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DE10101295A1 - Verfahren zum Verlüssigen eines Kohlenwasserstoffreichen Stromes - Google Patents

Verfahren zum Verlüssigen eines Kohlenwasserstoffreichen Stromes

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DE10101295A1
DE10101295A1 DE10101295A DE10101295A DE10101295A1 DE 10101295 A1 DE10101295 A1 DE 10101295A1 DE 10101295 A DE10101295 A DE 10101295A DE 10101295 A DE10101295 A DE 10101295A DE 10101295 A1 DE10101295 A1 DE 10101295A1
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DE
Germany
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hydrocarbon
rich stream
liquefying
stream
carbon dioxide
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Withdrawn
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DE10101295A
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English (en)
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Max Braeutigam
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (1), insbesondere von Erdgas, beschrieben. DOLLAR A Hierbei DOLLAR A a) wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom (1) permeativ (M) von bei der Verflüssigung störenden Komponenten, insbesondere von Wasserdampf und Kohlendioxid, weitgehend gereinigt, DOLLAR A b) der gereinigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom (3) wird abgekühlt (E2) und partiell kondensiert, wobei dieser Strom (3) lediglich bis zu einer Temperatur abgekühlt wird, bei der kein Kohlendioxid ausfriert, DOLLAR A c) gegebenenfalls vorhandene höhere Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid werden aus dem abgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Strom (3, 4) abgetrennt (D1), DOLLAR A d) der Kohlenwasserstoff-reiche Strom (7) wird angewärmt (E2) und adsorptiv (A, A') von Wasserdampf und Kohlendioxid nachgereinigt, DOLLAR A e) der nachgereinigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom (9) wird wiederum abgekühlt (E2, E3), partiell kondensiert und von gegebenenfalls vorhandenen höheren Kohlenwasserstoffen befreit (D2) und DOLLAR A f) der resultierende Kohlenwasserstoff-reiche Strom (12) wird zumindest teilweise weiter abgekühlt (E4) und verflüssigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere von Erdgas,
Verfahren zur Verflüssigung von Kohlenwasserstoff-reichen Strömen, insbesondere von Erdgas, gibt es zum einen als sehr große Einheiten, als sog. Baseload-Anlagen - wie sie beispielsweise aus der DE-A 28 52 078 bekannt sind -, und zum anderen als mittelgroße Einheiten für den sog. Peak-shaving Betrieb. Klein- und Kleinstanlagen - d. h. bis zu einer Verflüssigungskapazität von ca. 10 m3 pro Tag - sind bisher nur in geringer Stückzahl gebaut worden, da der spezifische Preis für das Produkt sehr hoch ist. In jüngster Zeit mehren sich jedoch die Anzeichen für einen Bedarf an kleinen Anlagen, insbesondere LNG(Liquid Natural Gas)-Anlagen, die z. B. in der Einführungsphase von LNG als Kraftstoff benötigt werden.
Bei herkömmlichen Verflüssigungsanlagen für Kohlenwasserstoff-reichen Ströme, wie z. B. Erdgas, wird das Erdgas zunächst verdichtet und die Kompressionswärme in einem Nachkühler abgeführt. Sodann erfolgt ggf. die Abtrennung von Kohlendioxid mittels einer entsprechenden Wäsche, wobei Kohlendioxid-Restgehalte von ca. 50 ppm erreicht werden. Dieser Wäsche schließt sich im Regelfall eine adsorptive Trocknung des Erdgases an. Daran anschließend wird das von Kohlendioxid und Wasser gereinigte Erdgas einer Tieftemperatur-Anlage mit Wärmetauschern, Abscheidern, Entspannungsventilen und Entspannungsmaschinen zugeführt. Im Zuge der erforderlichen Abkühlung des Erdgases werden die höheren (C2+-)Kohlenwasserstoffe abgetrennt und die restlichen Kohlenwasserstoffe - dies sind im Wesentlichen die C1-Kohlenwasserstoffe - verflüssigt
Nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist jedoch, dass der Adsorptionsprozess mit den noch in dem zu verflüssigenden Erdgas enthaltenen höheren Kohlenwasserstoffen belastet wird. Es sind daher entsprechend dimensionierte Adsorber(behälter) vorzusehen, die zudem einen erheblichen Aufwand in Bezug auf Regeneriergasmenge und Regenerierenergie erfordern.
