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DE10226597A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes - Google Patents

Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes Download PDF

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DE10226597A1
DE10226597A1 DE2002126597 DE10226597A DE10226597A1 DE 10226597 A1 DE10226597 A1 DE 10226597A1 DE 2002126597 DE2002126597 DE 2002126597 DE 10226597 A DE10226597 A DE 10226597A DE 10226597 A1 DE10226597 A1 DE 10226597A1
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DE
Germany
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hydrocarbon
rich
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rich stream
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Withdrawn
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DE2002126597
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English (en)
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Manfred BÖLT
Rainer Sapper
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen wenigstens einen Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischstrom erfolgt und wobei der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom in einer rektifikatorischen Auftrennung in eine C¶2-¶-reiche Franktion, die der Verflüssigung unterworfen wird, und in eine C¶3+¶-reiche Fraktion aufgetrennt wird, beschrieben. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom (1) vor seiner Zuführung in die rektifikatorische Auftrennung (T1) entspannt (X) und die in der rektifikatorischen Auftrennung (T1) gewonnene C¶2-¶-reiche Fraktion (7) verdichtet (V).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen wenigstens einen Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischstrom erfolgt und wobei der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom in einer rektifikatorischen Auftrennung in eine C2 –-reiche Fraktion, die der Verflüssigung unterworfen wird, und in eine C3+-reiche Fraktion aufgetrennt wird.
  • Erdgasverflüssigungsanlagen werden entweder als sog. LNG Baseload Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie – oder als sog. Peak Shaving Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfs – ausgelegt.
  • Die vorgenannten Peak Shaving Plants werden mit Expansionsturbinen oder Kältemittelmischungen in den Kältekreisläufen betrieben. Die Kältekreisläufe enthalten oft nur eine oder wenige Komponenten.
  • LNG Baseload Plants werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, die aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Diese Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als Expander-Kreisläufe und ermöglichen bei den großen Verflüssigungsleistungen der Baseload Plants entsprechend relativ niedrige Energieverbräuche.
  • Bei diesen Anlagen müssen zur Erzeugung des Inventars der Gemischkreisläufe, zur Deckung von Verlusten im Betrieb und aufgrund von Produktanforderungen die im Erdgas enthaltenen schweren Kohlenwasserstoffe abgetrennt werden. Dies geschieht üblicherweise durch eine rektifikatorische Fraktionierung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes. Dabei wird nach einer Abkühlung und teilweiser Kondensation des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes mittels einer sog. HHC(Heavy Hydrocarbon)-Kolonne eine C3+-reiche Fraktion abgetrennt, bevor der verbleibende Strom – also das gasförmige Kopfprodukt aus der HHC-Kolonne – der weiteren Abkühlung und Verflüssigung unterworfen wird.
  • Die in der HHC-Kolonne gewonnene Sumpffraktion wird normalerweise so mit schwereren Kohlenwasserstoffen angereichert, dass der geforderte Heizwert des LNG am Kopf der HHC-Kolonne eingestellt werden kann und dass bspw. C4-, C5- und C6-Kohlenwasserstoffe auf entsprechend geringe Anteile im Kopf der HH-Kolonne reduziert werden um ein mögliches Festwerden von z. B. Benzol im LNG zu verhindern.
  • Die in der HHC-Kolonne gewonnene C3+-reiche Fraktion wird anschließend rektifikatorisch in ihre Bestandteile zerlegt, wobei diese teilweise als Make-Up-Fraktionen – bspw. C2H6 oder C3H8 – für den oder die Gemischkreisläufe verwendet oder als Nebenproduktströme – bspw. als LPG-Produktstrom – gewonnen und ggf. einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
  • Diese Auftrennung der in der HHC-Kolonne gewonnenen C3+-reichen Fraktion wird bspw. mit folgenden Rektifikationskolonnen durchgeführt: Demethanizer, Deethanizer, Depropanizer und evtl. Debutanizer. Diese Kolonnen ermöglichen die Erzeugung folgender Fraktionen: Methan, Ethan und Ethan-Make-Up, Propan und Propan-Make-Up, LPG-Produkt (Flüssiggas) sowie eine C5+-Fraktion.
  • Das gasförmige Kopfprodukt der HHC-Kolonne, das der weiteren Abkühlung und Verflüssigung unterworfen wird, unterliegt als LNG-Produktstrom bestimmten Heizwertanforderungen, so dass der Heizwert innerhalb eines bestimmten Bereiches mit fester Ober- sowie Untergrenze einstellbar sein sollte.
    •
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das es ermöglicht, den Heizwert des mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erzeugten, verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in einem vergleichsweise weiten Bereich einzustellen.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass der Kohlenwasserstoff-reiche Strom vor seiner Zuführung in die rektifikatorische Auftrennung entspannt und die in der rektifikatorischen Auftrennung gewonnene C2–-reiche Fraktion verdichtet wird.
