DE102008059011A1 - Helium-Gewinnung - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion aus einer im Wesentlichen Kohlendioxid, Helium, Methan und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion beschrieben, das folgende Verfahrensschritte aufweist: a) Abtrennung des Kohlendioxids (B) aus der Einsatzfraktion (1, 2) b) Adsorptive Auftrennung (C) der aus der Kohlendioxid-Abtrennung (B) abgezogenen Kohlendioxid-abgereicherten Fraktion (3) in eine Kohlendioxid-reiche Restfraktion (11) und eine Helium-angereicherte Fraktion (4, 5) c) Kryogene Abtrennung von Stickstoff, Methan und höheren Kohlenwasserstoffen (E) aus der Helium-angereicherten Fraktion (4, 5) und d) Adsorptive Auftrennung (F) der aus der kryogenen Stickstoff-Abtrennung (E) abgezogenen Stickstoff-abgereicherten Fraktion (6) in eine Stickstoff-reiche Restfraktion (13) und die Helium-reiche Produktfraktion (7).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion aus einer im Wesentlichen Kohlendioxid, Helium, Methan und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion.
  • Es existieren etliche Hochdruck-Gasquellen, bei denen das ausströmende Gasgemisch zu einem Großteil aus Kohlendioxid besteht. Der Kohlendioxid-Anteil beträgt üblicherweise zwischen 70 und 98 Vol-%. Darüber hinaus weist das Gasgemisch geringe Anteile an Methan – üblicherweise zwischen 0,1 und 20 Vol-% – und schwereren Kohlenwasserstoffen auf sowie Helium-Anteile bis zu 1 Vol-%. Die Gasgemische derartiger Quellen werden bisher üblicherweise für die sog. Enhanced Oil Recovery (EOR) verwendet.
  • Da das Edelgas Helium jedoch zunehmend knapp wird, wird angedacht, derartige Quellen auch für die Gewinnung von Helium zu nutzen. Dazu wäre es erforderlich, aus dem Gasgemisch eine Helium-reiche Produktfraktion herzustellen, die im Hinblick auf den Druck sowie die in ihr enthaltenen Spurenkomponenten eine unmittelbare Zuführung in einen Helium-Verflüssigungsprozess ermöglicht. Die Helium-reiche Produktfraktion müsste daher einen Helium-Anteil von wenigstens 50 Vol-% aufweisen.
  • Der Festpunkt von Kohlendioxid liegt bei ca. –55°C, wobei dieser im Wesentlichen unabhängig von dem jeweiligen Druck ist. Dies hat zur Folge, dass mittels einer Tieftemperaturzerlegung nur eine Grobabtrennung des Kohlendioxids aus dem Gasgemisch erfolgen kann. Eine weitere Kohlendioxid-Abtrennung kann ausschließlich durch alternative Verfahren, wie beispielsweise den sog. BCCK-Prozess mit integrierter Methanol-Wäsche oder einen Druckwechseladsorptionsprozess erfolgen. Das vorgenannte BCCK-Verfahren ist jedoch vergleichsweise aufwändig, während Druckwechseladsorptionsprozesse aufgrund der ähnlichen Molekülgrößen von Kohlendioxid und Methan ebenfalls nur begrenzt in Betracht gezogen werden können.