Die für die Abkühlung und Verflüssigung des Erdgases erforderliche Kälteleistung wird dabei entweder mit einem offenen oder geschlossenen Kältekreislauf und/oder durch eine Entspannung in einem Joule-Thompson-Ventil erbracht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere von Erdgas anzugeben, das die Realisierung eines sog. Stand-alone-Prozesses ermöglicht. Derartige Prozesse sind dadurch gekennzeichnet, dass sie zu einem über eine im Wesentlichen autarke Energieversorgung verfügen und zum anderen nur minimale Reststoffmengen produzieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren vorgeschlagen, bei dem
  • a) der Kohlenwasserstoff-reiche Strom permeativ von bei der Verflüssigung störenden Komponenten, insbesondere von Wasserdampf und Kohlendioxid, weitgehend gereinigt wird,
  • b) der gereinigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom abgekühlt und partiell kondensiert wird, wobei dieser Strom lediglich bis zu einer Temperatur abgekühlt wird, bei der kein Kohlendioxid ausfriert,
  • c) gegebenenfalls vorhandene höhere Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid aus dem abgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Strom abgetrennt werden,
  • d) der Kohlenwasserstoff-reiche Strom angewärmt und adsorptiv von Wasserdampf und Kohlendioxid nachgereinigt wird,
  • e) der nachgereinigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wiederum abgekühlt, partiell kondensiert und von gegebenenfalls vorhandenen höheren Kohlenwasserstoffen befreit wird und
  • f) der resultierende Kohlenwasserstoff-reiche Strom zumindest teilweise weiter abgekühlt und verflüssigt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände von Unteransprüchen sind, werden im Folgenden anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
Über Leitung 1 wird der zur verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom, beispielsweise Erdgas, der gegebenenfalls zuvor auf einen Druck zwischen 50 und 120 bar verdichtet wurde, in einem ersten Wärmetauscher E0 auf eine Temperatur zwischen 50 und 100°C erwärmt. Erdgas weist neben Methan noch höhere Kohlenwasserstoffe - bis ca. 8% -, Kohlendioxid - bis ca. 2% -, Wasserdampf - entsprechend der Temperatureinstellung - und Stickstoff auf.
Sofern der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom aus einer entsprechenden Hochdruck-Pipeline entnommen wird, kann auf eine Verdichtung verzichtet werden. Ist jedoch eine Verdichtung erforderlich, so kann auf die ansonsten erfolgende Nachkühlung verzichtet werden. In diesem Falle erübrigt sich der in der Figur dargestellte Wärmetauscher E0.
Der Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird nunmehr einer permeativ arbeitenden Trennanlage M zugeführt. Diese Trennanlage M kann einstufig - wie in der Figur dargestellt - oder mehrstufig ausgelegt sein.
Aus der Trennanlage M wird über Leitung 2 ein Stickstoff, Kohlendioxid und Wasserdampf enthaltender Restgasstrom abgezogen und einem in der Figur nicht dargestellten Gasmotor-Generator, der der Bereitstellung der für die Antriebe der Verdichter sowie weiterer Verbraucher benötigten (elektrischen) Energie dient, zugeführt. In der Trennanlage M werden der Kohlendioxid- und Wassergehalt bis auf ca. 10% und der Stickstoffgehalt bis auf ca. 50% reduziert.
Der gereinigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom verlässt die Trennanlage M über Leitung 3, wird zunächst im Nachkühler E1 abgekühlt und anschließend im Wärmetauscher E2 gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt und partiell kondensiert. Hierbei wird der Kohlenwasserstoff-reiche Strom jedoch nur soweit abgekühlt - beispielsweise bis auf ca. -30°C -, dass kein Kohlendioxid in dem Wärmetauscher E2 ausfriert. Die Temperatur am kalten Ende des Wärmetauschers E2 wird somit durch den Kohlendioxidrestgehalt in dem die Trennanlage M verlassenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom bestimmt. Bei der Abkühlung des Kohlenwasserstoff­ reichen Stromes in dem Wärmetauscher E2 wird ein Großteil der noch in dem Kohlenwasserstoff-reichen Strom enthaltenen höheren Kohlenwasserstoffen verflüssigt.
Der abgekühlte Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird über Leitung 4 einem ersten Abscheider D1 zugeführt. Aus dem Sumpf des Abscheiders D1 werden über Leitung 5 der Großteil der in dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom enthaltenen höheren Kohlenwasserstoffe sowie des restlichen Kohlendioxides abgezogen. Diese Flüssigfraktion wird im Ventil a entspannt, anschließend im Wärmetauscher E2 gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und sodann über Leitung 6 der bereits erwähnten Restgasfraktion in der Leitung 2 zugemischt.
