Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Flüssiqerdqasprodukts

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines Flüssigerdgasprodukts gemäß dem Oberbegriff des jeweiligen unabhängigen Patentanspruchs.

Hintergrund

Zur Verflüssigung und drucklosen Lagerung muss Erdgas auf Tieftemperaturen von etwa -160 °C heruntergekühlt werden. In diesem Zustand kann das Flüssigerdgas wirtschaftlich per Frachtschiff oder Lkw transportiert werden, da es nur 1/600 des Volumens der gasförmigen Substanz bei atmosphärischem Druck aufweist.

Erdgas enthält in der Regel eine Mischung aus Methan und höheren Kohlenwasserstoffen sowie Stickstoff, Kohlendioxid und weitere unerwünschte Bestandteile. Vor der Verflüssigung müssen diese Komponenten teilweise entfernt werden, um eine Verfestigung während der Verflüssigung zu vermeiden oder um Kundenanforderungen zu erfüllen. Die dazu eingesetzten Verfahren wie Adsorption, Absorption und kryogene Rektifikation sind allgemein bekannt.

Zu Details bezüglich bei der Erdgasverflüssigung eingesetzter Verfahren sei auf Fachliteratur wie den Artikel "Natural Gas" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Onlinepublikation 15. Juli 2006, DOI: 10.1002/14356007.a17_073.pub2, insbesondere Abschnitt 3, "Liquefaction", verwiesen.

Insbesondere kommen bei der Erdgasverflüssigung Gemischkältemittel aus unterschiedlichen Kohlenwasserstoffbestandteilen und Stickstoff zum Einsatz. Bekannt sind beispielsweise Verfahren, in denen zwei Gemischkältemittelkreisläufe eingesetzt werden (engl. Dual Mixed Refrigerant, DMR). Auf diese Weise kann beispielsweise Erdgas, das zusätzlich zu Methan noch höhere Kohlenwasserstoffe wie Ethan, Propan, Butan usw. enthält, aber zuvor bereits in geeigneter Weise von Sauergasen befreit und getrocknet wurde, einer Abscheidung der höheren Kohlenwasserstoffe und einer anschließenden Verflüssigung unterworfen werden. Die Abscheidung der höheren Kohlenwasserstoffe geht mit einer Abscheidung von Benzol einher, die in dem verbleibenden Flüssigerdgas unerwünscht ist. Benzol wird in entsprechenden Verfahren als Schlüssel- bzw. Markerkomponente verwendet und kann auch als Indikatorkomponente für die Abtrennung verwendet werden.

Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zur Erdgasverflüssigung unter Verwendung entsprechender Gemischkältemittelkreisläufe erweisen sich häufig in der Praxis aus den nachfolgend erläuterten Gründen als verbesserungsbedürftig.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, die Erdgasverflüssigung unter Verwendung von zwei Gemischkältemittelkreisläufen zu verbessern.

Offenbarung der Erfindung

Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Flüssigerdgas und eine entsprechende Anlage gemäß den Oberbegriffen der jeweiligen unabhängigen Patentansprüche vor. Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.

Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden einige Grundlagen der vorliegenden Erfindung näher erläutert und nachfolgend verwendete Begriffe definiert.

Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe "Druckniveau" und "Temperaturniveau", wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ± 10% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei den hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke. Ist hier von "Entspannungsmaschinen" die Rede, seien darunter typischerweise bekannte Turboexpander verstanden, die auf einer Welle angeordnete radiale Laufräder bzw. Impeller aufweisen. Eine entsprechende Entspannungsmaschine kann beispielsweise mechanisch bzw. hydraulisch gebremst oder mit einer Einrichtung wie einem Verdichter oder einem Generator gekoppelt sein. Eine Entspannung eines Gemischkältemittels im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird typischerweise nicht unter Verwendung einer Entspannungsmaschine, sondern unter Verwendung eines Entspannungsventils durchgeführt.

Ein "Wärmetauscher" zum Einsatz im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann in jeglicher fachüblichen Art ausgebildet sein. Er dient zur indirekten Übertragung von Wärme zwischen zumindest zwei z.B. im Gegenstrom zueinander geführten Fluidströmen, hier insbesondere einem vergleichsweise warmen Einsatzerdgasstrom oder einer hieraus gebildeten gasförmigen Fraktion und einem oder mehreren kalten Gemischkältemittelströmen. Ein entsprechender Wärmetauscher kann aus einem einzelnen oder mehreren parallel und/oder seriell verbundenen Wärmetauscherabschnitten gebildet sein, z.B. aus einem oder mehreren gewickelten Wärmetauschern oder entsprechenden Abschnitten. Neben gewickelten Wärmetauschern der bereits angesprochenen Art können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch andere Typen von Wärmetauschern eingesetzt werden.

