Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen

Fraktion, insbesondere Erdgas, wobei

- die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion gegen wenigstens einen

Gemischkältekreislauf abgekühlt und verflüssigt,

das in dem Gemischkältekreislauf zirkulierende Kältemittel wenigstens zweistufig verdichtet und

das verdichtete Kältemittel in eine höhersiedende und eine tiefersiedende Kältemittelfraktion aufgetrennt wird,

wobei die höhersiedende Kältemittelfraktion der Vorkühlung und die

tiefersiedende Kältemittelfraktion der Verflüssigung der Kohlenwasserstoff- reichen Fraktion dient. Zur Verflüssigung Kohlenwasserstoff-reicher Gasfraktionen, insbesondere Erdgas, werden u. a. Verfahren mit einem Kältemittelgemisch bestehend aus leichten

Kohlenwasserstoffen sowie Stickstoff verwendet, wobei das Kältemittelgemisch gegen Umgebung unter erhöhtem Druck zumindest teilweise kondensiert wird. Um das Erdgas zu verflüssigen, wird das flüssige Kältemittel anschließend unter reduziertem Druck im indirekten Wärmeaustausch mit dem Erdgas verdampft.

Sollen die Investitionskosten für eine Erdgasverflüssigungsanlage niedrig gehalten werden, wird ausschließlich ein Gemischkreislauf der vorbeschriebenen Art für den gesamten Temperaturbereich zwischen Umgebungs- und LNG(Liquefied Natural Gas)- Produkttemperatur (ca. -160 °C) verwendet. Auf den Einsatz eines gesonderten

Vorkühlkreislaufes für den Temperaturbereich zwischen Umgebungstemperatur und etwa -50 °C wird dabei verzichtet.

Bei einer Verfahrensführung dieser Art, die üblicherweise als SMR(Single Mixed Refrigerant)-Prozess bezeichnet wird, steht also nur ein Kältemittel, bzw. dessen Teilströme, zur Verfügung, das eine gleitende Verdampfung aufweist. Ein derartiges Erdgas-Verflüssigungsverfahren ist bspw. aus der deutschen Patentanmeldung 19722490 bekannt. Bei LNG-Anlagen mittlerer Größe - diese weisen eine Verflüssigungskapazität von etwa 0,3 bis 1 ,5 mtpa auf - werden häufig gewickelte Wärmetauscher für SMR- Verfahren verwendet. Hierbei hat sich eine Verfahrensführung mit einem Vorkühler, einem Verflüssiger und einem Unterkühler, die innerhalb des gewickelten

Wärmetauschers angeordnet sind, durchgesetzt, wobei das Kältemittel im

gemeinsamen Mantel des gewickelten Wärmetauschers von oben nach unten durch Schwerkraft strömt. Diese Konfiguration hat sich als wirtschaftlich bewährt, hat jedoch den Nachteil einer großen Bauhöhe, die beim Transport oder auch am Aufstellungsort mit Nachteilen verbunden ist.

Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sei nachfolgend anhand des in der Figur 1 dargestellten

Ausführungsbeispieles näher erläutert.

Das zu verdichtende Kältemittel 10' des Gemischkältekreislaufes, der als Kältemittel üblicherweise Stickstoff und wenigstens einen C ₁₊ -Kohlenwasserstoff aufweist, wird in der ersten Verdichterstufe C1 ' auf einen Zwischendruck verdichtet. Anschließend wird das verdichtete Kältemittel 11 ' im Nachkühler E4' partiell kondensiert und im

Abscheider D3' in eine Gasfraktion 13' und eine höhersiedende Flüssigfraktion 12' aufgetrennt. Lediglich die Gasfraktion 13' wird in der zweiten Verdichterstufe C2' auf den maximalen Kreislaufdruck verdichtet. Das verdichtete Kältemittel 1 ' wird im Nachkühler E5' erneut partiell kondensiert und im Abscheider D4' in eine

tiefersiedende Gasfraktion 16' sowie eine Flüssigfraktion 15' aufgetrennt. Die

Flüssigfraktion 15' wird über das Entspannungsventil V4' dem auf den Zwischendruck verdichteten Kältemittel 1 1 ' zugeführt.