Am Kopf des Abscheiders D1 wird über Leitung 7 der vorgereinigte Kohlenwasserstoff- reiche Strom abgezogen, dem Wärmetauscher E2 zugeführt und in diesem gegen abzukühlende Verfahrensströme wieder angewärmt, und anschließend über Leitung 8 der adsorptiven Nachreinigungsstufe A und A' zugeführt.
Diese Nachreinigungsstufe - in der Figur sind der Übersichtlichkeit halber lediglich zwei Adsorberbehälter A und A' dargestellt, prinzipiell können jedoch auch mehrere Adsorber parallel angeordnet werden, - kann beispielsweise als sog. Pressure-Swing- Adsorption- und/oder Temperature-Swing-Adsorption-Prozess ausgelegt werden. Derartige Prozesse dienen der Abtrennung des noch in dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom enthaltenen Wasserdampfes sowie Kohlendioxides. Die Adsorber A und A' sind mit einem Adsorptionsmittel gefüllt, das die Entfernung von Kohlendioxid und Wasserdampf aus dem gasförmigen Kohlenwasserstoff-reichen Strom ermöglicht. Für die Nachreinigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes werden in der Regel wenigstens zwei Adsorber A und A' parallel betrieben. Während sich wenigstens einer der Adsorber in der Adsorptionsphase befindet, wird der zweite Adsorber regeneriert.
Da erfindungsgemäß nunmehr bereits vor der adsorptiven Nachreinigungsstufe eine Abtrennung eines Großteiles der höheren Kohlenwasserstoffe stattfindet, kann diese adsorptive Nachreinigungsstufe - verglichen mit dem vorbeschriebenen Stand der Technik - kleiner dimensioniert werden, woraus eine deutliche Verringerung der Investitionskosten resultiert. Darüber hinaus verringern sich auch Regeneriergasmenge sowie der erforderliche Regenerierenergieaufwand.
Der auf diese Weise nachgereinigte, zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom wird anschließend über Leitung 9 wiederum dem Wärmetauscher E2 sowie dem diesen nachgeschalteten Wärmetauscher E3 zugeführt, in diesen gegen anzuwärmende Verfahrensströme bis auf eine Temperatur von ca. -70°C abgekühlt und partiell kondensiert und anschließend über Leitung 10 einem zweiten Abscheider D2 zugeführt.
Aus dem Sumpf des Abscheiders D2 wird über Leitung 11, in der ebenfalls ein Entspannungsventil b vorgesehen ist, eine an höheren Kohlenwasserstoffen reiche Flüssigfraktion abgezogen, im Wärmetauscher E3 gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und der bereits beschriebenen Flüssigfraktion in der Leitung 6 und damit - nach Durchströmung des Wärmetauschers E2 - auch der Restgasfraktion in der Leitung 2 beigemischt.
Am Kopf des Abscheiders D2 wird die zu verflüssigende C1-reiche Gasfraktion abgezogen und in zwei Teilströme aufgeteilt. Der erste Teilstrom wird über Leitung 12 dem Wärmetauscher E4 zugeführt und in diesem gegen anzuwärmende Verfahrensströme verflüssigt und gegebenenfalls unterkühlt, bevor das verflüssigte Produkt dem Speicherbehälter S zugeführt wird.
Erfolgt über einen längeren Zeitraum keine Entnahme von verflüssigtem Produkt aus dem Speicherbehälter S, kommt es - abhängig von der Speicherbehälterkonstruktion, der Befüllmenge, etc. - zu einer Bildung von Boil-off-Gas, das bei Übersteigen eines bestimmten Druckes im Speicherbehälter S aus diesem abgeführt werden muss.
Zur Verringerung der zwangsläufig auftretenden Boil-off-Gasmenge kann in dem Speicherbehälter S ein Kondensator angeordnet werden - dies ist der Übersichtlichkeit halber in der Figur nicht dargestellt -, in dem ein geeignetes Kühlmedium, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, zirkuliert und so das in dem Speicherbehälter S gespeicherte Medium abgekühlt, wodurch die Bildung des Boil-off-Gases verhindert bzw. zumindest die gebildete Menge an Boil-off-Gas verringert wird.