  • Bisher ist kein geeignetes Verfahren zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion aus einer im Wesentlichen Kohlendioxid, Helium, Methan und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion bekannt, das eine Helium-Gewinnung mit hoher Ausbeute bei gleichzeitig geringem Energie-, Maschinen- und/oder Investitionskostenaufwand ermöglicht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion anzugeben, das dieses Problem löst und die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion angegeben, das folgende Verfahrensschritte aufweist:
    • a) Abtrennung des Kohlendioxids aus der im Wesentlichen Kohlendioxid, Helium, Methan und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion
    • b) Adsorptive Auftrennung der aus der Kohlendioxid-Abtrennung abgezogenen Kohlendioxid-abgereicherten Fraktion in eine Kohlendioxid-reiche Restfraktion und eine Helium-angereicherte Fraktion
    • c) Kryogene Abtrennung von Stickstoff, Methan und höheren Kohlenwasserstoffen aus der Helium-angereicherten Fraktion und
    • d) Adsorptive Auftrennung der aus der kryogenen Stickstoff-Abtrennung abgezogenen Stickstoff-abgereicherten Fraktion in eine Stickstoff-reiche Restfraktion und die Helium-reiche Produktfraktion
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Helium-reiche Produktfraktion einen Helium-Gehalt von wenigstens 30 Vol-%, vorzugsweise von wenigstens 50 Vol-% aufweist,
    • – die Kohlendioxid-reiche Restfraktion und die Stickstoff-reiche Restfraktion gemeinsam verdichtet werden, wobei die Verdichtung vorzugsweise mittels wenigstens eines Schraubenverdichters erfolgt,
    • – die Kohlendioxid-reiche Restfraktion und/oder die Stickstoff-reiche Restfraktion der Einsatzfraktion vor deren Zuführung in die kryogene Kohlendioxid-Abtrennung zugemischt wird bzw. werden,
    • – der kryogenen Stickstoff-Abtrennung ein Kohlendioxid-Guard(Schutz)-Bett vorgeschaltet ist,
    • – sofern die Einsatzfraktion in wenigstens einem Wärmetauscher abgekühlt und anschließend in einer Trennkolonne aufgetrennt wird, der Aufkocher der Trennkolonne in den Wärmetauscher integriert ist, und
    • – die im Wesentlichen Kohlendioxid, Helium, Methan und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltende Einsatzfraktion einen Kohlendioxid-Anteil von maximal 98 Vol-%, einen Methan-Anteil von maximal 10 Vol-% und einen Helium-Anteil von maximal 2 Vol-% aufweist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Wie anhand der 1 dargestellt, wird über Leitung 1 die im Wesentlichen Kohlendioxid, Helium, Stickstoff, Methan und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltende Einsatzfraktion einer optional vorzusehenden Trocknungs-Einheit A zugeführt. Das in dieser aus der Einsatzfraktion abgetrennte Wasser wird über Leitung 1' abgezogen und, sofern erforderlich, einer Abwasser-Nachbehandlung unterzogen.
  • Die derart von Wasser befreite Einsatzfraktion wird über Leitung 2 aus der Trocknungs-Einheit A abgezogen, im Wärmetauscher X partiell kondensiert, entspannt a und einer Trennkolonne B zugeführt. Eine derartige Trennkolonne B ist dann vorzusehen, wenn das Verfahren eine möglichst hohe Helium-Ausbeute erreichen soll. Hierbei ist der Aufkocher – dargestellt durch die Leitungsführung 10 – in vorteilhafter Weise in den Wärmetauscher X integriert. Alternativ zu der in der 1 gezeigten Trennkolonne B kann auch lediglich ein Abscheider vorgesehen werden.
  • Aus dem Sumpf dieser Trennkolonne B wird über Leitung 8 eine flüssige Kohlendioxid-reiche Restfraktion, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, abgezogen.
  • Am Kopf der Trennkolonne B wird über Leitung 3 eine Kohlendioxid-abgereicherte Gasfraktion abgezogen, im Wärmetauscher X angewärmt und einem Adsorptions-Prozess C zugeführt. Dieser dient der adsorptiven Abtrennung von Kohlendioxid und ist vorzugsweise als Druckwechseladsorptionsprozess ausgelegt. Derartige Druckwechseladsorptionsprozesse erlauben eine Abreicherung von Kohlendioxid auf einen Restgehalt von weniger als 5 Vol-ppm. Die in dem Adsorptions-Prozess C anfallende Kohlendioxid-reiche Restfraktion, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, wird über Leitung 11 abgezogen.
