DE102016003305A1 - Verfahren zum Abtrennen einer ethanreichen Fraktion aus Erdgas - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen einer C2+-reichen Fraktion aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise aus Erdgas, beschrieben a) wobei die Einsatzfraktion partiell kondensiert und in eine gasförmige und eine flüssige Fraktion aufgetrennt wird, b) die gasförmige und die flüssige Fraktion rektifikatorischin eine Methan-reiche Gasfraktion und eine C2+-reiche Flüssigfraktion aufgetrennt werden, c) wobeiwenigstens 60 bis 90% der gasförmigen Fraktion auf den Druck der Rektifikationskolonne entspannt und der restliche Anteil der gasförmigen Fraktion gegen die Methan-reiche Fraktion verflüssigt und der Rektifikationskolonne als Rücklauf zugeführt wird. Erfindungsgemäß d) wird die Einsatzfraktion gegen die anzuwärmende Methan-reiche Gasfraktion partiell kondensiert, e) die Methan-reiche Gasfraktion anschließend auf einen Druck verdichtet, der wenigstens 10 bar, vorzugsweise wenigstens 20 bar über dem Betriebsdruck der Rektifikationskolonne liegt, und f) ein Teilstrom der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion arbeitsleistend entspannt und anschließend der Methan-reichen Gasfraktion vor deren Wärmetausch mit der partiell zu kondensierenden Einsatzfraktion zugeführt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen einer C2+-reichen Fraktion aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, vorzugsweise aus Erdgas, wobei
    • a) die Einsatzfraktion partiell kondensiert und in eine gasförmige und eine flüssige Fraktion aufgetrennt wird,
    • b) die gasförmige und die flüssige Fraktion rektifikatorischin eine Methan-reiche Gasfraktion und eine C2+-reiche Flüssigfraktion aufgetrennt werden,
    • c) wobei wenigstens 60 bis 90% der gasförmigen Fraktion auf den Druck der Rektifikationskolonne entspannt und der restliche Anteil der gasförmigen Fraktion gegen die Methan-reiche Fraktion verflüssigt und der Rektifikationskolonne als Rücklauf zugeführt wird.
  • Konventionelles Erdgas besteht überwiegend aus Kohlenwasserstoffen. Nach Methan weist Ethan in der Regel die zweithöchste molare Konzentration auf. Die Gewinnung von technisch reinem Ethan aus Erdgas ist eine wichtige Technologie, um sog. Gascracker mit dem Einsatzstoff für die Ethylenproduktion zu versorgen. Unter dem Begriff ”technisch reines Ethan” sei eine Ethan-reiche Fraktion mit einer Ethan-Konzentration von > 95 Mol-%, vorzugsweise > 98 Mol-% zu verstehen. Die Gewinnung einer C2+-Fraktion aus Erdgas erfolgt üblicherweise durch eine Kombination von partieller Kondensation und Rektifikation unter Einsatz von Wärmetauschernetzwerken. Da aus dem gasförmigen Erdgas ein flüssiges C2+-Produkt abgetrennt werden soll, muss die hierfür erforderliche Kälteleistung durch arbeitsleistende Entspannung und ggf. eine Kälteanlage bereitgestellt werden. Beispielhaft hierfür sei der sog. Gas-Subcooled-Prozess (GSP) angeführt, der in den US-Patenten 4,157,904 und 4,278,457 beschrieben ist.
  • Derartige Trennverfahren führen den Schnitt zwischen Methan und leichteren Komponenten wie Stickstoff sowie Ethan und schwereren Komponenten wie Propan und höheren Kohlenwasserstoffen durch. Anders ausgedrückt wird das Einsatzgas durch einen Demethanizer in ein leichtes, Methan-reiches Verkaufsgas und eine flüssige C2+-Fraktion zerlegt. Die weitere Auftrennung der C2+-Fraktion in Fraktionen gewünschter Zusammensetzung erfolgt in einer Kette von dem Demethanizer nachgeschalteten Destillationskolonnen.
