<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Verflüssigung und Reinigung eines Erdgasstromes
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
3einigen Gasstrom gehalten ; in den Wärmeaustauschern scheidet sich unter der Voraussetzung, dass der
Gehalt an Kohlendioxyd und/oder Schwefelwasserstoff in diesem Gasstrom bei 50, 3 ata 13% nicht über- steigt, kein fester Stoff ab. Durch Aufrechterhaltung des geeigneten Druckes kann der Gasstrom auf - 45, 5 C abgekühlt werden, ohne dass sich bei Wärmeaustausch mit äusserer Kühlung und kalten, expan- 5 dieren Gasen, die dem Kreislauf erneut zugeführt werden, feste Teilchen bilden.
Im Anschluss an die Verflüssigung bei erhöhtem Druck kann der Strom zu einer Flüssigkeit kondensiert werden, indem der Strom gedrosselt wird und das in der Folge verdampfte Gas abgezogen wird. Während dieses Drosselvorganges wird die Temperatur des Flüssigkeitsstromes wesentlich verringert und die sauren
Gase frieren aus. Die sauren Gase können während dieses Drosselvorganges als feste Stoffe vom Methan D abgetrennt werden.
Wenn auch Kohlenwasserstoffe im Erdgas vorhanden sind, die schwerer sind als Me- titan, kann ein Druck unterhalb des kritischen Druckes des vereinigten Stromes (vereinigter Zufuhr- und Umlaufstrom), aber oberhalb der univarianten Kurve für das Gleichgewicht zwischen den dampf- förmigen, flüssigen und festen Phasen für denselben Strom gewählt werden, so dass während des Wärme- austausches die schweren Kohlenwasserstoffe kondensieren, ohne sich an der Wand des Austauschers als Feststoff abzusetzen, und vom Methan abgetrennt werden können.
Da es vorteilhaft ist, die schweren Kohlenwasserstoffe voneinander getrennt zu entfernen, können
Trennvorrichtungen für schwere Kohlenwasserstoffe an geeigneten Punkten in der Kühlstufe eingebaut werden, um die kondensierte Flüssigkeit aus dem Gasstrom abzutrennen. Während das an Methan reiche
Gas seinen Weg im Hauptverflüssigungskreislauf fortsetzt, kann die abgetrennte Flüssigkeit als eigener
Strom gedrosselt werden und die entstehende, an, schweren Kohlenwasserstoffen reiche Flüssigkeit als
Nebenprodukt gewonnen werden, indem sie aus einer hinter der letzten Drosselstufe liegenden Trenn- vorrichtung abgezogen wird.
In einem typischen Verflüssigungssystem, das die Erfindung insbesondere mit Bezug auf die Fig. 1 und 2 verkörpert, wird das aus der Quelle strömende Gas zuerst durch einen Wasserkühler 1 gekühlt und dann, wenn notwendig, durch eine Turboexpansionsvorrichtung 2 druckreduziert, u. zw. bis auf einen
Druck, der etwas oberhalb des Maximalwertes der univarianten Kurve für das Gleichgewicht zwischen den dampfförmigen, flüssigen und festen Phasen für den vereinigten Gasstrom liegt. Solange der Gehalt an Kohlendioxyd und/oder Schwefelwasserstoff 13% nicht übersteigt, bildet sich, wenn der Druck auf den
Strom oberhalb dieses Maximalwertes dieser Kurve gehalten wird, bei Erniedrigung der Temperatur des
Stromes kein fester Stoff.
Der Maximalwert der univarianten Kurve für das Gleichgewicht zwischen den dampfförmigen, flüssigen und festen Phasen für einen vereinigten Kohlendioxyd- und Methanstrom ist 50 ata, wie Fig. 3 zeigt.
Das Prinzip, dass sich kein fester Stoff in den Wärmeaustauschern abscheidet, kann durch Heranziehung eines einfachen Falles erläutert werden, bei dem das zu verflüssigende Gas nur Methan und Kohlendioxyd
EMI2.1
Methan-Kohlendioxyd-Gemisches zeigt. Dieser maximal tragbare Kohlendioxydgasgehalt kann durch die Anwesenheit anderer Bestandteile, wie z. B. Schwefelwasserstoff, Äthan, Propan usw., etwas abgeändert werden.