Die relativen räumlichen Begriffe "oben", "unten", "über", "unter", "oberhalb", "unterhalb", "neben", "nebeneinander", "vertikal", "horizontal" etc. beziehen sich hier auf die wechselseitige Anordnung von Komponenten im Normalbetrieb. Unter einer Anordnung zweier Komponenten "übereinander" wird hier verstanden, dass das sich obere Ende der unteren der beiden Komponenten auf niedrigerer oder gleicher geodätischer Höhe befindet wie das untere Ende der oberen der beiden Komponenten und sich die vertikalen Projektionen der beiden Komponenten überschneiden. Insbesondere sind die beiden Komponenten genau übereinander angeordnet, d.h. die Mittelachsen der beiden Komponenten verlaufen auf derselben vertikalen Geraden. Die Achsen der beiden Komponenten müssen jedoch nicht genau senkrecht übereinander liegen, sondern können auch gegeneinander versetzt sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kommt ein Gegenstromabsorber zum Einsatz. Zur Auslegung und Ausgestaltung entsprechender Apparate sei auf einschlägige Lehrbücher verwiesen (siehe beispielsweise K. Sattler: Thermische Trennverfahren. Grundlagen, Auslegung, Apparate. Weinheim: Wiley-VCH, 3. Auflage 2001). Einem Gegenstromabsorber sind typischerweise eine flüssige Fraktion ("Sumpfflüssigkeit") und eine gasförmige Fraktion ("Kopfgas") aus einem unteren Bereich ("Sumpf') bzw. aus einem oberen Bereich ("Kopf') entnehmbar. Gegenstromabsorber sind aus dem Bereich der Trenntechnik allgemein bekannt. Sie werden zur Absorption im Phasengegenstrom verwendet und daher auch als Gegenstromkolonnen bezeichnet. Bei der Absorption im Gegenstrom strömt die abgebende Gasphase aufwärts durch eine Absorptionskolonne. Die aufnehmende Lösungsphase fließt, von oben aufgegeben und unten abgezogen, der Gasphase entgegen. Die Gasphase wird mit der Lösungsphase "gewaschen". In einer entsprechenden Absorptionskolonne sind typischerweise Einbauten vorgesehen, die für einen stufenweisen (Böden, Sprühzonen, rotierende Teller usw.) oder stetigen (regellose Schüttungen von Füllkörpern, Packungen usw.) Phasenkontakt sorgen. In einen oberen Bereich eines Gegenstromabsorbers wird ein flüssiger Strom, auch als "Absorptionsflüssigkeit" bezeichnet, eingespeist, womit Komponenten aus einem gasförmigen Strom, der tiefer eingespeist wird, ausgewaschen werden.

Ist nachfolgend von einem "Einsatzerdgas" die Rede, sei hierunter Erdgas verstanden, das insbesondere einer Sauergasentfernung und optionalen weiteren Aufbereitung unterworfen worden ist, so dass es sich für eine Verflüssigung eignet, d.h. keine sich in dem vorgeschlagenen Verfahren verfestigende ("ausfrierende") Komponenten aufweist. Insbesondere können aus entsprechendem Einsatzerdgas auch bereits schwere Kohlenwasserstoffe wie Butan(e) und/oder Pentan(e) sowie Kohlenwasserstoffe mit sechs und mehr Kohlenstoffatomen teilweise abgeschieden worden sein. Das Einsatzerdgas ist insbesondere wasserfrei und weist einen Gehalt von beispielsweise mehr als 85% Methan auf und enthält im verbleibenden Rest insbesondere Ethan und Propan, jedoch auch Butan und Pentan sowie ggf. schwerere Kohlenwasserstoffe. Es kann sich dabei ggf. um geringere Anteile handeln als in einem zur Bildung des Einsatzerdgas verwendeten, beispielsweise einem Bohrloch entnommenen (Roh-)Erdgas. Auch Stickstoff, Helium und andere leichte Komponenten können noch enthalten sein. Die Begriffe "Butan" und "Pentan" sollen hier stellvertretend für alle Butan- und Pentanisomere stehen, bezeichnen jedoch insbesondere n-Butan und iso-Butan sowie n-Pentan und iso-Pentan. Wenngleich hier nicht erwähnt, können neben den jeweils genannten gesättigten Verbindungen (Ethan, Propan, Butan, Pentan) auch die jeweils ungesättigten Derivate und ihre Isomere enthalten sein, die in der Regel in den angegebenen Trennungen bzw. Fraktionierung in die Fraktion der entsprechenden kettenlängengleichen Verbindungen übergehen.

Ist nachfolgend von "Flüssigerdgas" bzw. einem "Flüssigerdgasprodukt" die Rede, wird hierunter eine auf dem atmosphärischen Siedepunkt von Methan oder darunter, insbesondere bei -160 bis -164 °C, vorliegende tiefkalte Flüssigkeit verstanden, die zu mehr als 85%, insbesondere zu mehr als 90% Methan aufweist, und deren Methangehalt in jedem Fall höher ist als der des verwendeten Einsatzerdgases. Das Flüssigerdgas ist insbesondere deutlich benzolärmer als das Einsatzerdgas und weist Benzol nur in vorgegebenen Maximalgehalt auf. Es kann neben Methan, insbesondere abweichend zur üblichen Zusammensetzung von Flüssigerdgas (engl. Liquefied Natural Gas, LNG), auch geringere Anteile von anderen aliphatischen Kohlenwasserstoffen, insbesondere Ethan, Propan und Butan sowie deren ungesättigte Derivate, aufweisen. Es wird dennoch nachfolgend mit der Kurzbezeichnung "LNG" bezeichnet.

