanlagen.

[0039] Mittels der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird nunmehr erreicht, dass aufgrund einer vollständigen Benetzung der Wärmeaustauscherrohre die Bildung von Leckagen vollständig oder zumindest weitestgehend vermieden werden kann, denn es kommt zu einer Vermeidung bzw. zu einer deutlichen Reduzierung von thermischen und akustischen Schwingungen in den Wärmeaustauscherpassagen.