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 vor ihrer Verflüssigung vorgekühlt, einer Wasserabtrennung und einem daran anschließenden Trocknungsprozess unterworfen und

die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion gegen wenigstens einen

Gemischkältekreislauf verflüssigt wird,

- wobei das in dem Gemischkältekreislauf zirkulierende Kältemittel wenigstens zweistufig verdichtet, anschließend wenigstens partiell kondensiert und die dabei anfallende Flüssigfraktion zumindest teilweise dem auf einen

Zwischendruck verdichteten Kältemittel zugemischt wird und

wobei ein Teilstrom der Flüssigfraktion der Vorkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor deren Zuführung in die

Wasserabtrennung dient.

Zur Verflüssigung Kohlenwasserstoff-reicher Gasfraktionen, insbesondere Erdgas, werden unter anderem 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. Da bei einem (nicht azeotropen) Gemisch die Tautemperatur bei gegebenem Druck immer oberhalb der Siedetemperatur liegt, findet die Kältemittelverdampfung je nach Zusammensetzung gleitend über einen Temperaturbereich statt, der sich je nach Verfahren über wenigstens 20 °C, teilweise sogar über 200 °C erstreckt.

Wenn die Investitionskosten für eine Erdgasverflüssigungsanlage niedrig gehalten werden sollen, wird ausschließlich ein Gemischkreislauf der vorbeschriebenen Art für den gesamten Temperaturbereich zwischen Umgebungstemperatur 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 DE 197 22 490 bekannt.

Vor der Verflüssigung wird das Erdgas in der Regel mittels einer chemischen Wäsche, bspw. einer Aminwäsche, von Sauergaskomponenten wie C0 ₂ und H ₂ S gereinigt. Dadurch wird das Erdgas mit Wasser(dampf) gesättigt. Um eine wirtschaftliche Auslegung der anschließenden Trocknung - diese basiert in der Regel auf Adsorption an einem zeolithischem Molekularsieb - zu erreichen, wird das Erdgas möglichst weit abgekühlt und durch partielle Wasserkondensation sowie anschließende

Wasserabscheidung in der Wasserkonzentration soweit abgesenkt, bis die drohende Bildung von Hydraten oder Wassereis eine Grenze setzt. Diese Grenze wird je nach Gaszusammensetzung bei einer Temperatur bis zu 20 °C erreicht.

Unter vielen klimatischen Bedingungen ist es nicht möglich, das Erdgas gegen Luft und/oder Kühlwasser hinreichend nahe (höchstens 10 °C, vorzugsweise 5 °C über der Hydrattemperatur) an die vorgenannte Grenztemperatur abzukühlen.

In der DE 10 2006 021 620 wird deshalb eine Weiterbildung des in der DE 197 22 490 offenbarten Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, bei dem ein Teilstrom der Flüssigfraktion des Kältemittels der

Vorkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor deren Zuführung in die Wasserabtrennung dient.

Gemischkältemittel sind jedoch aufgrund der gleitenden Verdampfung wenig geeignet, um die optimale Temperatur des feuchten Erdgases vor der Trocknung auf

wirtschaftliche Weise möglichst genau zu erreichen, ohne gleichzeitig zumindest in Teilen des verwendeten Wärmetauschers die Hydrattemperatur zu unterschreiten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das es ermöglicht, die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion ohne Verwendung eines vollständigen Vorkühlkreislaufs, d. h. ohne einen zusätzlichen Verdichter, vor der Trocknung vorzukühlen. Insbesondere soll die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion auf eine Temperatur von höchstens 10 °C, vorzugsweise höchstens 5 °C über der Hydrattemperatur vorgekühlt werden, ohne dass die feuchte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion mit Temperaturen unterhalb des Hydratpunktes in thermischen Kontakt kommt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass der Wärmeaustausch zwischen der Flüssigfraktion und der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion über wenigstens ein Wärmeaustauschsystem erfolgt.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion weiterbildend wird vorgeschlagen, dass ein Teilstrom der Flüssigfraktion des Kältemittels auf einen Druck wenigstens 0,3 bar, vorzugsweise wenigstens 0,7 bar oberhalb des Saugdrucks der zweiten bzw. letzten Verdichterstufe entspannt und lediglich der dabei anfallende Flüssiganteil für die Vorkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor deren Zuführung in die Wasserabtrennung verwendet wird.

