Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, wobei die Abkühlung und Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion im indirekten Wärmetausch gegen das Kältemittelgemisch eines

Kältemittelgemischkreislaufes erfolgt, das Kältemittelgemisch wenigstens zweistufig verdichtet und nach jeder Verdichtungsstufe in eine gasförmige und eine flüssige Fraktion aufgetrennt wird, wobei die gasförmige Fraktion der letzten Verdichtungsstufe auf das niedrigste Temperaturniveau abgekühlt wird, während die flüssige Fraktion der oder zumindest einer der Zwischenverdichtungsstufen auf ein oberhalb des niedrigsten Temperaturniveaus liegendes Temperaturniveau abgekühlt wird.

Bei Erdgasverflüssigungsprozessen mit Produktionsraten von 30.000 bis 3 Mio. jato LNG kommen oftmals Gemischkreisläufe mit lediglich einem Kreislaufverdichter - diese werden auch als SMR(Single Mixed Refrigerant)-Prozesse bezeichnet - zur Anwendung.

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

Der für diesen Verflüssigungsprozess erforderliche Kreislaufverdichter weist zwei Verdichtungsstufen V1 und V2 auf. Das in der ersten Verdichtungsstufe V1 verdichtete Kältemittelgemisch - üblicherweise erfolgt eine Verdichtung auf 10 bis 40 bar, vorzugsweise 15 bis 25 bar - wird im Nachkühler bzw. Wärmetauscher E1 vorzugsweise gegen Umgebungsluft oder Wasser teilkondensiert und über Leitung 1 einem Abscheider D1 zugeführt. In diesem erfolgt eine Auftrennung in eine gasförmige sowie eine flüssige Fraktion. Die gasförmige Fraktion wird über Leitung 2 der zweiten Verdichterstufe V2 zugeführt und in dieser auf den gewünschten Enddruck, der üblicherweise zwischen 25 und 80 bar, vorzugsweise zwischen 30 und 50 bar liegt, verdichtet. Auch der zweiten Verdichtungsstufe V2 ist ein Nachkühler E2 nachgeordnet, in dem die verdichtete Kältemittelfraktion vorzugsweise gegen Umgebungsluft oder Wasser abgekühlt wird. Über Leitung 4 wird diese Kältemittelfraktion anschließend einem weiteren Abscheider D2 zugeführt.

Die am Kopf des Abscheiders D2 über Leitung 5 abgezogene gasförmige Kältemittelfraktion wird dem Hauptwärmetauscher E zugeführt, in diesem gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt und am kalten Ende des Wärmetauschers E über Leitung 7 abgezogen. Der Wärmetauscher E ist vorzugsweise als Mehrstromwärmetauscher, insbesondere als Plattenwärmetauscher oder gewickelter Wärmetauscher ausgebildet.

Über Leitung 20 wird die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion, bei der es sich beispielsweise um einen Erdgasstrom handelt, dem Wärmetauscher E zugeführt. Nach erfolgter Verflüssigung wird der verflüssigte Produktstrom über Leitung 21 aus dem Wärmetauscher E abgezogen und seiner weiteren Verwendung oder einer Zwischenlagerung zugeführt.

Die über Leitung 7 aus dem Wärmetauscher E abgezogene Kältemittelfraktion wird im Ventil a kälteleistend entspannt und über die Leitung 8 im Gegenstrom zu der abzukühlenden und zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 20 durch den Wärmetauscher E geführt. Über die Leitungsabschnitte 8 und 8 ¹ wird diese Kältemittelfraktion anschließend der ersten Verdichtungsstufe V1 zugeführt.

Die aus dem Sumpf des Abscheiders D1 über Leitung 3 abgezogene Flüssigfraktion wird nach Abkühlung im Wärmetauscher E über Leitung 9 aus diesem abgezogen, im Ventil b kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung 10 im Gegenstrom zu der abzukühlenden und zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion durch den Wärmetauscher E geführt. Anschließend wird diese Kältemittelfraktion der zuvor beschriebenen Kältemittelfraktion in der Leitung 8 beigemischt und gemeinsam mit dieser über Leitung 8' der ersten Verdichtungsstufe V1 zugeführt.