Im Anschluss an die Druckreduktion in der Turboexpansionsvorrichtung 2 wird in einem Trockner 3 Wasser aus dem Gas entfernt. Der getrocknete Gasstrom wird hierauf mit Gas von gleichem Druck vermischt, das dem Kreislauf erneut zugeführt werden soll, und dieser vereinigte Gasstrom wird in Wärme-
EMI2.2
wasserstoffe, die schwerer sind als Methan, in dem aus der Quelle strömenden Gas vorhanden sind, werden sie bei der Abkühlung des Stromes flüssig werden. Wenn nach der ersten Stufe in der Kühlanlage ein Flüssigkeitsabscheider 9 in das System eingebaut wird, kann das Kondensat der schwereren Kohlenwasserstoffe im Abscheider gesammelt und aus dem Gasstrom abgezogen werden.
Wenn z. B. das aus der Quelle strömende Gas aus 52, 5% Methan und 47, 5% schwereren Kohlenwasserstoffen besteht und in einer Menge von 792 kg/min strömt und mit Gas vereinigt wird, das dem Kreislauf erneut zugeführt werden soll, 95, 8% Methan und 4, 2% schwerere Kohlenwasserstoffe enthält und mit 314 kg/min strömt, dann wird, wenn diese Ströme vereinigt und auf-34, 4 C bei 50, 6 ata abgekühlt
EMI2.3
und die bei Abtrennung vom Hauptgasstrom mit 740 kg/min strömt, während der verbleibende Gasstrom 98% Methan und 2% schwerere Kohlenwasserstoffe enthält und mit 368 kg/min strömt.
- Ein Teil des im System vorhandenen Kohlendioxyds wird sich in den schwereren Kohlenwasserstoffen des Systems bei der geeigneten Temperatur lösen. Das im Gasstrom verbleibende Kohlendioxyd wird sich in diesem Stadium weder verflüssigen noch verfestigen, ausser der Kohlendioxydgehalt übersteigt 13% (s. Fig. 4).
Nach der Kühlstufe werden die getrennten Ströme aus Methan und schwereren Kohlenwasserstoffen unabhängig voneinander fortschreitend im wesentlichen auf Atmosphärendruck reduziert, u. zw. entweder
<Desc/Clms Page number 3>
in einer einzigen Stufe oder in mehreren Stufen auf jeweils niedrigere Drücke. Eine mehrstufige Reduktion kann mit Hilfe von Drosselventilen 10, 11 und 12 im Methanstrom und 13, 14 und 15 im Strom der schwereren Kohlenwasserstoffe erreicht werden. Die Gefahr der Verstopfung eines Drosselventils mit besonderer Stromlinienform durch das während der Drosselung entstandene Kohlendioxyd ist infolge der bei der Druckreduktion entstehenden Turbulenz äusserst gering.
Es ist jedoch als Vorsichtsmassnahme für jedes Drosselventil ein Heizmantel vorgesehen, so dass geringe Wärmemengen zugeführt und gegebenenfalls im Ventil sich niederschlagende feste Kohlendioxydteilchen wieder verflüssigt werden können.
EMI3.1
reren Kohlenwasserstoffe abgetrennt und tritt in Wärmeaustauschern 4, 5 und 6 mit dem Hochdruckstrom in Wärmeaustausch, u. zw. entweder allein oder zusammen mit andern dem Kreislauf erneut zugeführten
Strömen von gleichem Druck, vereinigt an Stellen gleicher Temperatur. Bevor dann die getrennten
Ströme der expandierten Gase dem Kreislauf erneut zugeführt werden, werden sie wieder auf den Druck des aus der Quelle ausströmenden Gasstromes verdichtet.
Dies geschieht dadurch, dass zunächst das von der Flüssigkeit nach dem letzten Drosselvorgang abgegebene Gas durch Verdichtung im Kompressor 22 und Kühlung im Wasserkühler 23 auf den Druck des Stromes vor der letzten Drosselstufe gebracht wird.