  • Bei der Verflüssigung eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes wird grundsätzlich versucht, den Druck, unter dem der Kohlenwasserstoff-reiche Strom vorliegt, zu nutzen und beizubehalten, um mit den dadurch möglichen Temperaturdifferenzen in den Wärmetauschern die Verflüssigung mit einem möglichst geringen spezifischen Energieverbrauch zu realisieren. Diese Verfahrensweise resultiert in einem vergleichsweise geringen Aufwand an Apparaten, insbesondere Wärmetauschern, sowie geringen Betriebskosten. Üblicherweise liegt Erdgas unter einem Druck von wenigstens 50 bar, oftmals auch unter einem Druck von 70 bar und darüber vor.
  • Der maximal nutzbare Druck des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes für die Verflüssigung ist jedoch begrenzt. Eine der Ursachen liegt darin begründet, dass die rektifikatorische Abtrennung der schweren Kohlenwasserstoffe aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom und damit die Einstellung des maximal geforderten Heizwertes des LNG-Produktstromes durch die Annäherung an den kritischen Druck und die Verringerung der Dichtedifferenz von Dampf und Flüssigkeit in der HHC-Kolonne erschwert bzw. begrenzt wird. Ferner kommen bei herkömmlichen Verflüssigungsanlagen aus einer Vielzahl von Gründen Plattenwärmetauscher zur Anwendung. Bei Erreichen bzw. oberhalb bestimmter Auslegungsdrücke wird deren Verwendung kostenungünstig, da bspw. die Anzahl der parallel einzusetzenden Plattenwärmetauscher stark ansteigt.
  • Diesen Problemen begegnet das erfindungsgemäße Verfahren dadurch, dass zunächst der Druck des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes vor dessen Abkühlung und Zuführung in die rektifikatorische Auftrennung verringert – die HHC-Kolonne kann somit in einem für sie günstigen Druckbereich betrieben werden – und anschließend lediglich das gasförmige Kopfprodukt der HHC-Kolonne wieder auf den gewünschten, höheren Druck verdichtet wird. Dadurch können im nachfolgenden Verflüssigungsteil die mit einem hohen Druck einhergehenden Vorteile realisiert werden.
  • Beträgt beispielsweise der Druck eines zu verflüssigenden Erdgasstromes vor der Abkühlung und Zuführung des Erdgasstromes in die rektifikatorische Auftrennung 70 bar, so kann eine ausreichende Dichtedifferenz von Dampf und Flüssigkeit in der HHC-Kolonne bereits dann erreicht werden, wenn der Erdgasstrom auf einen Druck von etwa 58 bar entspannt wird. Würde die am Kopf der HHC-Kolonne abgezogene gasförmige Fraktion, die der Verflüssigung unterworfen wird, nunmehr bei lediglich etwa 58 bar verflüssigt werden, so hätte dies einen höheren Aufwand an Apparaten im Verflüssigungsteil sowie an Betriebskosten für den Verflüssigungsteil zur Folge. Aus diesem Grund erfolgt nunmehr erfindungsgemäß wiederum ein Verdichten der aus der HHC-Kolonne am Kopf abgezogenen gasförmigen, C2–-reiche Fraktion, bevor diese dem Verflüssigungsteil zugeführt wird.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druck des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes in der Entspannung um 10 bis 50 % verringert. Ebenso wird der Druck der der Verdichtung unterworfenen C2–-reichen Fraktion wieder vorzugsweise um 10 bis 50 % erhöht.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird ferner vorgeschlagen, dass die Entspannung und/oder die Verdichtung mehrstufig ausgeführt sind.
  • In vorteilhafter Weise wird die bei der Entspannung des zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gewonnene Energie zum Antreiben des oder der Verdichter verwendet.
    •
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Gemäß der in der Figur dargestellten Verfahrensweise wird dem erfindungsgemäßen Verflüssigungsverfahren über Leitung 1 ein trockener und ggf. vorbehandelter Kohlenwasserstoff-reicher Strom, beispielsweise Erdgas, zugeführt.
  • Auf die ggf. notwendigen Vorbehandlungsschritte, wie beispielsweise Trocknung, CO2-Entfernung, Schwefelentfernung, etc. sei im Folgenden nicht näher eingegangen; die gängigen Verfahrensweisen sind dem Fachmann bekannt.
  • Der über Leitung 1 herangeführte Erdgasstrom weist typischerweise einen Druck zwischen 70 und 100 bar auf. Im Expander X erfolgt nunmehr eine arbeitsleistende Entspannung auf einen Druck zwischen 40 und 70 bar. Anschließend wird der entspannte, Kohlenwasserstoff-reiche Strom über Leitung 1' dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem abgekühlt sowie teilweise kondensiert. Über Leitung 2 wird dieser Strom ein- oder zweiphasig der HHC-Kolonne T1 zugeführt. Der Sumpf der Kolonne T1 kann – wie in der Figur dargestellt – mittels eines Sumpfreboilers beheizt werden.
  • Grundsätzlich ist es möglich, dass der entspannte, Kohlenwasserstoff-reiche Strom oder zumindest ein Teilstrom davon den Wärmetauscher E1 mittels einer in der Figur nicht dargestellten Leitung umgeht.