Merkmale und Vorteile der Erfindung

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Flüssigerdgasprodukts (LNG) umfasst ein Bereitstellen von Einsatzerdgas, das Methan sowie zumindest Ethan, Propan und Butan als höhere Kohlenwasserstoffe enthält. Das Einsatzerdgas kann auch weitere höhere Kohlenwasserstoffe, insbesondere Benzol, enthalten. Das Einsatzerdgas wird einer Abkühlung in einem ersten Abkühlschritt unter Verwendung eines ersten Gemischkältemittels (engl. warm mixed refrigerant, WMR) auf ein erstes Temperaturniveau unterworfen. Das in dem ersten Abkühlschritt abgekühlte Einsatzerdgas wird nach dem ersten Abkühlschritt zumindest zum Teil einer Gegenstromabsorption unter Bildung einer an den höheren Kohlenwasserstoffen abgereicherten Gasfraktion unter Verwendung einer Absorptionsflüssigkeit unterworfen. Ein Teil der Gasfraktion wird einer Abkühlung und Verflüssigung in einem zweiten Abkühlschritt unter Verwendung eines zweiten Gemischkältemittels (engl. cold mixed refrigerant, CMR) auf ein zweites Temperaturniveau zu dem Flüssigerdgasprodukt (LNG) unterworfen. Die Bereitstellung des Einsatzerdgases kann insbesondere unter Verwendung einer Trocknung, einer Sauergasentfernung, einer teilweisen Entfernung schwererer Kohlenwasserstoffe, einer Verdichtung und dergleichen erfolgen, wie an sich bekannt. Erfindungsgemäß wird die Absorptionsflüssigkeit aus einem weiteren Teil der Gasfraktion gebildet, der kondensiert und in die Gegenstromabsorption zurückgeführt wird. Die Kondensation kann insbesondere oberhalb der Gegenstromabsorption erfolgen, so dass eine pumpenfreie Rückführung möglich ist. Es kann jedoch auch eine Rücklaufpumpe verwendet werden. Vorzugsweise sind das erste und das zweite Gemischkältemittel propanarm oder propanfrei.

Die Erfindung zeichnet sich aus durch die weitere Behandlung einer in der Gegenstromabsorption gebildeten, Ethan, Propan, Butan und Pentan enthaltenden Sumpfflüssigkeit. Die in der Gegenstromabsorption gebildete Sumpfflüssigkeit wird zumindest zum Teil einer ersten Fraktionierung unterworfen, wobei ein an Propan armes und Butan und Pentan enthaltendes Sumpfprodukt sowie ein Kopfprodukt gebildet werden. Das in der ersten Fraktionierung gebildete Sumpfprodukt wird zumindest zum Teil einer zweiten Fraktionierung unterworfen, wobei ein an Propan armes und Butan enthaltendes Kopfprodukt sowie ein Sumpfprodukt gebildet werden. Das in der zweiten Fraktionierung gebildete Kopfprodukt wird bei Bedarf (Make-up) teilweise zu dem ersten Gemischkältemittel zugegeben. Die erste Fraktionierung ist insbesondere in Form einer bekannten C3/C4-Trennung (C3-Abtrennung, Depropanisierung), die zweite Fraktionierung insbesondere in Form einer bekannten C4/C5-Trennung (C4-Abtrennung, Debutanisierung) ausgebildet.

Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass die Komponenten der Gemischkältemittelkreisläufe, insbesondere Butan, einfach und mit vergleichsweise geringem Aufwand aus dem Sumpf des Gegenstromabsorbers, also verfahrensintern, gewonnen werden können. Eine alternativ zur vorliegenden Erfindung einsetzbare Fraktionierungssequenz mit vier Fraktionierungen, in denen Methan, Ethan, Propan und Butan nacheinander abgetrennt werden, also eine C1/C2-Trennung (Demethanisierung) gefolgt von einer C2/C3-Trennung (Deethanisierung), einer C3/C4- Trennung (Depropanisierung) und einer C4/C5-Trennung (Debutanisierung) erfolgt, ist gegenüber der hier vorgeschlagenen Trennsequenz, wie erfindungsgemäß erkannt wurde, weniger vorteilhaft. In einer solchen alternativen Fraktionierungssequenz werden vier Trennkolonnen benötigt, die permanent betrieben werden müssen und teilweise unerwünschte Produkte (insbesondere eine Propanfraktion) abgeben, welche, wenn sie für sich betrachtet nicht benötigt werden, wieder rückgeführt werden müssen. Der für eine entsprechende Fraktion erforderliche Trennaufwand ist damit in Teilen vergebens. Entsprechendes gilt auch für Verfahren, in denen die Reihenfolge der C1/C2-Trennung (Demethanisierung) und der C2/C3-Trennung vertauscht sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet demgegenüber einen Kostenvorteil in Bezug auf Investitions- und Betriebskosten, da zumindest eine Trennkolonne komplett eingespart werden kann und eine weitere nur im Falle eines zusätzlichen Bedarfs an C2-Kältemittel zugeschaltet wird, wie weiter unten erläutert, in der Regel jedoch nicht betrieben werden muss. Im Rahmen der Erfindung wird das Sumpfprodukt der Gegenstromabsorption im Gegensatz zu herkömmlichen Trennsequenzen insbesondere direkt der Depropanisierung zugeführt und deren Sumpfprodukt der Debutanisierung unterworfen. So kann in zwei Trennschritten ein an Propan armer und Butan enthaltender Makeupstrom für das erste Gemischkältemittel bereitgestellt werden. Bei Bedarf kann das Kopfprodukt der Depropanisierung, also der ersten Fraktionierung, das Ethan und Propan enthält, einer Deethanisierung zur intermittierenden Erzeugung von Kältemittel unterworfen werden. Diese wird jedoch, wie erwähnt, optional betrieben.