  • Die vorgenannte Kälteanlage wird üblicherweise als geschlossene Propan- oder Propylenkälteanlage (nachfolgend als C3-Kälteanlage bezeichnet) ausgeführt, bei der das Kältemittel unter erhöhtem Druck gegen Umgebung kondensiert und anschließend bei niedrigerem Druck verdampft wird. Die Verdampfung kann auch in mehreren Druckstufen stattfinden, falls die Kälteleistung bei unterschiedlichen Temperaturen benötigt wird. Derartige C3-Kälteanlagen weisen jedoch folgende Nachteile auf:
    • – die Kondensation des Kältemittels erfordert bei stark schwankenden Umgebungstemperaturen (bedingt durch Jahreszeiten und/oder Tag/Nachtwechsel) einen großen Regelaufwand am Kreislaufverdichter, um den jeweils optimalen Kondensationsdruck zu gewährleisten. Ist der Enddruck des Kälteverdichters zu niedrig, kann die Kondensation nicht stattfinden und die Kälteanlage ist funktionslos. Ist hingegen der Enddruck zu hoch, wird unnötig Energie verbraucht und die Betriebskosten steigen. Wird eine C3-Kälteanlage beispielsweise an einem Standort mit ausgeprägtem Kontinentalklima eingesetzt, kann der optimale Enddruck zwischen 5 und 20 bar variieren.
    • – Die durchaus nennenswerten Investitionskosten einer C3-Kälteanlage müssen sich über eine erhöhte Produktausbeute (C2+-Fraktion) amortisieren.
    • – Das erforderliche Kältemittel (Propan oder Propylen) muss in geeigneter Reinheit und Menge bereitgestellt werden, wodurch zusätzliche Kosten entstehen.
    • – Die erreichbare Endtemperatur einer C3-Kälteanlage ist auf –40°C begrenzt, da bei tieferen Verdampfungstemperaturen Unterdruck an der Verdichtersaugseite entstehen kann, der zu einem sicherheitstechnisch unerwünschtem Eintrag von Luftsauerstoff führen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Abtrennen einer C2+-reichen Fraktion aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion anzugeben, das keine C3-Kälteanlage erfordert.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Abtrennen einer C2+-reichen Fraktion aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • d) die Einsatzfraktion gegen die anzuwärmende Methan-reiche Gasfraktion partiell kondensiert wird,
    • e) die Methan-reiche Gasfraktion anschließend auf einen Druck verdichtet wird, der wenigstens 10 bar, vorzugsweise wenigstens 20 bar über dem Betriebsdruck der Rektifikationskolonne liegt, und
    • f) ein Teilstrom der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion arbeitsleistend entspannt und anschließend der Methan-reichen Gasfraktion vor deren Wärmetausch mit der partiell zu kondensierenden Einsatzfraktion zugeführt wird.
  • Im Gegensatz zum Stand der Technik wird die für den Abtrennprozess erforderliche Kälteleistung nicht durch eine geschlossene Kälteanlage mit Phasenwechsel, sondern durch einen offenen Kältekreislauf mit arbeitsleistender Entspannung ausschließlich in der Gasphase bereitgestellt.
  • Erfindungsgemäß wird die bei der C2+-Abtrennung gewonnene Methan-reiche Gasfraktion vor ihrer Abgabe als Verkaufs- bzw. Sales Gas auf einen Druck verdichtet, der wenigstens 10 bar, vorzugsweise wenigstens 20 bar über dem Betriebsdruck der Rektifikationskolonne liegt; üblicherweise erfolgt eine Verdichtung auf wenigstens 50 bar, vorzugsweise mehr als 60 bar verdichtet; damit liegt der Druck des Verkaufs- bzw. Sales Gases deutlich über dem maximalen Betriebsdruck der Rektifikationskolonne bzw. des Demethanizers, der ca. 35 bar beträgt.