Dieses verdichtete Gas wird sodann mit dem nach dem vorletzten Drosselvorgang abgegebenen Gas ver- einigt, und dieser vereinigte Strom wird im Kompressor 24 und Kühler 25 auf den Druck des aus der
Quelle ausströmenden Gasstromes verdichtet urd abgekühlt. Das nach dem ersten Drosselvorgang in den Strom der schwereren Kohlenwasserstoffe eirgetreterc Gas wird im Kompressor 26 auf den Quellen- gasdruck verdichtet und im Kühler 27 gekühlt urd darn mit dem zur Wiedereinführung in den Kreislauf wiederverdichteten übrigen Gas vereinigt. Dieser vereinigte, verdichtete Strom, der dem Kreislauf erneut zugeführt werden soll, kann zu Beginn durch Wärmeaustausch mit dem expandierten Gas im Wärme- austauscher 28 gekühlt werden.
Das Kohlendioxyd im System bildet feste Teilchen, wenn der Methanstrom gedrosselt wird, und kann von der Flüssigkeit während des Drosselvorganges bequem abgetrennt werden.
Zwei einander abwechselnde Flüssigkeitsabscheider können bei jeder Trennvorrichtung vorgesehen sein, um den festen Stoff von der Flüssigkeit zu trennen, bevor sie zur nächsten Drosselstufe weiterfliesst. Da das spezifische Gewicht von festem Kohlendioxyd (1, 5 g/ml bei-56, 6 C) höher ist als das von flüssigem
Methan (0, 42 g/ml bei-161, 6 C), ist die Absetzung leicht zu erreichen und ist ein geeignetes Verfahren zur Phasentrennung. Nachdem sich genügend fester Stoff im Abscheider abgesetzt hat, kann die Flüssigkeit abgezogen und der feste Stoff durch Wärmezufuhr zu einer für jeden Abscheider vorgesehenen Dampf- schlange als Flüssigkeit entfernt werden.
Bei Anwendung der Flüssigkeitsabscheider werden die Zu- führungsrohre zu den Drosselventilen leicht angehoben, um zu verhindern, dass sie durch den abge- schiedenen festen Stoff verstopft werden. Wenn erwünscht, können auch Filtervorrichtungen an Stelle eines Abscheiders verwendet werden.
Das aus jeder der Trennvorrichtungen 16, 17 und 18 beim Drosselvorgang des Methanstromes ab- gezogene Gas ist wegen der Waschwirkung der Flüssigkeit während des Drosselvorganges praktisch frei von festen Verunreinigungen. Als Vorsichtsmassnahme können jedoch zwei Gaswäscher, die auch als
Flüssigkeitsfilter dienen können, für jede Trennvorrichtung vorgesehen sein. Das Gas, das aus jeder
Trennvorrichtung abgezogen wird, bevor es mit dem Hochdruckstrom in Wärmeaustausch tritt, wird also im Gegenstrom zu der aus derselben Trennvorrichtung abgezogenen Flüssigkeit durch Waschtürme 29, 30 bzw. 31 geführt. Die Flüssigkeit wird nach Passieren der Waschtürme in den Hauptstrom zurückgeführt, um den Drosselprozess weiter zu durchlaufen.
Die beiden für jede Trennvorrichtung vorgesehenen Waschtürme können abwechselnd verwendet werden, und der niedergeschlagene feste Stoff kann in flüssiger Form entfernt werden, indem dem Waschturm durch Dampfschlangen Wärme zugeführt wird. Das Kohlendioxyd kann sodann in den Behältern 32, 33 und 34 gesammelt werden.
Die aus der letzten Methantrennvorrichtung 18 abgezogene Flüssigkeit ist das gewünschte Methanprodukt, praktisch rein und angenähert auf Atmosphärendruck. In flüssiger Form nimmt Methan bei Atmosphärendruck etwa ein Fünfhundertstel des Raumes ein, den es in Gasform beansprucht. Dieses flüssige Methan wird in Lagerbehälter oder zu Transportgefässen geleitet, um an den Verwendungsort gebracht zu werden.
Das flüssige Nebenprodukt der schwereren Kohlenwasserstoffe kann als Flüssigkeit abgezogen werden oder zur zusätzlichen Kühlung verwendet werden, indem es vor der Entfernung aus dem System die Wärmeaustauscher 4, 5, 6 und 28 durchläuft.