Das Sumpfprodukt der Absorptionskolonne wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere direkt der ersten Fraktionierung, also der Depropanisierung, zugeführt, die beispielsweise bei einem Druckniveau von 10 bis 25 bar, vorzugsweise zwischen 15 und 20 bar durchgeführt wird. Das propanarme Sumpfprodukt der ersten Fraktionierung, das insbesondere weniger als 2 mol% an Propan und vorzugsweise weniger als 0,5 mol% an Propan aufweist, wird insbesondere direkt der zweiten Fraktionierung, also der Debutanisierung, zugeführt, die beispielsweise bei einem Druckniveau von 3 bis 10 bar, vorzugsweise zwischen 4 und 7 bar durchgeführt wird. Aus der zweiten Fraktionierung wird aufgrund der vorigen ersten Fraktionierung propanarmes, d.h. insbesondere weniger als 5 mol% an Propan und vorzugsweise weniger als 2 mol% an Propan enthaltendes Butan über Kopf abgezogen. In diesem sind insbesondere auch weniger als 1 mol% an Pentan und vorzugsweise weniger als 0,2 mol% Pentan enthalten. Das auf diese Weise gewonnene Butan kann zumindest teilweise zur Einspeisung in den ersten bzw. warmen Gemischkältemittelkreislauf verwendet werden. Aus der zweiten Fraktionierung wird ferner ein butanarmes, d.h. insbesondere weniger als 2 mol% an Butan und vorzugsweise weniger als 0,5 mol% an Butan, enthaltendes Sumpfprodukt abgezogen. Dieses enthält Pentan und ggf. nochmals längerkettige Kohlenwasserstoffe. Wie erwähnt, können in allen Fällen auch ungesättigte Kohlenwasserstoffe in die Fraktionierungen eingespeist und entsprechend getrennt werden, wobei diese insbesondere in die entsprechenden Fraktionen mit den jeweiligen kettenlängengleichen gesättigten Kohlenwasserstoffen übergehen.

Ein ähnliches Verfahren zur Herstellung von Flüssigerdgas unter Verwendung zweier Gemischkältemittel, bei dem jedoch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Fraktionierungssequenz nicht verwendet wird, ist beispielsweise in der US 6,119,479 A offenbart. In diesem Verfahren können die im Einsatzerdgas enthaltenen höheren Kohlenwasserstoffe je nach Bedarf in einem Gegenstromabsorber aus diesem abgeschieden werden. Verfahren und Anlagen ähnlicher Art sind beispielsweise auch in der US 6,370,910 A und der AU 2005224308 B2 offenbart.

Sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Abkühlschritt der vorliegenden Erfindung werden, wie erwähnt, Gemischkältemittel in entsprechenden Kältemittelkreisläufen eingesetzt. Insbesondere wird dabei das erste Gemischkältemittel in der nachfolgend angegebenen Reihenfolge gasförmig einer Verdichtung unterworfen, durch Abkühlen kondensiert, unterkühlt, entspannt, in einem ersten Wärmetauscher erwärmt, dabei insbesondere vollständig verdampft, und anschließend erneut der Verdichtung unterworfen. Die Unterkühlung des ersten Gemischkältemittels kann insbesondere in dem ersten Wärmetauscher erfolgen, die vorige Abkühlung in einem weiteren Wärmetauscher. Ferner wird das zweite Gemischkältemittel insbesondere gasförmig einer Verdichtung unterworfen, durch Abkühlen kondensiert unterkühlt, entspannt, in einem zweiten Wärmetauscher erwärmt, dabei insbesondere vollständig verdampft, und anschließend erneut der Verdichtung unterworfen. Die Unterkühlung des zweiten Gemischkältemittels kann insbesondere in dem zweiten Wärmetauscher erfolgen, die vorige Abkühlung in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher.

Die Abkühlung des Kopfprodukts aus der Gegenstromabsorption kann insbesondere zumindest teilweise unter Verwendung des zweiten Gemischkältemittels erfolgen, das zuvor in dem zweiten Abkühlschritt eingesetzt wurde. Es wird dazu aus einem in dem zweiten Abkühlschritt verwendeten Wärmetauscher entnommen und durch einen separaten Wärmetauscher geführt, der zur Abkühlung des Kopfprodukts aus der Gegenstromabsorption, oder eines entsprechenden Teils, dient.

Der erste und der zweite Wärmetauscher sind insbesondere als gewickelte Wärmetauscher (engl. Coil Wound Heat Exchanger, CWHE) an sich bekannter Art ausgeführt, wobei die Erwärmung der Gemischkältemittel nach deren Entspannung insbesondere mantelseitig, d.h. in einem die Wärmetauscherrohre enthaltenden bzw. umgebenden Mantelraum erfolgt, in den das Gemischkältemittel entspannt wird. Die abzukühlenden Medien werden rohrseitig, d.h. durch die entsprechend bereitgestellten Wärmetauscherrohre, geführt. Die Wärmetauscherrohre sind in entsprechenden Wärmetauschern in Bündeln bereitgestellt, so dass für eine entsprechende Stromführung hier der Begriff "rohrseitig" bzw. "(rohr)bündelseitig" verwendet wird. Der erste Abkühlschritt, dem das Einsatzerdgas unterworfen wird, wird insbesondere unter Verwendung des ersten Wärmetauschers vorgenommen, der zweite Abkühlschritt, dem die Gasfraktion aus dem Gegenstromabsorber unterworfen wird, wird insbesondere unter Verwendung des zweiten Wärmetauschers vorgenommen.