  • Der Druckunterschied zwischen Saug- und Druckseite des für die Verdichtung der Methan-reichen Gasfraktion erforderlichen Verdichters wird erfindungsgemäß ausgenutzt, um einen arbeitsleistenden Expander zu betreiben, in dem ein Teilstrom der zuvor verdichteten Methan-reichen Gasfraktion arbeitsleistend entspannt wird. Durch eine geeignete Wahl der Expander-Eintrittstemperatur und des Massenstromes dieses Teilstroms können Kälteleistung und Temperaturniveau den jeweiligen, u. U. schwankenden Erfordernissen des Abtrennprozesses angepasst werden.
  • Obwohl die erfindungsgemäße Verfahrensführung unter gewissen Umständen zu einer Erhöhung des Leistungsbedarfs der Anlage führen kann, ist diese Prozessführung vorteilhaft, da aufgrund des Verzichts auf eine C3-Kälteanlage alle oben beschriebenen Nachteile einer C3-Kälteanlage vermieden werden:
    • – Da die Kälte nicht durch Phasenwechsel, sondern durch arbeitsleistende Entspannung erzeugt wird, ist die Funktionsweise der Kälteerzeugung weitgehend von der Umgebungstemperatur unabhängig.
    • – Die Investitionskosten sind vergleichsweise niedrig, da der (erforderliche) Verdichter C bereits existiert und nur größer ausgelegt werden muss; der zusätzliche Expander X2 ist vergleichsweise kostengünstig.
    • – Da es sich um einen offenen Kreislauf mit Verkaufsgas als Kältemittel handelt, fallen keine Kosten für die Bereitstellung des Kältemittels an.
    • – Falls gewünscht, sind am Austritt des Expanders X2 ohne weiteres auch Temperaturen unter –40°C erreichbar, indem die Eintrittstemperatur am Expander passend eingestellt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen einer C2+-reichen Fraktion aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Rektifikationskolonne bei einem Druck zwischen 15 und 35 bar betrieben wird,
    • – die Methan-reiche Fraktion auf einen Druck von wenigstens 50 bar, vorzugsweise wenigstens 60 bar verdichtet wird,
    • – die partiell zu kondensierende Einsatzfraktion einen Druck zwischen 30 und 100 bar aufweist,
    • – ein Teilstrom der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion gegen die aus der Rektifikationskolonne abgezogene gasförmige Methan-reiche Gasfrktion verflüssigt und unterkühlt und der Rektifikationskolonne als weiterer Rücklauf zugeführt wird,
    • – der Teilstrom der gasförmigen Fraktion, der auf den Druck der Rektifikationskolonne entspannt wird, arbeitsleistend entspannt wird, und
    • – die mechanische Leistung wenigstens eines für die arbeitsleistende Entspannung verwendeten Expanders zum Antreiben eines Verdichters und/oder Generators verwendet wird.
  • Der Druck und damit das Temperaturniveau in der Rektifikationskolonne werden in vorteilhafter Weise soweit wie möglich (> 30 bar, vorzugsweise > 33 bar) angehoben. Die obere Grenze des Betriebsdrucks der Rektifikationskolonne wird durch den erforderlichen Dichteunterschied (> 250 kg/m3, vorzugsweise > 280 kg/m3) zwischen Flüssig- und Gasphase auf den Kolonnenböden der Rektifikationskolonne vorgegeben. Durch Anheben des Betriebsdrucks wird zwar die Kälteleistung des Expanders geschmälert, in dem wenigstens 60 bis 90% der gasförmigen Fraktion auf den Druck der Rektifikationskolonne entspannt werden. Dies kann aber ohne Einschränkung bezüglich Leistung und Temperaturniveau durch den zusätzlichen, der arbeitsleistenden Entspannung des Teilstromes der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion dienenden Expander kompensiert werden. In Summe ermöglicht der angehobene Betriebsdruck der Rektifikationskolonne eine höhere Kohlendioxid-Toleranz der gesamten C2+-Abtrennung, die im Wesentlichen durch die tiefste Temperatur in der Rektifikationskolonne bestimmt wird (hohe Temperatur = hohe CO2-Löslichkeit und umgekehrt).