Kommt es dennoch zu einer Bindung von Boil-off-Gas in dem Speicherbehälter S, so wird dieses aus dem Speicherbehälter S über Leitung 14 abgezogen, in den Wärmetauschern E4 und E2 gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und anschließend über Leitung 15 ebenfalls dem bereits erwähnten Gasmotor-Generator zugeführt.
Der zweite Teilstrom der am Kopf des Abscheiders D2 abgezogenen C1-reichen Gasfraktion wird über Leitung 13 einer Entspannungsturbine T zugeführt, nach erfolgter Entspannung über Leitung 16 den Wärmetauschern E4, E3 und E2 zugeführt und in diesen gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt, bevor er wieder mittels eines Kreislaufverdichters verdichtet und nach erfolgter Nachkühlung dem Strom in der Leitung 9 zugemischt wird.
Wie bereits beschrieben, werden sämtliche innerhalb des Abkühl- und Verflüssigungsprozesses anfallenden Restgasströme, sofern dies zweckmäßig ist, gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und einem Gasmotor-Generator zugeführt.
Darüber hinaus kann die Hochtemperatur-Abwärme aus dem Abgas des Gasmotor- Generators beispielsweise für die erforderliche Regenerierung beladener Adsorber und die Niedertemperatur-Abwärme aus dem Kühlkreislauf des Gasmotor-Generators zum Vorwärmen der in der permeativ arbeitenden Trennanlage M verwendeten Membran(en) - um deren Wirkung zu verbessern - genutzt werden.

Claims (7)

1. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (1), insbesondere von Erdgas, bei dem
  • a) der Kohlenwasserstoff-reiche Strom (1) permeativ (M) von bei der Verflüssigung störenden Komponenten, insbesondere von Wasserdampf und Kohlendioxid, weitgehend gereinigt wird,
  • b) der gereinigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom (3) abgekühlt (E2) und partiell kondensiert wird, wobei dieser Strom (3) lediglich bis zu einer Temperatur abgekühlt wird, bei der kein Kohlendioxid ausfriert,
  • c) gegebenenfalls vorhandene höhere Kohlenwasserstoffe und Kohlendioxid aus dem abgekühlten Kohlenwasserstoff-reichen Strom (3, 4) abgetrennt (D1) werden,
  • d) der Kohlenwasserstoff-reiche Strom (7) angewärmt (E2) und adsorptiv (A, A') von Wasserdampf und Kohlendioxid nachgereinigt wird,
  • e) der nachgereinigte Kohlenwasserstoff-reiche Strom (9) wiederum abgekühlt (E2, E3), partiell kondensiert und von gegebenenfalls vorhandenen höheren Kohlenwasserstoffen befreit wird (D2) und
  • f) der resultierende Kohlenwasserstoff-reiche Strom (12) zumindest teilweise weiter abgekühlt (E4) und verflüssigt wird.
2. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der verflüssigte Kohlenwasserstoff­ reiche Strom (12) in einem Speicherbehälter (S) gelagert, der in dem Speicherbehälter (S) anfallende Boil-off-Gasstrom (14) aus dem Speicherbehälter (S) abgezogen und einem Gasmotor-Generator zugeführt wird.
3. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasmotor-Generator der Bereitstellung der für die Antriebe der Verdichter (V) und weitere Verbraucher benötigten (elektrischen) Energie dient.
4. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem Speicherbehälter (S) gelagerte verflüssigte Medium mittels eines in dem Speicherbehälter (S) angeordneten Kondensators, dem ein geeignetes Kühlmedium, vorzugsweise flüssiger Stickstoff, zugeführt wird, gekühlt wird.
5. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die adsorptive Nachreinigung (A, A') des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (7, 8) mittels eines Pressure-Swing-Adsorption-Prozesses und/oder Temperature-Swing-Adsorption- Prozesses erfolgt.
6. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sämtliche innerhalb des Abkühl- und Verflüssigungsprozesses anfallende Restgasströme (2, 5, 6, 11), sofern zweckmäßig, gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt (E2, E3, E4) und einem Gasmotor-Generator zugeführt werden.
7. Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die permeative Reinigung (M) des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes (1) ein- oder mehrstufig erfolgt.
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DE102007005494A1 (de) * 2007-01-30 2008-07-31 Dge Dr.-Ing. Günther Engineering Gmbh Verfahren und Anlage zur Gewinnung von flüssigem Methan aus methan- und kohlendioxidhaltigen Rohgasen, insbesondere Biogas

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