  • Die von Kohlendioxid weitgehend befreite, Helium-angereicherte Fraktion wird über Leitung 4 aus dem Adsorptions-Prozess C abgezogen und einem optional vorzusehenden Kohlendioxid-Schutz-Bett D für die weitere Reduzierung des Kohlendioxid-Gehaltes zugeführt. Dies dient der Verhinderung eventuell auftretender Kohlendioxid-Durchbrüche, die zu einer Verlegung der nachgeschalteten kryogenen Zerlegungseinheit E durch ausfrierendes Kohlendioxid führen würden.
  • Die aus dem Kohlendioxid-Schutz-Bett D abgezogene, Helium-angereicherte Fraktion wird über Leitung 5 einer kryogenen Stickstoff-Abtrenneinheit E zugeführt. Diese besteht aus einer oder mehreren Trennkolonnen, die eine Auftrennung in eine Stickstoff- und Methan-abgereicherte Fraktion 6 und eine Stickstoff-reiche Restfraktion 12 ermöglichen. Neben Stickstoff dient diese Abtrenneinheit E auch der rektifikatorischen Abtrennung von Methan und höheren Kohlenwasserstoffen, die über die Stickstoff-reiche Restfraktion 12 abgezogen werden. Hierbei muss der in der Abtrenneinheit E realisierte Tieftemperaturtrennprozess derart ausgelegt sein, dass die Abtrennung von Stickstoff, Methan und höheren Kohlenwasserstoffen so weit erfolgt, dass eine Weiterverarbeitung der Helium-reichen, Stickstoff-abgereicherten Fraktion in einem nachgeschalteten Adsorptionsprozess möglich ist.
  • Die über Leitung 6 abgezogene Stickstoff-abgereicherte Fraktion wird in einem Adsorptionsprozess F folglich soweit von Stickstoff und Methan befreit, dass aus dem Adsorptionsprozess F über Leitung 7 die gewünschte Helium-reiche Produktfraktion abgezogen und einem in der Figur nicht dargestellten Helium-Verflüssigungsprozess zugeführt werden kann.
  • Auch der vorgenannte Adsorptionsprozess F ist vorzugsweise als Druckwechseladsorptionsprozess ausgelegt. Die über Leitung 13 abgezogene Stickstoff-reiche Restfraktion des Adsorptionsprozesses F wird vorzugsweise gemeinsam mit der Kohlendioxid-reichen Restfraktion aus dem Adsorptionsprozess C einer ein- oder mehrstufig ausgelegten Verdichtungseinheit G zugeführt. In dieser erfolgt eine Verdichtung auf ein Druckniveau, das eine Zumischung der beiden Restgasfraktionen über Leitung 14 in die der Trennkolonne B zuzuführende Einsatzfraktion in der Leitung 2 ermöglicht. Die gemeinsame Verdichtung der beiden vorgenannten Restfraktionen in einer Verdichtungseinheit G ermöglicht eine Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten.
  • Die aus dem Sumpf der Trennkolonne B abgezogene flüssige Kohlendioxid-reiche Restfraktion wird in zwei Ströme aufgeteilt. Über Leitung 8 wird ein geringer Teilstrom auf einen Druck zwischen 5 und 20 bar entspannt b, um die Kältemittelversorgung für den Wärmetauscher X zu gewährleisten. Mit dieser Vorgehensweise wird eine zusätzliche Kälteeinheit für diese kryogene Abtrennung eingespart. Der angewärmte Strom wird in einer ein- oder mehrstufig ausgebildeten Verdichtereinheit V1 komprimiert. Der Hauptstrom der aus der Trennkolonne B abgezogenen flüssigen Kohlendioxid-reichen Restfraktion wird über Leitung 8' dem Wärmetauscher X zugeführt und nach Verdampfung und Anwärmung dem in der Verdichtereinheit V1 verdichteten Teilstrom zugemischt. Diese Mischung wird in einer weiteren ein- oder mehrstufig ausgeführten Verdichtereinheit V2 auf den gewünschten Abgabedruck verdichtet und über Leitung 9 aus dem Prozess abgeführt. Mit dieser Verfahrensführung wird eine Minimierung der Gesamt-Verdichterleistung für diese Einheit erreicht.