  • In vorteilhafter Weise kann ein Teilstrom des Verkaufsgases, der nicht arbeitsleistend entspannt wird, gekühlt, verflüssigt, unterkühlt und anschließend der Rektifikationskolonne als zusätzlicher Rücklauf aufgegeben werden. Diese Verfahrensführung steigert die C2+-Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen einer C2+-reichen Fraktion aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die Kohlenwasserstoff-reiche Einsatzfraktion 1, bei der es sich vorzugsweise um Erdgas handelt und die üblicherweise unter einem Druck von wenigstens 50 bar vorliegt, wird im Mehrstromwärmetauscher E1 gegen noch zu beschreibende Verfahrensströme partiell kondensiert und über Leitung 1' einem Abscheider D zugeführt. Der bei der partiellen Kondensation anfallende Flüssiganteil der Einsatzfraktion wird über Leitung 4 und Entspannungsventil V2 der Rektifikationskolonne bzw. dem Demethanizer T zugeführt. Ein Anteil von wenigstens 60 bis 90% der bei der partiellen Kondensation der Einsatzfraktion 1 anfallenden gasförmigen Fraktion 2 wird in einer Entspannungsturbine X1 arbeitsleistend auf den Druck der Rektifikationskolonne T entspannt und dieser über Leitung 2' zugeführt. In vorteilhafter Weise wird die arbeitsleistende Entspannung X1 der gasförmigen Fraktion 2 zur Stromerzeugung in einem Generator G genutzt. Alternativ oder ergänzend dazu kann die arbeitsleistende Entspannung X1 der gasförmigen Fraktion 2 auch zur Verdichtung der noch zu beschreibenden Methan-reichen Gasfraktion 8 herangezogen werden.
  • Der restliche Anteil 3 der aus dem Abscheider D abgezogenen Gasphase wird im Wärmetauscher E2 gegen die aus der Rektifikationskolonne T abgezogene Methan-reiche Gasfraktion 7 vollständig verflüssigt und über Leitung 3' und Entspannungsventil V1 der Rektifikationskolonne T als Rücklauf zuführt. Mittels dieses Rücklaufs wird die Ethan-Ausbeute in der Rektifikationskolonne T wesentlich erhöht.
  • An geeigneter Stelle wird zudem aus der Rektifikationskolonne T wenigstens ein Seitenstrom 6 abgezogen, im Mehrstromwärmetauscher E1 partiell verdampft und der Rektifikationskolonne T unterhalb seiner Abzugsstelle erneut zugeführt. In der Praxis ist die Teilverdampfung wenigstens eines weiteren Seitenstromes im Mehrstromwärmetauscher E1 realisierbar. Üblicherweise wird die Rektifikationskolonne T bei einem Druck zwischen 15 und 35 bar betrieben.
  • Aus dem Sumpf der Rektifikationskolonne T wird eine C2+-reiche Flüssigfraktion 5 abgezogen und ggf. einer in der 1 nicht dargestellten weiteren Abtrennstufe zugeführt. Ein Teilstrom dieser Flüssigfraktion 5 wird im Reboiler E3 partiell verdampft und der Rektifikationskolonne T über Leitung 5' zugeführt.
  • Die am Kopf der Rektifikationskolonne T abgezogene Methan-reiche Gasfraktion 7 wird, wie erläutert, in den Mehrstromwärmetauschern E2 und E1 angewärmt und anschließend mittels zweier Verdichter C'/C auf einen Druck verdichtet, der wenigstens 10 bar, vorzugsweise wenigstens 20 bar über dem Betriebsdruck der Rektifikationskolonne T liegt. Nach Abführung der Verdichtungswärme im Nachkühler E4 wird der Hauptstrom 9 der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion ihrer weiteren Verwendung zugeführt. Erfindungsgemäß wird ein Teilstrom 10 der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion zunächst im Wärmetauscher E1 abgekühlt. Der abgekühlte Teilstrom 11 wird im Expander X2 arbeitsleistend entspannt und anschließend der Methan-reichen Gasfraktion vor deren Wärmetausch im Wärmetauscher E1 mit der partiell zu kondensierenden Einsatzfraktion 1 zugeführt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Teilstrom 12 der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion in den Wärmetauschern E1 und E2 gegen die aus der Rektifikationskolonne T abgezogene, anzuwärmende Methan-reiche Gasfraktion 7 abgekühlt, verflüssigt, unterkühlt und anschließend der Rektifikationskolonne T über das Entspannungsventil V3 als weiterer Rücklauf zugeführt, wodurch die C2+-Ausbeute gesteigert wird.