Verfahren zur Erdgasverflüssigung müssen flexibel an unterschiedliche Anlagenkapazitäten und Betriebsbedingungen anpassbar sein. Die erläuterten Verfahren unter Verwendung von zwei Gemischkältemittelkreisläufen werden vorzugsweise eingesetzt, wenn große Umgebungstemperaturschwankungen zu deutlich unterschiedlichen Kältemittelkondensationsbedingungen führen. Diese können effizienter berücksichtigt werden, wenn ein Gemisch aus Kältemittelkomponenten anstelle einer einzigen reinen Komponente wie Propan verwendet wird.

Propan gilt aufgrund der Kombination aus hoher Flüchtigkeit und hohem Molekulargewicht als ein gefährliches Kältemittel, da es sich sich in tiefergelegenen Bereichen sammeln und ggf. zu Explosionen führen kann. Daher sind Verfahren unter Verwendung von zwei Gemischkältemittelkreisläufen und entsprechend reduziertem Propananteil darin, wie sie erfindungsgemäß zum Einsatz kommen, eine bevorzugte Lösung für Anlagenlayouts mit beschränktem Bauraum, z.B. modularisierte Anlagen und/oder schwimmende Anlagen, bei denen die Grundfläche begrenzt ist. Ein kompaktes Anlagenlayout (z.B. obligatorisch für Offshore-Installationen) kann durch Minimierung der Anzahl von Anlagenkomponenten und durch Reduzierung des Raums zwischen den Anlagen erreicht werden, der durch Sicherheitsaspekte bestimmt sein kann. Zu den bekanntermaßen gefährlichen Anlagenkomponenten gehören Pumpen für flüssige Kohlenwasserstoffe (Gefahr von Leckage und Flüssigkeitsaustritt) und alle Arten von Geräten, die erhebliche Mengen an flüssigem Propan enthalten.

Die bereits kurz angesprochenen Aspekte der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend nochmals mit anderen Worten zusammengefasst.

Das in der ersten Fraktionierung gebildete Kopfprodukt enthält vorteilhafterweise Ethan und Propan, wobei zumindest ein Teil des in der ersten Fraktionierung gebildeten Kopfprodukts unter Erhalt eines Kondensats teilkondensiert wird, und wobei das Kondensat teilweise oder vollständig als Rücklauf in der Gegenstromabsorption verwendet wird. Der Vorteil besteht insbesondere darin, dass auf diese Weise die Gegenstromabsorption unterstützt werden kann, wenn kein weiteres Produkt aus dem in der ersten Fraktionierung gebildeten Kopfprodukt gewonnen werden soll. Die Teilkondensation kann insbesondere eine Abkühlung unter Verwendung des ersten Gemischkältemittels umfassen, das hierzu in Form eines Teilstroms in einem weiteren Wärmetauscher bzw. Kopfkondensator eingesetzt werden kann.

Das Kondensat, das bei der Teikondensation zumindest eines Teils des in der ersten Fraktionierung gebildeten Kopfprodukts erhalten wird, kann in einer abweichenden Ausgestaltung oder in einem ersten Betriebsmodus zu einem ersten Anteil als Rücklauf in der Gegenstromabsorption verwendet und zu einem zweiten Anteil einer dritten Fraktionierung unterworfen werden, in der ein an Propan armes und Ethan enthaltendes Kopfprodukt und ein an Ethan armes und Propan enthaltendes Sumpfprodukt gebildet werden. Auf diese Weise lässt sich bei Bedarf ein Ethan enthaltendes Kältemittel, insbesondere die erwähnten ersten und zweiten Gemischkältemittel, bereitstellen. Insbesondere kann ein Teilstrom des ersten Gemischkältemittels zur Kopfkühlung in der dritten Fraktionierung verwendet werden.

Das erste und das zweite Gemischkältemittel können insbesondere unter Verwendung eines gemeinsamen Antriebs oder von getrennten Antrieben beliebiger Art verdichtet werden, und der erste Abkühlschritt kann die Verwendung eines ersten Wärmetauschers und der zweite Abkühlschritt die Verwendung eines zweiten Wärmetauschers umfassen. Insbesondere umfasst das erste Gemischkältemittel zu einem weit überwiegenden Anteil Ethan und Butan bzw. deren gesättigte und ungesättigte Derivate, das zweite Gemischkältemittel zu einem weit überwiegenden Anteil Stickstoff, Methan und Ethan sowie deren Derivate. Es können jeweils Spuren von anderen Verbindungen, insbesondere leichteren und/oder schwereren Kohlenwasserstoffen enthalten sein.

Als Einsatzerdgas kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Gasgemisch verwendet werden, das 75 bis 98 Molprozent Methan, 2 bis 20 Molprozent Ethan, 0,5 bis 5 Molprozent Propan, 0,3 bis 3 Molprozent Butan und 0,1 bis 2 Molprozent Pentan und höhere Kohlenwasserstoffe aufweist.