  • Die bereits erwähnte, in der kryogenen Stickstoff-Abtrennung E anfallende Stickstoff-reiche Restfraktion wird über Leitung 12 einer ein- oder mehrstufig ausgelegten Verdichtereinheit H zugeführt und nach erfolgter Verdichtung über Leitung 15 vorzugsweise der Kohlendioxid-reichen Restfraktion in der Leitung 9 zugemischt. Ein Teilstrom der verdichteten Stickstoff-reichen Restfraktion kann über die gestrichelt gezeichnete Leitung 16 zum Zwecke der Kälteversorgung in die kryogene Stickstoff- Abtrennung E zurückgeführt werden. Damit kann ein eigener Kältekreislauf für diese Abtrenneinheit E eingespart werden, woraus eine Reduzierung von Investitions- und Betriebskosten resultiert.
  • Die 2 zeigt eine mögliche Ausführungsform der in der 1 dargestellten Stickstoff-Abtrenneinheit E. Diese besteht im Wesentlichen aus einem Wärmetauscher X' sowie einer Trennkolonne B'. Über Leitung 5 wird die Helium-angereicherte Fraktion dem Wärmetauscher X' zugeführt, in diesem partiell kondensiert, anschließend entspannt a und über Leitung 5' der Trennkolonne B' zugeführt. Ein Teilstrom der Helium-angereicherten Fraktion wird nach Durchgang durch den Wärmetauscher X' über Leitung 5'' der Sumpfheizung der Trennkolonne B' und anschließend der Trennkolonne B' selbst zugeführt.
  • Am Kopf der Trennkolonne B' wird über Leitung 6 die Stickstoff- und Methanabgereicherte Fraktion abgezogen und der anhand der 1 beschriebenen Weiterbehandlung zugeführt. Aus dem Sumpf der Trennkolonne B' wird über Leitung 12 die Stickstoff-reiche Restfraktion abgezogen und der ein- oder mehrstufig ausgelegten Verdichtereinheit H zugeführt. Die verdichtete Kohlendioxid-reiche Restfraktion wird über Leitung 15 abgezogen. Wie bereits erwähnt, kann ein Teilstrom der verdichteten Stickstoff-reichen Restfraktion über Leitung 16 zum Zwecke der Kälteversorgung der Stickstoff-Abtrenneinheit E in die kryogene Stickstoff-Abtrennung E zurückgeführt werden.
  • In vorteilhafter Weise wird die Stickstoff-reiche Restfraktion 16 im Wärmetauscher X' auf eine Zwischentemperatur abgekühlt. Ein Teilstrom 16' der abgekühlten Restfraktion wird auf den Saugdruck der Verdichtereinheit H entspannt, erneut im Wärmetauscher X' angewärmt und der Stickstoff-reichen Restfraktion 12 zugemischt. Der restliche Teilstrom 16'' wird bis zum kalten Ende des Wärmetauschers X' gefahren und ebenfalls auf den Saugdruck der Verdichtereinheit H entspannt, um gemeinsam mit dem entspannten Sumpfprodukt 12 der Trennkolonne B' die Spitzenkälte für diese kryogene Abtrenneinheit bereitzustellen. Nacherfolgter Entspannung wird auch dieser Teilstrom 16'' der Stickstoff-reichen Restfraktion wieder im Wärmetauscher X' angewärmt. Sofern es der Kältebedarf der Stickstoff-Abtrenneinheit E erlaubt, kann auf einen der beiden vorbeschriebenen Teilströme 16'/16'' verzichtet werden.
