[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines unter Druck stehenden
Erdgasstromes, bei dem der Erdgasstrom zunächst mittels einer adsorptiven Abtrennvorrichtung
von CO₂ und H₂O gereinigt und der vorgereinigte Erdgasstrom anschließend in Wärmetausch
mit wenigstens einem in einem Kältekreislauf geführten Kältemittel gebracht und verflüssigt
wird und bei dem die adsorptive Abtrennvorrichtung mittels eines Regeneriergases,
bestehend aus einem Teilstrom des vorgereinigten Erdgasstromes und gegebenenfalls
weiterer Restgasströme, wie z.B. einem Flashgasstrom, regeneriert wird.
[0002] Ein Verfahren zum Verflüssigen eines unter Druck stehenden Erdgasstromes ist z.B.
aus der DE-OS 28 20 212 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird der unter Druck
stehende Erdgasstrom in Wärmetausch mit zwei im geschlossenen Kreisläufen geführten
Kältemitteln, die jeweils verdichtet, mindestens teilweise verflüssigt und entspannt
werden, gebracht, wobei das Kühlmittel des ersten Kreislaufes zur Vorkühlung des Erdgases
sowie des Kühlmittels des zweiten Kreislaufs und das Kühlmittel des zweiten Kreislaufs
zur Verflüssigung des vorgekühlten Erdgases verwendet wird. Das verflüssigte Erdgas
wird anschließend entspannt und nach der Vorkühlung in zwei Teilströme aufgeteilt,
von denen der eine durch Wärmetausch mit dem Kühlmittel des zweiten Kreislaufs und
der andere durch Wärmetausch mit dem bei der Entspannung des verflüssigten Erdgases
gebildeten Flashgases verflüssigt wird. Das Flashgas wird nach dem Wärmetausch mit
dem vorgekühlten Erdgas verdichtet, mindestens teilweise in Wärmetausch mit den Kühlmitteln
des ersten und des zweiten Kreislaufs verflüssigt und anschließend wieder entspannt.
Erdgas besteht in der Regel im wesentlichen aus Methan, geringen Anteilen an Ethan,
Propan und höhersiedenden Kohlenwasserstoffen sowie geringe Mengen Stickstoff, Kohlendioxid
und Wasser. Vor der Abkühlung und Verflüssigung sind all diejenigen Komponenten, die
während des Abkühl- bzw. Verflüssigungsprozesses ausfrieren und damit zu Verlegungen
in Leitungen und Ventilen führen könnten, aus dem Erdgas abzutrennen. Dies geschieht
sinnvollerweise mittels einer adsorptiven Abtrennvorrichtung. In dieser können Kohlendioxid
und Wasser bis auf sehr kleine Restgehalte abgetrennt werden, so daß die Gefahr des
Ausfrierens dieser Komponenten im Tieftemperaturteil nicht mehr besteht. Das verwendete
Adsorptionsmittel, vorzugsweise ein Molsieb, ist jedoch zyklisch zu regenerieren.
Dazu kann, wie in der DE-OS 28 20 212 vorgeschlagen, ein Teilstrom des Flashgases
verwendet werden, wodurch sich die Bereitstellung eines besonderen Regeneriergases
erübrigt. Das aus einem regenerierten Adsorber abgezogene Regeneriergas kann aufgrund
seiner Zusammensetzung anschließend z.B. zum Antreiben einer Gasturbine verbrannt
werden. Häufig wird als Regeneriergas auch ein Teil des aus der adsorptiven Abtrennvorrichtung
austretenden Erdgasstromes verwendet.
[0003] Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verflüssigen
eines unter Druck stehenden Erdgasstromes anzugeben, das gegenüber den bekannten Verfahren
eine verbesserte Energiebilanz aufweist.
[0004] Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß während des Abkühl- und Verflüssigungsprozesses
des Erdgasstromes wenigstens der zur Regenerierung der adsorptiven Abtrennvorrichtung
benötigte Erdgasteilstrom bei Erreichen derjenigen Temperatur abgetrennt wird, bei
der der Wirkungsgrad der Kältenutzung durch die Drosselung auf den Regeneriergasdruck
maximal ist.
[0005] Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand der Figur erläutert.