Die Gegenstromabsorption kann im Rahmen der Erfindung insbesondere auf einem Druckniveau von 40 bis 70 bar und/oder einem Temperaturniveau am Kopf von -30 bis -60 °C, die erste Fraktionierung auf einem Druckniveau von 10 bis 25 bar und/oder einem Temperaturniveau am Kopf von 20 bis 60 °C, die zweite Fraktionierung auf einem Druckniveau von 3 bis 7 bar und/oder einem Temperaturniveau am Kopf von 20 bis 60 °C und/oder die dritte Fraktionierung auf einem Druckniveau von 20 bis 30 bar und/oder einem Temperaturniveau am Kopf von -20 bis -50 °C durchgeführt werden. Dadurch ergibt sich lediglich zwischen der dritten und der ersten Fraktionierung eine Drucksteigerung, die entsprechend durch Verdichtung bzw. Pumpen überwunden werden muss. Bei allen übrigen Überführungen zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten kann auf Pumpen und Verdichter verzichtet werden, da jeweils eine Entspannung erfolgt.

Zu der erfindungsgemäß bereitgestellten Vorrichtung und ihren Merkmalen sei auf den entsprechenden unabhängigen Vorrichtungsanspruch und die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens ausdrücklich verwiesen, da diese eine entsprechende Vorrichtung in gleicher weise betreffen. Entsprechendes gilt insbesondere für eine Ausgestaltung einer entsprechenden Vorrichtung, die vorteilhafterweise zur Ausführung eines entsprechenden Verfahrens in einer beliebigen Ausgestaltung eingerichtet ist. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren, die eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik veranschaulichen, weiter erläutert.

Kurze Beschreibung der Figuren

Figur 1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Anlage zur Veranschaulichung des Hintergrunds der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage in schematischer Darstellung.

In der folgenden weiteren Beschreibung werden nicht erfindungsgemäße und gemäß Ausgestaltungen der Erfindung ausgebildete Anlagen und anhand dieser entsprechende Verfahrensschritte beschrieben. Der Einfachheit halber, und zur Vermeidung von Wiederholungen, werden hier für Verfahrensschritte und Anlagenkomponenten (beispielsweise einen Abkühlschritt und einen hierzu verwendeten Wärmetauscher) dieselben Bezugszeichen und Erläuterungen verwendet.

Ausführliche Beschreibung der Figuren

Einer nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Anlage zur Erdgasverflüssigung, wie sie in Figur 1 dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet ist, wird Einsatzerdgas NG zugeführt, welches zunächst in zwei Teilströme aufgeteilt wird. Ein erster Teilstrom wird in einem ersten Wärmetauscher E01 , der insbesondere als gewickelter Wärmetauscher ausgebildet sein kann, in einem ersten Abkühlschritt auf ein erstes Temperaturniveau von beispielsweise -20 °C bis -70 °C abgekühlt und anschließend in etwa mittig in einen Gegenstromabsorber T01 eingespeist.

In einen unteren Bereich des Gegenstromabsorbers T01 wird ferner der zweite Teilstrom des Einsatzerdgases NG, der über ein Ventil V6 entspannt wird, eingespeist, welcher dort im Wesentlichen gasförmig aufsteigt. Aus einem oberen Bereich des Gegenstromabsorbers T01 wird Gas abgezogen, das in einem Kopfkondensator E02, der beispielsweise als Plattenwärmetauscher ausgebildet sein kann, abgekühlt und in einen Kopfraum des Gegenstromabsorbers T01 eingespeist wird. Sich hier abscheidende Flüssigkeit wird als Rücklauf auf den Gegenstromabsorber T01 zurückgeführt und wäscht schwerere Komponenten aus dem Einsatzerdgas aus, die in eine Sumpfflüssigkeit des Gegenstromabsorbers T01 übergehen.

Die Sumpfflüssigkeit des Gegenstromabsorbers T01 kann über ein Ventil V05 entspannt und als Schwerfraktion HHC (engl. heavy hydrocarbons) aus der Anlage 100 ausgeführt werden. Ein Kopfgas des Gegenstromabsorbers T01 , also eine methanreiche Gasfraktion, wird hingegen in einen zweiten Wärmetauscher E04, der ebenfalls als gewickelter Wärmetauscher ausgebildet sein kann, auf eine Verflüssigungstemperatur abgekühlt und nach Entspannung über ein Ventil als Flüssigerdgas LNG aus der Anlage 100 ausgeführt.

Die Anlage 100 umfasst zwei Gemischkältemittelkreisläufe. In einem ersten Gemischkältemittelkreislauf WMRC wird ein erstes ("warmes") Gemischkältemittel WMR gasförmig einer einstufigen Verdichtung in einem Verdichter C1 unterworfen und in einem Luftkühler und/oder Wasserkühler E3 nachgekühlt und dadurch kondensiert. Kondensat kann in einem Abscheidebehälter D1 gewonnen werden. Dieses wird in dem ersten Wärmetauscher E01 zunächst rohrbündelseitig weiter abgekühlt, dann über ein Ventil V1 entspannt und in den Mantelraum des ersten Wärmetauschers E1 eingespeist, wo es erwärmt, vollständig verdampft und anschließend erneut der Verdichtung unterworfen wird.

In diesem nicht erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Verdichtung des ersten Gemischkältemittels insbesondere in dem einstufigen Verdichter C1 ohne Zwischenkühlung, um ein Risiko einer teilweisen Kondensation zu senken und eine Notwendigkeit der Förderung des Kondensats auf die Hochdruckseite des Verdichters zu vermeiden.