Die Vorkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor ihrer Zuführung in die Wasserabtrennung erfolgt gegen einen Teilstrom, der bei der partiellen Kondensation des verdichteten Kältemittels anfallenden Flüssigfraktion. Hierbei wird erfindungsgemäß der Wärmeaustausch zwischen dieser Flüssigfraktion und der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion über ein

Wärmeaustauschsystem realisiert. Das Wärmeaustauschsystem dient dem indirekten Wärmeübergang zwischen der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion und dem gleitend verdampfenden Kältemittel. Unter dem Begriff "Wärmeaustauschsystem" sei jedes System zu verstehen, bei dem ein indirekter Wärmeübergang zwischen wenigstens zwei Medien mittels eines Wärmeträgerfluids erfolgt. Ein derartiges Wärmeaustauschsystem ist beispielsweise aus dem US-Patent 2, 1 19,091 bekannt.

Derartige Wärmeaustauschsysteme verwenden als Wärmeträgerfluid vorzugsweise einen siedenden, im Temperaturbereich zwischen 0 und 30 °C flüssig vorliegenden Reinstoff, bei dem es sich beispielsweise um Ethan, Ethylen, Propan, Propylen, Butan, Kohlendioxid oder Ammoniak handeln kann.

Das Wärmeaustauschsystem wird vorzugsweise aus zwei Geradrohrbündeln, zwei gewickelten Wärmetauschern, zwei Plattentauschern oder einer beliebigen

Kombination dieser Bauarten realisiert, wobei die vorgenannten

Wärmetauscherkomponenten vorzugsweise in einem Druckbehälter, der das siedende Wärmeträgerfluid enthält, eingebaut sind.

Durch geeignete Auswahl des Reinstoff-Wärmeträgerfluids sowie durch Regelung seines Betriebsdruckes und somit seiner Siedetemperatur kann die Kohlenwasserstoff- reiche Fraktion sehr nahe an die Hydrattemperatur abgekühlt werden, ohne mit einem unzulässig kalten Kältemittelstrom unmittelbar in thermischen Kontakt zu treten. Das Wärmeträgerfluid bewerkstelligt vergleichsweise effizient durch fortwährende

Kondensation an der Kältemittelseite und Verdampfung an der Seite der

Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion den angestrebten Wärmeumsatz. Im Gegensatz zu dem gleitend verdampfenden Gemischkältemittel arbeitet das Wärmeträgerfluid bei konstanter Siede- und damit Tautemperatur. Auch wenn die Kondensation des

Wärmeträgerfluids zumindest teilweise gegen Gemischkältemittel erfolgt, das unterhalb der Hydrattemperatur der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion verdampft, so werden die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion und das Gemischkältemittel wirksam durch das Wärmeträgerfluid thermisch getrennt.

Mittels der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann eine optimale Entlastung des Trocknungsprozesses durch Abkühlung der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoffreichen Fraktion bzw. des zu verflüssigenden Erdgases bis nahe an den Hydratpunkt und Wasserabscheidung ermöglicht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien anhand der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen, die sich lediglich im eigentlichen Verflüssigungsprozess unterscheiden, wird die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 1 , die im Regelfall eine Temperatur zwischen 40 und 80 °C aufweist, im Wärmetauscher E3 gegen Kühlluft und/oder Kühlwasser auf eine Temperatur zwischen 30 und 60 °C abgekühlt. Anschließend wird die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 2 einem Wärmeaustauschsystem E4 zugeführt und in diesem auf eine Temperatur von höchstens 10 °C, vorzugsweise höchstens 5 °C über ihrer Hydrattemperatur vorgekühlt. Die derart vorgekühlte

Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 3 wird einem Abscheider D4 zugeführt, in dessen Sumpf das auskondensierte Wasser 4 anfällt. Die am Kopf des Abscheiders D4 abgezogene Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 5 wird nunmehr einem lediglich als

Black-Box dargestellten Trocknungsprozess T zugeführt. Bei diesem handelt es sich im Regelfall um einen Adsorptionsprozess, bei dem als Adsorptionsmittel üblicherweise ein zeolithisches Molekularsieb verwendet wird. Die derart vorbehandelte, zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 6 wird anschließend im

Wärmetauscher E gegen den noch zu erläuternden Kältekreislauf abgekühlt, verflüssigt und ggf. unterkühlt, so dass über Leitung 7 im Falle einer Erdgas-Verflüssigung ein LNG-Produktstrom abgezogen werden kann.