Die im Sumpf des zweiten Abscheiders D2 anfallende Flüssigfraktion wird im Ventil c kälteleistend auf den Druck des ersten Abscheiders D1 entspannt und vor diesen zurückgeführt. Die über Leitung 3 aus dem Abscheider D1 abgezogene flüssige Kältemittelfraktion liegt üblicherweise im Siedezustand vor. Eine siedende Kältemittelflüssigkeit erleidet jedoch in der Regel einen Druckverlust durch Reibung und/oder aufgrund einer steigenden Rohrleitungsführung. Dieser Druckverlust führt zwangsweise zu einem teilweisen Ausgasen leichter Bestandteile dieser Kältemittelfraktion. Es kommt daher zu der unerwünschten Ausbildung einer Zweiphasenströmung. Dies kann zu instabilen Strömungsverhältnissen in den Rohrleitungen und/oder zu Fehlverteilungen - hierunter sind ungleiche Anteile von Gas und Flüssigkeit in parallelen Strömungswegen, beispielsweise von Wärmetauschern, zu verstehen - in den nachfolgenden Apparaten führen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die flüssige Fraktion, die auf ein oberhalb des niedrigsten Temperaturniveaus liegendes Temperaturniveau abgekühlt wird, vor dem indirekten Wärmetausch mit der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion abgekühlt wird.

Aufgrund der erfindungsgemäß vorzusehenden Ab- bzw. Unterkühlung der flüssigen Kältemittelfraktion können die Entstehung eines Zweiphasenstromes und die mit ihm verbundenen Nachteile wirkungsvoll vermieden werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass

die flüssige Fraktion, die auf ein höheres Temperaturniveau abgekühlt wird, vor dem indirekten Wärmetausch mit der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff- reichen Fraktion auf eine Temperatur abgekühlt wird, die zwischen 2 und 15 ⁰ C, vorzugsweise zwischen 4 und 7 ⁰ C, unterhalb der Temperatur, die das verdichtete Kältemittelgemisch bei der Auftrennung in eine gasförmige und eine flüssige Fraktion aufweist, liegt,

die Abkühlung der flüssigen Fraktion, die auf ein höheres Temperaturniveau abgekühlt wird, im indirekten Wärmetausch gegen die oder eine siedende Fraktion, die aus der einer nachfolgenden Verdichtungsstufe nachgeschalteten Auftrennung in eine gasförmige und eine flüssige Fraktion stammt, erfolgt,

- der Wärmetausch zwischen der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen

Fraktion und dem Kältemittelgemisch in einem Mehrstromwärmetauscher, der vorzugsweise als Plattenwärmetauscher oder gewickelter Wärmetauscher ausgebildet ist, erfolgt und

- zumindest zeitweilig wenigstens ein Teilstrom derjenigen Fraktion, die auf das niedrigste Temperaturniveau abgekühlt wird, entspannt und der entspannten Flüssigfraktion derjenigen Fraktion, die auf ein oberhalb des niedrigsten Temperaturniveaus liegendes Temperaturniveau abgekühlt wird, zugemischt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Bei der Beschreibung des in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispieles wird nachfolgend lediglich auf die Unterschiede zu der in der Figur 1 dargestellten Verfahrensführung eingegangen.

Erfindungsgemäß ist nunmehr ein Wärmetauscher E3 vorgesehen, der einen Wärmeaustausch zwischen den beiden aus den Abscheidern D1 und D2 über die Leitungen 3 und 6 abgezogenen Flüssigfraktionen ermöglicht. Da die über Leitung 6 aus dem Abscheider D2 abgezogene Flüssigfraktion im Ventil c auf den Druck des Abscheiders D1 entspannt wird, kühlt sich die Flüssigfraktion durch Teilverdampfung auf eine Temperatur ab, die unterhalb der in den Nachkühlern E1 und E2 erreichbaren Prozesstemperatur liegt. Die derart abgekühlte, nach dem Ventil c in der Leitung 6 vorliegende Flüssigfraktion kühlt bzw. unterkühlt nunmehr im Wärmetauscher E3 die über Leitung 3 aus dem Abscheider D1 abgezogene Flüssigfraktion. Hierbei erfolgt eine Ab- bzw. Unterkühlung der Flüssigfraktion 3 um 2 bis 15 ⁰ C, vorzugsweise um 4 bis 7 ⁰ C, unter der in den Nachkühlern E1 und E2 erreichbaren Prozesstemperatur.