Ferner wird in der Anlage 100 ein zweites ("kaltes") Gemischkältemittel CMR in einem zweiten Gemischkältemittelkreislauf CMRC gasförmig einer stufenweisen Verdichtung in Verdichtern LP C2 und HP C2 unterworfen und jeweils, beispielsweise in Luftkühlern und/oder Wasserkühlern E5 und E6, nachgekühlt. Eine weitere Abkühlung erfolgt rohrbündelseitig in dem ersten Wärmetauscher E01 und danach in dem zweiten Wärmetauscher E04. Nach einer anschließenden Entspannung in einem Ventil erfolgt eine Einspeisung in einen Pufferbehälter D2. Hieraus abgezogenes Kondensat wird über ein Ventil entspannt und mantelseitig in den zweiten Wärmetauscher E04 eingespeist und dort erwärmt und vollständig verdampft. Das gasförmige zweite Gemischkältemittel CMR wird, bevor es erneut der Verdichtung unterworfen wird, als Kältemittel in dem bereits erwähnten Kopfkondensator E02 eingesetzt.

Durch eine Installation des Kopfkondensators E02, der unter Verwendung von Kälte des zweiten Gemischkältemittels CMR betrieben wird, welches den zweiten Wärmetauscher E04 dampfförmig verlässt, oberhalb des Gegenstromabsorbers T01 kann auf eine Rücklaufpumpe verzichtet werden. Der aus dem Gas aus dem Gegenstromabsorber T01 gebildete Rücklauf wird hingegen rein durch Schwerkraftwirkung auf den Gegenstromabsorber T01 zurückgeführt.

Entgegen dem soeben erläuterten nicht erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Gemischkältemittel verfahrensintern gewonnen. Hierbei wird jedoch im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren auf zumindest eine Trennsäule verzichtet, was den erforderlichen Bauraum erheblich reduziert. Auf Propan in den Gemischkältemitteln wird aus den eingangs erläuterten Gründen weitgehend verzichtet. Diese Vorteile werden durch die vorgeschlagenen erfindungsgemäßen Maßnahmen und entsprechende vorteilhafte Ausgestaltungen erzielt. In dem Einsatzerdgas NG vorhandenes Propan kann insbesondere in das Flüssigerdgas LNG überführt werden, ohne dafür speziell abgetrennt zu werden.

In Figur 2 ist eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anlage vereinfacht dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet.

Zusätzlich zu den in Bezug auf Figur 1 beschriebenen Komponenten der Anlage 100 weist die Anlage 200 drei Trennkolonnen T11 , T12, T13 auf, die jeweils zur Durchführung einer fraktionierten Destillation zumindest eines Teils der aus dem Gegenstromabsorber T01 abgezogenen Sumpfprodukts eingerichtet sind.

Die bereits beschriebenen Komponenten werden hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht mehr näher erläutert. Es ist dabei anzumerken, dass die beiden Gemischkältemittel CMR und WMR in voneinander getrennten Kreisläufen WMRC und CMRC geführt werden, die in Figur 2 jeweils zu einem Block zusammengefasst dargestellt sind. Die konkrete Ausgestaltung dieser Kreisläufe kann von der in Bezug auf Figur 1 erläuterten Ausgestaltung abweichen. Entscheidend ist hierbei jedoch insbesondere, wie auch in der Anlage 100, dass das erste Gemischkältemittel WMR auf einem Arbeits-Temperaturniveau im Bereich von -30 °C bis -60 °C bevorzugt von -40 °C bis -50 °C, in den ersten Wärmetauscher E01 eingespeist wird und das zweite Gemischkältemittel auf einem Arbeits-Temperaturniveau im Bereich von -140 °C bis -165 °C, bevorzugt von -150 °C bis -160 °C, in den zweiten Wärmetauscher E04 eingespeist wird. Zur Bereitstellung des jeweiligen Gemischkältemittels CMR, WMR kommen prinzipiell alle bekannten Verfahren in Betracht, beispielsweise eine Kombination aus Verdichtung, Kühlung und Entspannung, insbesondere in Form einer herkömmlichen Kältemaschine.

Ein funktional dem Pufferbehälter D2, wie er in Bezug auf Fig. 1 beschrieben wurde, entsprechender Puffer zur Vorhaltung des zweiten Gemischkältemittels kann als Niederdruck-Pufferbehälter D05 oder als Hochdruck-Pufferbehälter D05' ausgebildet sein. Der Hochdruck-Pufferbehälter D05' hat dabei den Vorteil, weniger Bauraum einzunehmen, während der Niederdruck-Pufferbehälter D05 weniger widerstandsfähig und daher gegebenenfalls leichter ausgeführt sein kann, allerdings zur Vermeidung einer Pumpe über dem Wärmetauscher E04 installiert werden muss.

Das Einsatzerdgas NG, das hier explizit Methan und zumindest Ethan, Propan, Butan und Pentan als höhere Kohlenwasserstoffe enthält, wird wie zuvor, jedoch im dargestellten Beispiel vollständig, d.h. ohne Aufteilung in Teilströme, in einem ersten Abkühlschritt in dem ersten Wärmetauscher E01 unter Verwendung eines ersten Gemischkältemittels WMR im Wesentlichen wie zuvor auf ein erstes Temperaturniveau abgekühlt. Das Einsatzerdgas NG wird nach dem ersten Abkühlschritt in dem ersten Wärmetauscher E01 zumindest zum Teil unter Verwendung einer im Wesentlichen wie zuvor bereitgestellten Absorptionsflüssigkeit einer Gegenstromabsorption in dem Gegenstromabsorber T01 unterworfen, wobei eine an den höheren Kohlenwasserstoffen abgereicherte Gasfraktion gebildet wird.