Während die höhersiedende Kältemittelfraktion 12' der Vorkühlung der zu

verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A' dient, dient die tiefersiedende Kältemittelfraktion 16' der Verflüssigung und Unterkühlung der vorgekühlten

Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion. Vorkühler E1 ', Verflüssiger E2' und Unterkühler E3' sind hierbei innerhalb eines gewickelten Wärmetauschers W angeordnet. Nach Durchgang durch den gewickelten Wärmetauscher W wird die verflüssigte

Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion C an dessen Kopf abgezogen. Die der Vorkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A' dienende höhersiedende Kältemittelfraktion 12' wird im Vorkühler E1 ' abgekühlt, im Ventil V1 ' kälteleistend entspannt und anschließend gegen die vorzukühlende

Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion A' vollständig verdampft. Die verdampfte

Kältemittelfraktion 19' wird zusammen mit den nachfolgend beschriebenen

Kältemittelfraktionen 17718' dem der ersten Verdichterstufe C1 ' vorgeschalteten Abscheider D2' zugeführt; dieser dient der Absicherung der Verdichterstufe C1 ', da in ihm ggf. mitgeführte Flüssiganteile abgetrennt werden. Die der Verflüssigung und Unterkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A' dienende tiefersiedende Kältemittelfraktion 16' wird im Vorkühler E1 ' abgekühlt und im

Abscheider D1 ' in eine Flüssigfraktion 17' und eine Gasfraktion 18' aufgetrennt. Die Flüssigfraktion 17' wird im Verflüssiger E2' unterkühlt, im Ventil V2' kälteleistend entspannt und anschließend gegen die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion zumindest teilweise verdampft. Die Gasfraktion 18' wird im Verflüssiger E2' sowie im Unterkühler E3' abgekühlt, im Ventil V3' kälteleistend entspannt und anschließend ebenfalls gegen die zu unterkühlende und zu verflüssigende

Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion zumindest teilweise verdampft. Bei der

vorbeschriebenen Verfahrensführung ist der Kältemittelstrom, der dem Unterkühler E3' über das Ventil V3' zugeführt wird, am warmen Ende des Unterkühlers E3' zweiphasig. Daher wird in der Regel eine Aufstellung des Unterkühlers E3' oberhalb des

Verflüssigers E2', wie bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, gefordert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das es ermöglicht, den für die Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion erforderlichen Wärmetauscher getrennt von dem für die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion erforderlichen Wärmetauscher anzuordnen bzw. aufzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion in einem separaten

Wärmetauscher gegen das Kältemittelgemisch eines separaten

Expanderkreislaufes unterkühlt wird, und

das Kältemittelgemisch dieses Expanderkreislaufes neben den Komponenten N ₂ und CH ₄ wenigstens eine Komponente der Gruppe 0 ₂ , Ar, Kr, Xe, C ₂ H ₄ und

C ₂ H ₆ aufweist und der Anteil der Komponenten N ₂ und CH ₄ wenigstens 80 Mol-% beträgt.

Im Gegensatz zu den zum Stand der Technik zählenden Verflüssigungsverfahren erfolgen Vorkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion nunmehr in einem gewickelten Wärmetauscher, während die Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktionen in einem separaten

Wärmetauscher erfolgt. Dieser separate Wärmetauscher kann als Gegenströmer beliebiger Bauart, vorzugsweise als gewickelter Wärmetauscher oder Plattentauscher, ausgeführt werden.

Erfindungsgemäß erfolgt die Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion gegen einen separaten Expanderkreislauf bzw. das in ihm zirkulierende Kältemittelgemisch. Das Kältemittelgemisch dieses Expanderkreislaufes weist erfindungsgemäß neben den Komponenten N ₂ und CH ₄ wenigstens eine Komponente der Gruppe 0 ₂ , Ar, Kr, Xe, C ₂ H ₄ und C ₂ H ₆ auf, wobei der Anteil der Komponenten N ₂ und CH ₄ wenigstens 80 Mol-% beträgt. Durch die Verwendung eines Kältemittelgemisches mit wenigstens drei Komponenten, anstelle der üblicherweise verwendeten Reinstoffe N ₂ oder CH ₄ , lassen sich Eigenschaften, wie Molekulargewicht, Taupunkt und Realgasfaktor optimal an die jeweilige Aufgabenstellung anpassen. Aufgrund der erfindungsgemäßen Verfahrenweise kann der der Unterkühlung der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dienende separate Wärmetauscher unabhängig von dem gewickelten Wärmetauscher, in dem die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion erfolgt, aufgestellt werden; mittels dieser