[0006] Über Leitung 1 wird der Erdgasstrom, bestehend aus 1,0 Mol-% N₂, 94,0 Mol-% Methan,
2,0 Mol-% Ethan, 1,22 Mol-% C₃₊-Kohlenwasserstoffen, 1,75 Mol-% Kohlendioxid und 0,03
Mol-% Wasser bei einer Temperatur von 18°C und einem Druck von 42 bar der Adsorptionsvorrichtung
A zugeführt. Diese besteht aus wenigstens zwei, parallel zueinander angeordneten Adsorbern,
die zyklisch Adsorptions- und Regenerierphasen durchlaufen. Der vorgereinigte Erdgasstrom
mit 50 ppm CO₂ und < 1 ppm H₂O verläßt mit einer Temperatur von 38°C und einem Druck
von 40 bar die Adsorptionsvorrichtung A und wird über Leitung 2 durch die Wärmetauscher
E1 und E2 geführt. Der nunmehr auf -73°C abgekühlte Erdgasstrom wird dem Abscheider
D zugeführt. In diesem Abscheider D erfolgt eine Abtrennung von Aromaten und schweren
Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise C₃₊-Kohlenwasserstoffen, aus dem vorgereinigten
Erdgasstrom. Diese Abtrennung von Aromaten und schweren Kohlenwasserstoffen ist notwendig,
da diese ansonsten bei der Entspannung bzw. bei der weiteren Abkühlung ausfrieren
würden. Die Aromaten- und schwere Kohlenwasserstoff-Fraktion wird über Leitung 4 aus
dem Abscheider D abgezogen, im Ventil V2 kälteleistend entspannt und anschließend
im indirekten Wärmetausch mit dem abzukühlenden Erdgasstrom in Leitung 2 mittels Leitung
4' durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführt. Diese in Leitung 4' geführte Fraktion
besteht im wesentlichen aus 61,0 Mol-% Methan, 12,0 Mol-% Ethan, 10,0 Mol-% Propan
und 17,0 Mol-% C₄₊-Kohlenwasserstoffe und weist am Austritt des Wärmetauschers E1
eine Temperatur von 36°C und einen Druck von 9 bar auf. Sie wird nun der Leitung 7',
auf die später noch eingegangen wird, beigemischt. Die von Aromaten und schweren Kohlenwasserstoffen
befreite Erdgasfraktion, bestehend im wesentlichen aus 1,0 Mol-% Stickstoff, 97,0
Mol-% Methan, 1,8 Mol-% Ethan und 0,2 Mol-% C₃₊-Kohlenwasserstoffen wird über Leitung
3 vom Kopf des Abscheiders D abgezogen und in den Wärmetauschern E2 und E3 weiter
abgekühlt, verflüssigt und unterkühlt. Am Ausgang des Wärmetauschers E3 weist diese
Fraktion bei einem Druck von 39,6 bar eine Temperatur von -133°C auf. Es erfolgt nun
eine Entspannung im Ventil V1, bevor die Erdgasfraktion bei Atmosphärendruck und einer
Temperatur von -161°C mittels Leitung 3' dem Speichertank T zugeführt wird. Aus diesem
kann über Leitung 6 verflüssigtes Erdgas abgezogen werden. Das innerhalb des Speichertanks
T anfallende Flashgas wird über Leitung 7 aus diesem abgeführt und im Gegenstrom zu
dem abzukühlenden Erdgasstrom durch die Wärmetauscher E3, E2 und E1 geführt. Am Austritt
des Wärmetauschers E1 erfolgt mittels des Verdichters V eine Druckerhöhung auf den
notwendigen Regeneriergasdruck. Das so verdichtete Flashgas wird nun über Leitung
7' dem bzw. den zu regenerierenden Adsorbern der Adsorptionsvorrichtung A zugeführt.
Diesem verdichteten Flashgas wird, wie bereits beschrieben, die mittels Leitung 4'
durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführte Aromaten- und/oder schwere Kohlenwasserstoff-Fraktion
beigemischt. Die beiden, über Leitung 4' und 7' herangeführten Fraktionen können den
Regeneriergasbedarf jedoch nicht vollständig decken. Aus diesem Grund ist es notwendig,
einen Teil des vorgereinigten Erdgasstromes zu Regeneriergaszwecken zu verwenden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird der dafür benötigte Teilstrom des Erdgasstromes
zwischen den beiden Wärmetauschern E2 und E3 abgezogen. Die Abzugsstelle ist bezüglich
der Temperatur so zu wählen, daß der Wirkungsgrad der Kältenutzung durch die Entspannung
des Erdgasteilstromes auf den notwendigen Regeneriergasdruck maximal ist. Diese Menge
wird über Leitung 5 abgeführt, im Ventil V3 unter Ausnutzung des Joule-Thompson-Effekts
kälteleistend entspannt und anschließend mittels Leitung 5' im Gegenstrom zu dem abzukühlenden
Erdgasstrom durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführt. Während der über Leitung 5
abgezweigte Erdgasteilstrom vor dem Entspannungsventil V3 eine Temperatur von -126°C
bei einem Druck von 39,7 bar aufweist, erfolgt im Entspannungsventil V3 eine Entspannung
auf 9,3 bar. Am Ausgang des Wärmetauschers E1 schließlich weist dieser Teilstrom in
Leitung 5' eine Temperatur von 36°C auf und wird über Leitung 7' der Adsorptionsvorrichtung
A als Regeneriergas zugeführt. Nach erfolgter Regenerierung wird das Regeneriergas
über Leitung 8 aus der Adsorptionsvorrichtung A abgezogen. Die Deckung des für die
Abkühlung und Verflüssigung des Erdgasstromes benötigten Kältebedarfs erfolgt mittels
eines zusätzlichen Kältekreislaufes. Dieser Kältekreislauf sei hier nur schematisch
dargestellt, wobei über Leitung 9 und 10 das Kältemittel bzw. Kältemittelgemisch zur
Abkühlung und teilweisen Verflüssigung durch die Wärmetauscher E1, E2 und E3 bzw.