Die derart abgekühlte, über Leitung 3 aus dem Abscheider D1 abgezogene Flüssigfraktion kann nunmehr dem Wärmetauscher E zugeführt und durch ihn geführt werden, ohne dass die eingangs beschriebenen nachteiligen Effekte auftreten.

Der Wärmetauscher E3 ist vorzugsweise als Gegenstromwärmetauscher, beispielsweise als Geradrohrtauscher, ausgebildet. In vorteilhafter weise wird in der Praxis der Wärmetauscher E3 derart angeordnet, dass er unterhalb des Ventils c und oberhalb des Abscheiders D1 angeordnet ist. Dieses Gefälle zwischen Ventil c, Wärmetauscher E3 und Abscheider D1 führt dazu, die Zweiphasenströmung des Stromes 6 nach Entspannung im Ventil c stabil zu halten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion weiterbildend wird vorgeschlagen, zumindest zeitweilig wenigstens einen Teilstrom derjenigen Fraktion, die auf das niedrigste Temperaturniveau abgekühlt wird, zu entspannen und der entspannten Flüssigfraktion derjenigen Fraktion, die auf ein oberhalb des niedrigsten Temperaturniveaus liegendes Temperaturniveau abgekühlt wird, zuzumischen. Eine derartige Verfahrensführung wird bspw. dadurch realisiert, dass über die Leitungen 11 und/oder 12 Kältemittelgemisch-Teilströme am kalten Ende des Wärmetausches E bzw. bei einer geeigneten Zwischentemperatur abgezogen, im Ventil d bzw. e entspannt und der entspannten Flüssigfraktion 9 zugemischt werden. Eine geeignete Zwischentemperatur liegt dann vor, wenn die Kältemittelfraktion 5 eine Unterkühlung von wenigstens 5 ⁰ C ₁ vorzugsweise von wenigstens 10 ⁰ C gegenüber dem Siedezustand aufweist. In der Praxis wird in den meisten Fällen entweder Ventil d oder e vorgesehen werden. Eine derartige Verfahrensführung ermöglicht es, die Regelung der Temperatur bzw. des Temperaturprofils im Wärmetausches E zu verbessern.

Die in der Figur 2 dargestellte Ausführungsform hat aufgrund der bei ihr realisierten Integration der Unterkühlung der Flüssigfraktion 3 in die Verdichtung V1/V2 den Vorteil, dass eine Temperatur der Flüssigfraktion 3 vor der Zuführung in den Wärmetauscher E erreicht werden kann, die unterhalb derjenigen Temperatur liegt, die im Falle einer Abkühlung gegen Umgebungsluft oder Kühlwasser realisierbar wäre, ohne dass es hierzu einer zusätzlichen Kühlung durch eine separate Kälteanlage und/oder durch einen anderen kalten Prozessstrom bedarf.

Die in der Figur 2 dargestellte Verfahrensweise ermöglicht die wünschenswerte Trennung zwischen der im Wärmetauscher E3 realisierten Unterkühlung des Kältemittels 3 und dem Betrieb anderer Anlagenteile. Diese Trennung ist insbesondere beim Anfahren des Verflüssigungsprozesses von Bedeutung, da kalte Prozessströme üblicherweise erst nach dem Anfahren des Prozesses verfügbar sind, somit also nicht von Anfang an zur Unterkühlung herangezogen werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion ermöglicht bei geringem konstruktiven Mehraufwand - es ist lediglich ein zusätzlicher Wärmetauscher E3 vorzusehen - die Beseitigung der eingangs beschriebenen Probleme, wie sie bei den zum Stand der Technik zählenden Verflüssigungsprozessen auftreten.