Verfahrensführung wird die gestellte Aufgabe gelöst. Dies wird auch dadurch unterstützt, dass der separate Expanderkreislauf in allen Bauteilen nur einphasige Ströme aufweist, wodurch an deren Höhenzuordnung nur geringe Ansprüche gestellt werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum

Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sind dadurch gekennzeichnet, dass - die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion gegen das verdichtete und

anschließend in einem Expander entspannte Kältemittelgemisch des separaten Expanderkreislaufes unterkühlt wird, das verdichtete Kältemittelgemisch in zwei Teilströme aufgeteilt wird, der erste Teilstrom in einem Expander entspannt und der zweite Teilstrom verflüssigt und anschließend ebenfalls entspannt wird, und die beiden vereinigten Teilströme gegen die zu unterkühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion angewärmt werden, wobei

der erste Teilstrom vorzugsweise 70 bis 95 %, insbesondere 80 bis 90 % der verdichteten Kältemittelgemischmenge aufweist, die Eintrittstemperatur der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion in den separaten Wärmetauscher wenigstens 3 °C, vorzugsweise wenigstens 5 °C unter ihrer Siedetemperatur liegt oder, sofern die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion im überkritischen Zustand vorliegt, die Eintrittstemperatur der

verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion in den separaten Wärmetauscher über -125 °C, vorzugsweise über -120 °C liegt, bei dem für die Verdichtung des Kältemittelgemisches des Expanderkreislaufes erforderlichen Verdichter bei einem Druckverhältnis von mehr als 2,5 und/oder einer Saugtemperatur von mehr als 30 °C wenigstens eine Zwischenkühlung vorgesehen wird, die kälteleistende Entspannung der höhersiedenden Kältemittelfraktion und/oder der tiefersiedenden Kältemittelfraktion in einem Expander erfolgen, die für die Verdichtung des Kältemittels des Gemischkältekreislaufs erforderlichen Verdichter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, die für die Verdichtung des Kältemittels des Gemischkältekreislaufs erforderlichen Verdichter und der für die Verdichtung des Kältemittelgemisches des

Expanderkreislaufes erforderliche Verdichter zu einem Verdichterstrang

zusammengefasst und gemeinsam angetrieben werden, wobei als Antrieb eine Gasturbine, eine Dampfturbine, ein Elektromotor oder eine Kombination zweier vorgenannter Antriebsarten verwendet wird, die Verdichtung des Kältemittels des Gemischkältekreislaufs und des

Kältemittelgemisches des Expanderkreislaufes mittels mehrerer paralleler

Verdichterstränge erfolgt, wobei diese in der Konfiguration 2 x 50 %, 3 x 50 %,

3 x 33 % oder 4 x 33 % der Gesamtleistung ausgelegt sind, der für die Expansion des Kältemittelgemisches des Expanderkreislaufes erforderliche Expander mit einem Generator, einem Verdichter und/oder einer Ölbremse gekoppelt ist, das in dem Gemischkältekreislauf zirkulierende Kältemittel Stickstoff und wenigstens einen C ₁₊ - Kohlenwasserstoff aufweist, und - der separate Wärmetauscher als gewickelter Wärmetauscher oder Plattentauscher ausgeführt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien anhand der in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgen Vorkühlen E1 und Verflüssigen E2 der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A in einem gewickelten Wärmetauscher W. An dessen kaltem Ende wird die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion B abgezogen und in einem separaten Wärmetauscher E3 unterkühlt; der unterkühlte LNG-Produktstrom C wird anschließend seiner weiteren Verwendung oder Zwischenspeicherung zugeführt.