durch den Wärmetauscher E1 geführt wird, in den Entspannungsventilen V4 und V5 kälteleistend
entspannt und anschließend mittels Leitung 9' im Gegenstrom zu dem abzukühlenden Erdgasstrom
durch die Wärmetauscher E3, E2 und E1 geleitet wird. Als Kältemittel haben sich Gemische
aus Stickstoff und Methan oder Gemische aus Stickstoff, Methan sowie C₂- bis C₅-Kohlenwasserstoffen
bewährt. Derartige Kältekreisläufe gehören jedoch zum Stand der Technik, so daß auf
sie nicht näher eingegangen werden muß.
[0007] Es wäre auch denkbar, als den für die Regenerierung der Adsorptionsvorrichtung A
benötigten Erdgasteilstrom, den am Sumpf des Abscheiders D abgezogenen Aromaten- und
höhere Kohlenwasserstoff-reichen Strom zu verwenden. Dies ist jedoch nur dann möglich,
wenn der Gehalt an Aromaten und höheren Kohlenwasserstoffen des die Adsorptionsvorrichtung
A verlassenden Erdgasstromes so niedrig ist, daß auch bei einer Abkühlung auf diejenige
Temperatur, die eine Entspannung auf den Regeneriergasdruck sinnvoll macht, diese
Komponenten nicht bereits vor dem Abscheider D oder nach dem Entspannungsventil V2
ausfrieren und zu Verlegungen in den Leitungen führen. In der Regel wird schon aus
Sicherheitsgründen der Abscheider D auf ein Temperaturniveau ausgelegt, das auch die
Abtrennung einer größeren Menge an Aromaten und höheren Kohlenwasserstoffen ermöglicht.
[0008] Selbstverständlich ist es auch denkbar, nicht nur die zur Regenerierung der adsorptiven
Abtrennvorrichtung benötigte Erdgasteilstrommenge aus dem Erdgasstrom abzutrennen,
sondern die maximal an ein gegebenenfalls vorhandenes Niederdrucknetz abführbare Menge.
Wie groß die aus dem Erdgasstrom abgetrennte Erdgasteilstrommenge sein wird, wird
sich also immer nach den Randbedingungen, wie z.B. vorhandenes Niederdrucknetz, etc.,
orientieren.
[0009] Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nun das Druckgefälle zwischen Erdgasdruck
und Regeneriergasdruck als Kältequelle ausgenutzt werden. Dies führt dazu, daß die
für den Kältekreislauf benötigte Energie verringert werden kann, so daß sich der spezifische
Energieverbrauch bei der Erdgasverflüssigung erniedrigt. Gerade der spezifische Energiebedarf
ist neben den Investitionskosten der bestimmende Faktor für derartige Verfahren. Da
der Joule-Thompson-Effekt eine größere Temperaturdifferenz bewirkt als dies bei bekannten
Verfahren, die einen Teil des Erdgasstromes zu Regenerierzwecken bereits unmittelbar
hinter der Druckwechseladsorptionsvorrichtung A abziehen, der Fall ist, wird die benötigte
Wärmeaustauschfläche trotz leicht erhöhtem Wärmeumsatz geringer. Dadurch erniedrigen
sich zusätzlich die Kosten für die Wärmetauscher im kalten Teil des Verfahrens. Zusammenfassend
läßt sich feststellen, daß das erfindungsgemäße Verfahren ohne einen Mehraufwand an
Investitionen zu einer Erniedrigung des spezifischen Energieverbrauchs führt. Der
Energieverbrauch ist hierbei direkt proportional zu der Teilstrommenge, die unter
Ausnutzung des Joule-Thompson-Effekts entspannt wird.
1. Verfahren zum Verflüssigen eines unter Druck stehenden Erdgasstromes, bei dem der
Erdgasstrom zunächst mittels einer adsorptiven Abtrennvorrichtung von CO₂ und H₂O
gereinigt und der vorgereinigte Erdgasstrom anschließend in Wärmetausch mit wenigstens
einem in einem Kältekreislauf geführten Kältemittel gebracht und verflüssigt wird
und bei dem die adsorptive Abtrennvorrichtung mittels eines Regeneriergases, bestehend
aus einem Teilstrom des vorgereinigten Erdgasstromes und gegebenenfalls weiterer Restgasströme,
wie z.B. einem Flashgasstrom, regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß während des Abkühl- und Verflüssigungsprozesses des Erdgasstromes wenigstens der
zur Regenerierung der adsorptiven Abtrennvorrichtung benötigte Erdgasteilstrom bei
Erreichen derjenigen Temperatur abgetrennt wird, bei der der Wirkungsgrad der Kältenutzung
durch die Drosselung auf den Regeneriergasdruck maximal ist.