  • Am Kopf der Kolonne T1 wird über Leitung 4 eine C2 –-reiche Fraktion abgezogen, im Wärmetauscher E2 bzw. Kopfkondensator der Kolonne T1 abgekühlt und über Leitung 5 dem Abscheider D zugeführt. Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird die in ihm gewonnene C3 –-Fraktion über Leitung 6 abgezogen und mittels der Pumpe P1 dem Kopf der HHC-Kolonne T1 als Rücklauf aufgegeben.
  • Diese zurückgeführte C3 –-Fraktion ermöglicht es, dass in der HHC-Kolonne T1 C3+-Kohlenwasserstoffe mit einer ausreichenden Ausbeute aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom ausgewaschen werden. Ferner werden in der HHC-Kolonne T1 C5-Kohlenwasserstoffe sowie Benzol praktisch vollständig ausgewaschen. Der Benzolgehalt des am Kopf des Abscheiders D über Leitung 7 abgezogenen gasförmigen Stromes beträgt weniger als 1 ppm.
  • Die am Kopf des Abscheiders D über Leitung 7 abgezogene, C2 –-reiche Fraktion wird in dem Verdichter V auf einen Druck zwischen 50 und 100 bar verdichtet und über Leitung 8 anschließend dem in der Figur nicht dargestellten Verflüssigungsteil, der im Wesentlichen beliebig ausgestaltet sein kann, zugeführt.
  • Sowohl der bereits beschriebene Expander X als auch der Verdichter V können hierbei mehrstufig ausgebildet sein. Der Verdichter V wird vorzugsweise durch den Expander X angetrieben.
  • Die aus dem Sumpf der HHC-Kolonne T1 über Leitung 3 abgezogene C3+-reiche Kohlenwasserstofffraktion wird über Ventil a in einen Demethanizer T3 entspannt. Am Kopf des Demethanizers T3 wird über Leitung 9 eine C1-Kohlenwasserstofffraktion abgezogen und bspw. als sog. Make-Up-Fraktion einem Kältemittel- bzw. Kältemittelgemischkreislauf zugeführt. Aus dem Sumpf des Demethanizers T3 wird über Leitung 10 eine C2+-Kohlenwasserstofffraktion abgezogen und über Ventil b in den Deethanizer T4 entspannt.
  • Am Kopf des Deethanizers T4 wird über Leitung 11 eine C2-Kohlenwasserstofffraktion abgezogen, die ggf. ebenfalls als Make-Up-Fraktion einem Kältemittel- bzw. Kältemittelgemischkreislauf zugeführt wird. Über Leitung 12 wird aus dem Sumpf des Deethanizers T4 eine C3+-Kohlenwasserstofffraktion abgezogen und über Ventil c in den Depropanizer T5 entspannt. Am Kopf des Depropanizers T5 wird über Leitung 13 eine C3-Kohlenwasserstoffproduktfraktion abgezogen.
  • Über einen Seitenabzug (Leitung 14) wird aus dem Depropanizer T5 eine C3/C4-Produktfraktion – die sog. LPG-Produktfraktion – abgezogen und ggf. einer Weiterverarbeitung zugeführt. Diese LPG-Produktfraktion ist von großem wirtschaftlichen Wert, da LPG bei Umgebungstemperaturen verflüssigbar ist, einen hohen Energieinhalt aufweist und gut transportierbar ist. Darüber hinaus kann LPG umweltfreundlich verbrannt werden.
  • Aus dem Sumpf des Depropanizers T5 wird über Leitung 15 eine C4+-Kohlenwasserstofffraktion abgezogen und über Ventil d in den Debutanizer T6 entspannt. Aus dem Kopfbereich des Debutanizers T6 wird über Leitung 16 eine C4-Produktfraktion abgezogen, während aus dem Sumpf über Leitung 17 eine C5+- bzw. Kohlenwasserstoff-Kondensatproduktfraktion abgezogen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, ermöglicht es, den geforderten Heizwert der LNG-Produktfraktion in einem weiten Bereich einzustellen.

Claims (5)

  1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen wenigstens einen Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischstrom erfolgt und wobei der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom in einer rektifikatorischen Auftrennung in eine C2–-reiche Fraktion, die der Verfüssigung unterworfen wird, und in eine C3+-reiche Fraktion aufgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenwasserstoff-reiche Strom (1) vor seiner Zuführung in die rektifikatorische Auftrennung (T1) entspannt (X) und die in der rektifikatorischen Auftrennung (T1) gewonnene C2 –-reiche Fraktion (7) verdichtet wird (V).
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Kohlenwasserstoff-reichen Strom (1) in der Entspannung (X) um 10 bis 50 verringert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der der Verdichtung (V) unterworfenen C2 –-reichen Fraktion (7) um 10 bis 50 % erhöht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Entspannung (X) und/oder die Verdichtung (V) mehrstufig ausgeführt sind.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Entspannung (X) gewonnene Energie zum Antreiben des oder der Verdichter (V) verwendet wird.
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