Das zu verdichtende Kältemittel 1 des Gemischkältekreislaufes, der als Kältemittel üblicherweise Stickstoff und wenigstens einen C ₁₊ -Kohlenwasserstoff aufweist, wird der ersten Verdichterstufe C1 auf einen Zwischendruck verdichtet. Anschließend wird das verdichtete Kältemittel 2 im Nachkühler E4 partiell kondensiert und im Abscheider D3 in eine Gasfraktion 3 und eine höhersiedende Flüssigfraktion 7 aufgetrennt.

Lediglich die Gasfraktion 3 wird in der zweiten Verdichterstufe C2 auf den maximalen Kreislaufdruck verdichtet. In vorteilhafter Weise sind die Verdichter bzw.

Verdichterstufen C1 und C2 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet. Das verdichtete Kältemittel 4 wird im Nachkühler E5 erneut partiell kondensiert und im Abscheider D4 in eine tiefersiedende Gasfraktion 6 sowie eine Flüssigfraktion 5 aufgetrennt. Diese wird über das Entspannungsventil V4 dem auf den Zwischendruck verdichteten Kältemittel 2 zugeführt.

Während die höhersiedende Kältemittelfraktion 7 der Vorkühlung der zu

verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A dient, dient die tiefersiedende Kältemittelfraktion 6 der Verflüssigung der vorgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion. Die der Vorkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A dienende höhersiedende Kältemittelfraktion 7 wird im Vorkühler E1 unterkühlt, im Ventil V1 kälteleistend entspannt und anschließend gegen die vorzukühlende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion A vollständig verdampft. Die der Verflüssigung der abgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion A dienende tiefersiedende Kältemittelfraktion 6 wird im Vorkühler E1 und Verflüssiger E2 abgekühlt, im Ventil V2 kälteleistend entspannt und anschließend gegen die vorzukühlende und zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion A vollständig verdampft. Über Leitung 8 wird das aus dem Mantelbereich des gewickelten

Wärmetauschers W abgezogene Kältemittel dem der ersten Verdichterstufe C1 vorgeschalteten Abscheider D2 zugeführt; dieser dient der Absicherung der

Verdichterstufe C1 , da in ihm ggf. mitgeführte Flüssiganteile abgetrennt werden. Die vorbeschriebene kälteleistende Entspannung der tiefersiedenden und/oder der höhersiedenden Kältemittelfraktion kann auch in Expandern erfolgen. Wie bereits erwähnt, erfolgt die Unterkühlung der aus dem gewickelten

Wärmetauscher W abgezogenen verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion B in einem separaten Wärmetauscher E3 gegen das Kältemittelgemisch eines separaten Expanderkreislaufes. Mittels des Verdichters C3 wird das Kältemittelgemisch 20 des Expanderkreislaufes auf den gewünschten Kreislaufdruck verdichtet. Bei einem Druckverhältnis von mehr als 2,5 und/oder einer Saugtemperatur von mehr als 30 °C weist der Kreislaufdichter C3 vorzugsweise wenigstens eine Zwischenkühlung auf. Nach Abführung der Verdichtungswärme im Nachkühler E7 wird das verdichtete Kältemittelgemisch im Wärmetauscher bzw. Gegenströmer E8 gegen sich selbst abgekühlt und anschließend im Expander X kälteleistend entspannt. Das entspannte Kältemittelgemisch 21 unterkühlt im Wärmetauscher E3 die verflüssigte

Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion B. Anschließend wird das im Wärmetauscher E3 angewärmte Kältemittelgemisch 21 durch den vorerwähnten Wärmetauscher E8 geführt, um die Kälte, die im Wärmetauscher E3 nicht übertragen werden kann, auszunutzen. Wie in der Figur 2 dargestellt kann ggf. ein weiterer Kreislaufverdichter C4, der in vorteilhafter Weise mit dem Expander X gekoppelt ist, vorgesehen werden, und das in den Wärmetauschern E3 und E8 angewärmte Kältemittelgemisch 21 zu verdichten. Hierbei kann der Verdichter C4 vor oder nach dem Verdichter C3 eingebunden werden. Das derart vorverdichtete Kältemittelgemisch 22 wird nach Abführung der Verdichtungswärme im Wärmetauscher E6 erneut dem Eingang des Kreislaufverdichters C3 zugeführt. Alternativ oder ergänzend zu dem Verdichter C4 kann der Expander X mit einem Generator oder einer Ölbremse gekoppelt sein, um die mechanische Leistung abzuführen. Die Eintrittstemperatur der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion B in den separaten Wärmetauscher E3 liegt vorzugsweise wenigstens 3 °C, insbesondere wenigstens 5°C unter ihrer Siedetemperatur oder, sofern die verflüssigte

Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion B in einem überkritischen Zustand vorliegt, sie liegt über -125 °C, vorzugsweise über -120 °C. Mittels dieser Verfahrensweisen wird wirkungsvoll vermieden, dass der Expanderkreislauf bei zu hoher Temperatur betrieben wird. Dies wäre wegen der dann starken Abhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität des Stromes B nachteilig und hätte eine Verschlechterung des thermodynamischen Wirkungsgrades zur Folge. Wie in der Figur 2 dargestellt sind die für die Verdichtung des Kältemittels des

Gemischkältekreislaufes erforderlichen Verdichter C1 und C2 sowie der für die Verdichtung des Kältemittelgemisches des Expanderkreislaufes erforderliche

Verdichter C3 zu einem Verdichterstrang zusammengefasst und werden gemeinsam angetrieben. Hierbei kommt als Antrieb eine Gasturbine, eine Dampfturbine, ein Elektromotor oder eine Kombination zweier vorgenannter Antriebsarten zur

Anwendung.

Das in der Figur 3 dargestellte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen

Verfahrens unterscheidet sich von dem in der Figur 2 dargestellten

Ausführungsbeispiel dadurch, dass das verdichtete Kältemittelgemisch 20 nach Abkühlung im Wärmetauscher E8 in zwei Teilströme 30 und 32 aufgeteilt wird. Hierbei weist der dem Expander X zugeführte Teilstrom 30 70 bis 95 %, vorzugsweise 80 bis 90 % des verdichteten Kältemittelgemischstromes 20 auf. Der nicht dem Expander X zugeführte Teilstrom 32 wird im Wärmetauscher E3 vollständig verflüssigt, ggf.

unterkühlt und im Ventil V3 auf den Austrittsdruck des Expanders X1 entspannt. Der derart entspannte Teilstrom 32 und der im Expander X entspannte Teilstrom 31 werden entweder gemischt und gemeinsam dem kalten Ende des Wärmetauschers E3 zugespeist oder - wie in der Figur 3 dargestellt - dem Wärmetauscher E3 separat zugeführt. Anschließend wird das im Wärmetauscher E3 angewärmte

Kältemittelgemisch 33 durch den Wärmetauscher E8 geführt, um die Kälte, die im Wärmetauscher E3 nicht übertragen werden kann, auszunutzen.

Durch diese Verfahrensführung wird die Spitzenkälte nun nicht mehr durch den Austrittsstrom 31 aus dem Expander X bereitgestellt, sondern durch die Verdampfung des Flüssiganteils nach der Entspannung im Ventil V3. Folglich kann der Expander X auf einem höheren Temperaturniveau betrieben werden, wodurch bei ansonsten konstanten Bedingungen (Fluidmenge und -Zusammensetzung sowie Ein- und Austrittsdruck) die Kälteleistung steigt. Diese Verfahrensführung hat somit eine Steigerung des thermodynamischen Wirkungsgrades zur Folge.

In vorteilhafter Weise erfolgen die Verdichtungen des Kältemittels des

Gemischkältekreislaufes und des Kältemittelgemisches des Expanderkreislaufes mittels mehrerer paralleler Verdichterstränge, wobei diese in der Konfiguration

2 x 50 %, 3 x 50 %, 3 x 33 % oder 4 x 33 % der Gesamtleistung ausgelegt sind. Mittels dieser Verfahrensführung wird eine erhöhte Verfügbarkeit und/oder Anlagenkapazität ermöglicht.