Sollte in Ausnahmsfällen der Kohlendioxydgehalt die Toleranzgrenze (13%) überschreiten, kann trotzdem der erfindungsgemässe Kreislauf verwendet werden, wenn einige Zusatzeinrichtungen vorgesehen werden. Diese benötigte Zusatzeinrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Beispielsweise kann in einem Falle, in dem der vereinigte Gasstrom 30% Kohlendioxyd enthält, der Hochdruckstrom auf-70, 6' C abgekühlt werden, ohne dass festes Kohlendioxyd ausgeschieden wird. Dies ist in Fig. 4 dargestellt. In diesem Falle kann das Gas bis auf eine solche Temperatur abgekühlt werden, dass es nach dem Drosseln auf 47, 3 ata eine Temperatur von -69, 40 C erreicht, wie in Fig. 5 angedeutet ist.
Nach dieser Drosselstufe im Drosselventil 35 scheidet sich der grösste Teil des Kohlendioxyds in fester Form ab und der Kohlendioxydgehalt in der Gasphase wird auf etwa 8% sinken (Fig. 6). Der feste Stoff setzt sich im Ab-
<Desc/Clms Page number 4>
scheider 36 ab, und das Gas wird dann durch eine geeignete Waschflüssigkeit in der Waschvorrichtung 37 reingewaschen, im Kompressor 38 auf 50, 3 ata verdichtet und an dem entsprechenden Punkt der Haupt- gasleitung mit gleicher Temperatur wieder eingeführt, um anschliessend, wie in den Fig. 1 und 2 angedeutet, gekühlt und gedrosselt zu werden.
Die in der Waschvorrichtung 37 verwendete Flüssigkeit kann aus wieder zugeführtem flüssigem Methan aus der ersten Trennvorrichtung 16, aus schweren Kohlenwasserstoffen, die im Verflüssigungsprozess kondensiert wurden, oder aus einem von aussen aus einem getrennten Kreislauf eingeführten flüssigen
Kohlenwasserstoff bestehen. Das feste Kohlendioxyd im Waschturm 37 oder im Feststoffabscheider 36 kann durch Wärmezuführung zu den für diesen Zweck vorgesehenen Dampfschlangen entfernt werden.
Für ein Schwefelwasserstoff-Methan-System ist für das Gebiet höherer Drücke und niedriger Tempera- turen kein Phasendiagramm verfügbar ; da jedoch Schwefelwasserstoff nicht so leicht wie Kohlendioxyd auskondensiert, kann man abschätzen, dass keine Ausscheidung von Schwefelwasserstoff in fester Form an den Wänden des Wärmeaustauschers erfolgt, solange seine Konzentration nicht übermässig ist, also nicht mehr als etwa 13% im Quellengasstrom beträgt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Verflüssigung und Reinigung eines Erdgasstromes, der als Hauptbestandteil Methan, schwere Kohlenwasserstoffe und saure Gase (Kohlendioxyd und Schwefelwasserstoff) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Erdgasstromes bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung des Druckes des Erdgasstromes oberhalb des Maximalwertes der univarianten Kurve für das Gleichgewicht zwischen den dampfförmigen, flüssigen und festen Phasen des kombinierten Gasstromes erniedrigt wird, die verflüssigten schweren Kohlenwasserstoffe vom Erdgasstrom abgetrennt werden, die Temperatur des Gas- stromes auf einen Wert, der oberhalb der Erstarrungstemperatur der sauren Gase liegt, erniedrigt und anschliessend der Druck der abgetrennten verflüssigten schweren Kohlenwasserstoffe und des Hauptgasstromes auf Atmosphärendruck erniedrigt wird,
der Dampf der teilweise verdampften schweren Kohlenwasserstoffe und der Dampf aus dem teilweise verflüssigten Hauptgasstrom abgetrennt werden, die erstarrten sauren Gase vom teilweise verflüssigten Hauptgasstrom abgetrennt werden und die abgetrennten Dämpfe der schweren Kohlenwasserstoffe, die vom teilweise verflüssigten Hauptgasstrom abgetrennten Dämpfe in indirekter Wärmeaustauschbeziehung mit dem Erdgasstrom in der Anfangsstufe der Temperaturerniedrigung gebracht werden uid die Dämpfe durch Verdichtung und Vermischen mit dem als Ausgangsstoff verwendeten Erdgas in den Prozess zurückgeführt werden.