  • Wie vorstehend erwähnt, kann die arbeitsleistende Entspannung X1 der gasförmigen Fraktion 2 zur Verdichtung der Methan-reichen Gasfraktion 8 herangezogen werden. Bei der in der 1 dargestellten Verfahrensführung ist die Vorverdichterstufe C' in vorteilhafter Weise derart ausgelegt, dass sie ausschließlich durch den Expander X1 bzw. die in ihm gewonnene Leistung angetrieben wird. Grundsätzlich gilt, dass alternativ oder ergänzend auch eine Nachverdichterstufe derart betrieben werden kann.
  • Sofern – wie in der deutschen Patentanmeldung 102015009254 beschrieben – die aus dem Sumpf der Rektifikationskolonne T abgezogene C2+-reiche Flüssigfraktion 5 einer in der 1 nicht dargestellten C2/C3-Trennung (Deethanizer) zugeführt wird, kann deren Kopfkühlung, wie in der vorgenannten Patentanmeldung beschrieben, in den Mehrstromwärmetauscher E1 integriert werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 4157904 [0002]
    • US 4278457 [0002]
    • DE 102015009254 [0022]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Abtrennen einer C2+-reichen Fraktion (5) aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Einsatzfraktion (1), vorzugsweise aus Erdgas, wobei a) die Einsatzfraktion (1) partiell kondensiert (E1) und in eine gasförmige (2, 3) und eine flüssige Fraktion (4) aufgetrennt wird (D), b) die gasförmige (2, 3) und die flüssige Fraktion (4) rektifikatorisch (T) in eine Methan-reiche Gasfraktion (7) und eine C2+-reiche Flüssigfraktion (5) aufgetrennt werden, c) wobei wenigstens 60 bis 90% der gasförmigen Fraktion (2) auf den Druck der Rektifikationskolonne (T) entspannt (X1) und der restliche Anteil der gasförmigen Fraktion (3) gegen die Methan-reiche Fraktion (7) verflüssigt (E2) und der Rektifikationskolonne (T) als Rücklauf zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass d) die Einsatzfraktion (1) gegen die anzuwärmende Methan-reiche Gasfraktion (7) partiell kondensiert wird (E1), e) die Methan-reiche Gasfraktion (8) anschließend auf einen Druck verdichtet wird (C, C'), der wenigstens 10 bar, vorzugsweise wenigstens 20 bar über dem Betriebsdruck der Rektifikationskolonne (T) liegt, und f) ein Teilstrom (10, 11) der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion (9) arbeitsleistend entspannt (X2) und anschließend der Methan-reichen Gasfraktion (7) vor deren Wärmetausch (E1) mit der partiell zu kondensierenden Einsatzfraktion (1) zugeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifikationskolonne (T) bei einem Druck zwischen 15 und 35 bar betrieben wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Methan-reiche Fraktion (7, 8) auf einen Druck von wenigstens 50 bar, vorzugsweise wenigstens 60 bar verdichtet wird (C, C').
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell zu kondensierende Einsatzfraktion (1) einen Druck zwischen 30 und 100 bar aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom (12) der verdichteten Methan-reichen Gasfraktion (9) gegen die aus der Rektifikationskolonne (T) abgezogene gasförmige Methan-reiche Gasfraktion (7) verflüssigt und unterkühlt (E1, E2) und der Rektifikationskolonne (T) als weiterer Rücklauf zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilstrom der gasförmigen Fraktion (2), der auf den Druck der Rektifikationskolonne (T) entspannt wird, arbeitsleistend entspannt wird (X1).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Leistung wenigstens eines für die arbeitsleistende Entspannung verwendeten Expanders (X1, X2) zum Antreiben eines Verdichters (C, C') und/oder Generators verwendet wird.
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