Die Absorptionsflüssigkeit wird also auch hier aus einem weiteren Teil der in dem Gegenstromabsorber T01 gebildeten Gasfraktion gebildet. Diese wird oberhalb des Gegenstromabsorbers T01 kondensiert und in den Gegenstromabsorber T01 zurückgeführt. Ein Teil der in der in dem Gegenstromabsorber T01 gebildeten Gasfraktion wird in einem zweiten Abkühlschritt in dem Wärmetauscher E04 unter Verwendung des zweiten Gemischkältemittels CMR auf ein zweites Temperaturniveau abgekühlt und zu dem Flüssigerdgas LNG verflüssigt.

Im Betrieb der Anlage 200 wird der Sumpfstrom des Gegenstromabsorbers T01 zumindest teilweise zunächst einer ersten Fraktionierung T11 (Depropaniser) unterworfen, in der ein an Propan und leichteren Komponenten angereichertes Kopfgemisch und ein an Komponenten, die höher als Propan sieden, insbesondere an Butan, angereichertes Sumpfgemisch gebildet wird. Dazu ist die Trennkolonne T11 , wie auch alle anderen Trennkolonnen T01 , T12, T13 der Anlage 200, mit geeigneten Einbauten ausgestattet und wird vorzugsweise bei einem Druckniveau im Bereich von 10 bis 25 bar, bevorzugt 15 bis 20 bar, betrieben.

Unter den genannten Voraussetzungen weist das in der Gegenstromabsorption T01 gebildete Sumpfprodukt Ethan, Propan, Butan und Pentan sowie ggf. höhere Kohlenwasserstoffe auf und wird zumindest zum Teil einer ersten Fraktionierung in der Trennkolonne T11 unterworfen, in der ein an Propan armes und Butan und Pentan enthaltendes Sumpfprodukt sowie ein Kopfprodukt gebildet werden.

Aus einem Rücklaufsammler D11 , in den zumindest das Kopfprodukt der ersten Fraktionierung T11 eingespeist wird, wird vorteilhafterweise eine Propan und Ethan sowie ggf. leichter siedende Kohlenwasserstoffe enthaltende Fraktion gasförmig entnommen, in dem ersten Wärmetauscher E01 gegen verdampfendes erstes Gemischkältemittel WMR abgekühlt und dabei teilkondensiert. Die dabei gebildete Flüssigkeit wird vorteilhafterweise in einem Abscheider D13 abgetrennt und in einem Normalbetrieb, insbesondere vollständig, der Gegenstromabsorption T01 als Rücklauf aufgegeben.

Das Sumpfprodukt der ersten Fraktionierung T 11 wird zumindest zum Teil einer zweiten Fraktionierung in der zweiten Trennkolonne T12 unterworfen, in der ein an Propan armes und Butan enthaltendes Kopfprodukt sowie ein Sumpfprodukt gebildet werden, und das in der zweiten Fraktionierung in der zweiten Trennkolonne T12 gebildete Kopfprodukt wird zumindest zum Teil zu dem ersten Gemischkältemittel WMR zugegeben. Genauer wird das Kopfprodukt der zweiten Trennkolonne T12 in dem Kopfkondensator der zweiten T rennkolonne T 12 kondensiert und dieser zumindest teilweise als Rücklauf aufgegeben werden. Das kondensierte Kopfprodukt kann in einem Kondensatsammler D12, beispielsweise zur Verwendung als Makeup C4 MA für das erste Gemischkältemittel WMR oder zur Rückführung in den Gegenstromabsorber T01 , gesammelt werden.

Um zusätzlich Ethan, beispielsweise als Makeup C2 MA für einen weiteren Kältemittelkreislauf, zu gewinnen, wird bei Bedarf, d.h in einem entsprechenden Betriebsmodus, vorteilhafterweise eine Teilmenge (beispielsweise 10-80%, vorzugsweise 30-50%) der in dem Abscheider D13 gesammelten Flüssigkeit einer dritten Fraktionierung T13 (Deethaniser) unterworfen. Aus dieser kann unterhalb des Kopfkondensators ein propanarmes, Ethan enthaltendes Fluid entnommen werden. Da die dritte Fraktionierung T13 bei einem gegenüber der ersten Fraktionierung T11 höheren Druck betrieben wird, erfolgt die Einspeisung über eine Pumpe und Stoffströme können direkt in die erste Fraktionierung T 11 zurückgespeist bzw. dem teilkondensierten Kopfprodukt der ersten Fraktionierung T 11 zugemischt werden.

Letztlich wird dementsprechend ein Großteil des in dem Einsatzerdgas NG enthaltenen Methans, Ethans und Propans in das Flüssigerdgas LNG überführt, wobei ein Teil des Ethans als Kältemittel gewonnen werden kann. Schwerere Komponenten des Einsatzerdgases NG werden gesondert abgetrennt, wobei wiederum Butan als Ausgangsstoff für das erste Gemischkältemittel WMR gewonnen werden kann. Insgesamt ist festzuhalten, dass entgegen Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, zumindest eine Trennkolonne eingespart werden kann, die herkömmlicherweise zur Abtrennung eines methanreichen Stroms aus dem teilweise verflüssigten Einsatzerdgas NG verwendet wird.