Die Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion erfolgt bei den in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen gegen einen

Gemischkältekreislauf. Derartige Gemischkältekreisläufe weisen als Kältemittel üblicherweise Stickstoff und wenigstens einen C ₁₊ -Kohlenwasserstoff auf. Das zu verdichtende Kältemittel 10 wird in der ersten Verdichterstufe C1 auf einen

Zwischendruck verdichtet. Anschließend wird das verdichtete Kältemittel 1 1 im

Nachkühler E1 partiell kondensiert und im Abscheider D2 in eine tiefersiedende

Gasfraktion 12 und eine höhersiedende Flüssigfraktion 15 aufgetrennt. Lediglich die tiefersiedende Gasfraktion 12 wird in der zweiten Verdichterstufe C2 auf den maximalen Kreislaufdruck verdichtet. Das verdichtete Kältemittel 13 wird im

Nachkühler E2 erneut partiell kondensiert und im Abscheider D3 in eine Gasfraktion 14 sowie eine Flüssigfraktion 17/17' aufgetrennt. Bei dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die Gasfraktion 14 sowie die vorerwähnte, höhersiedende Kältemittel-Flüssigfraktion 15, die mittels der Pumpe P auf den Druck der Kältemittel- Gasfraktion 14 gepumpt wird, gemeinsam im Wärmetauscher E gegen sich selbst abgekühlt und anschließend im Entspannungsventil V4 kälteleistend entspannt. Das kälteleistend entspannte Kältemittel 16 wird sodann im Wärmetauscher E gegen die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 6 vollständig verdampft und erneut dem der ersten Verdichterstufe C1 vorgeschalteten Abscheider D1 zugeführt; dieser dient der Absicherung der Verdichterstufe C1 , da in ihm ggf. mitgeführte Flüssiganteile abgetrennt werden.

Während bei der zum Stand der Technik zählenden Verfahrensweise die aus dem Abscheider D3 abgezogene Kältemittel-Flüssigfraktion 17' über das

Entspannungsventil V1 vollständig vor den Abscheider D2 zurückgeführt wird, wird nunmehr ein Teilstrom 17 dieser Flüssigfraktion für die Vorkühlung der zu

verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1/2 herangezogen. Dazu wird der vorbeschriebene Teilstrom 17 der Flüssigfraktion im Ventil V2 vorzugsweise auf einen Druck wenigstens 0,3 bar, insbesondere wenigstens 0,7 bar oberhalb des Saugdrucks der zweiten Verdichterstufe C2 entspannt und der daraus resultierende zweiphasige Strom dem Abscheider D5 zugeführt. Die in ihm anfallende Gasfraktion 19 wird über Regelventil V3 vor den Abscheider D2 zurückgeführt, während der im Abscheider D5 anfallende Flüssiganteil 18 für die Vorkühlung der zu verflüssigenden

Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1/2 herangezogen und anschließend ebenfalls vor den Abscheider D2 zurückgeführt wird. Der Wärmeaustausch zwischen der Flüssigfraktion 17 bzw. dem nach der

Entspannung im Ventil V2 anfallenden Flüssiganteil 18 und der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1/2 erfolgt über das Wärmeaustauschsystem E4.

Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel werden der aus dem

Abscheider D2 abgezogene höhersiedende Flüssiganteil 50 des Kältemittels und die aus dem Abscheider D3 abgezogene Kältemittel-Gasfraktion 40 getrennt in der Vorkühlzone a des Wärmetauschers E' abgekühlt. Während die höhersiedende Flüssigfraktion 50 im Ventil V5 kälteleistend entspannt und anschließend im

Gegenstrom zu dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 6 verdampft wird, wird die vorgenannte Gasfraktion 40 partiell kondensiert und im Abscheider D6 in eine weitere Gasfraktion 41 sowie eine weitere Flüssigfraktion 42 aufgetrennt. Die Gasfraktion 41 wird in den Verflüssigungs- und Unterkühlungszonen b und c des Wärmetauschers E' abgekühlt und partiell kondensiert. Anschließend wird sie im Entspannungsventil V7 kälteleistend entspannt und im Gegenstrom zu der zu verflüssigenden und ggf. zu unterkühlenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 6 vollständig verdampft. Die im Abscheider D6 anfallende Flüssigfraktion 42 wird in der Verflüssigungszone b des Wärmetauschers E' weiter abgekühlt, im Entspannungsventil V6 kälteleistend entspannt und im Gegenstrom zu der zu verflüssigenden

Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 6 vollständig verdampft. Sofern der in der Figur 2 dargestellte Wärmetauscher E' als sog. gewickelter Wärmetauscher ausgebildet ist, erfolgt die Verdampfung der vorgenannten Kältemittelströme 41 , 42 und 50 im

Außenmantel des gewickelten Wärmetauschers. Die im Wärmetauscher E' vereinigten und in ihm vollständig verdampften Kältemittelströme 41 , 42 und 50 werden über Leitung 43 dem der ersten Verdichterstufe C1 vorgeschalteten Abscheider D1 zugeführt.