  • Sofern die der Trennkolonne B' über Leitung 5 zugeführte Helium-angereicherte Fraktion einen Methan-Gehalt von mehr als 0.5 Vol-% aufweist, kann zusätzlich eine Brenngasfraktion gewonnen werden. In diesem Falle wird die Helium-angereicherte Fraktion im Wärmetauscher X lediglich ankondensiert und anschließend einem in der 2 nicht dargestellten Abscheider zugeführt. Aus dem Sumpf dieses Abscheiders wird eine Methan-reiche Flüssigfraktion abgetrennt, auf den gewünschten Brenngasdruck entspannt, im Wärmetauscher X' angewärmt und als Brenngasfraktion abgegeben. Die am Kopf des Abscheiders abgezogenen, an Methan abgereicherte Gasfraktion wird im Wärmetauscher X' weiter abgekühlt und über Leitung 5' in die Trennkolonne B' gefahren.
  • Vorzugsweise sind sämtliche Verdichtereinheiten als kostengünstige Schraubenverdichter ausgelegt, wobei dies jedoch nur dann gilt, wenn die Druckverhältnisse für die Schraubenverdichter günstig sind.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion weist gegenüber den zum Stand der Technik zählenden Verfahren eine Vielzahl von Vorteilen auf:
    • – Niedrige Investitionskosten durch Integration der beiden Adsorptionsprozesse C/F und der kryogenen Stickstoff-Abtrenneinheit E mit der Recycle-Verdichtungseinheit G.
    • – Niedrige Investitions- und Betriebskosten durch Minimierung der Maschinenanzahl; des Weiteren können überwiegend vergleichsweise kostengünstige Schraubenverdichter zur Anwendung kommen.
    • – Kein Fremdkältebedarf bzw. externer Kältekreislauf erforderlich, falls – wie vorstehend erläutert – die Kälteversorgung der Abtrenneinheit E in die Verdichtereinheit H integrierten ist.
    • – Die aus dem Adsorptionsprozess F abgezogene Helium-reiche Produktfraktion 7 kann unmittelbar ohne weitere Bearbeitung einem Helium-Verflüssigungsprozess zugeführt werden.
    • – Es ist eine Helium-Gewinnungsrate von bis zu 100% realisierbar, sofern die Kohlendioxid-Abtrennung mittels einer Trennkolonne B erfolgt; hierbei ermöglicht die Integration des Aufkochers 10 in den Wärmetauscher X ein besonders energiesparendes Verfahren.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Gewinnen einer Helium-reichen Produktfraktion aus einer im Wesentlichen Kohlendioxid, Helium, Methan und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion, aufweisend folgende Verfahrensschritte: a) Abtrennung des Kohlendioxids (B) aus der Einsatzfraktion (1, 2) b) Adsorptive Auftrennung (C) der aus der Kohlendioxid-Abtrennung (B) abgezogenen Kohlendioxid-abgereicherten Fraktion (3) in eine Kohlendioxidreiche Restfraktion (11) und eine Helium-angereicherte Fraktion (4, 5) c) Kryogene Abtrennung von Stickstoff, Methan und höheren Kohlenwasserstoffen (E) aus der Helium-angereicherten Fraktion (4, 5) und d) Adsorptive Auftrennung (F) der aus der kryogenen Stickstoff-Abtrennung (E) abgezogenen Stickstoff-abgereicherten Fraktion (6) in eine Stickstoff-reiche Restfraktion (13) und die Helium-reiche Produktfraktion (7)
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Helium-reiche Produktfraktion (7) einen Helium-Gehalt von wenigstens 30 Vol-%, vorzugsweise von wenigstens 50 Vol-% aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxid-reiche Restfraktion (11) und die Stickstoff-reiche Restfraktion (13) gemeinsam verdichtet werden (G), wobei die Verdichtung vorzugsweise mittels wenigstens eines Schraubenverdichters erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlendioxid-reiche Restfraktion (11) und/oder die Stickstoff-reiche Restfraktion (13) der Einsatzfraktion (2) vor deren Zuführung in die kryogene Kohlendioxid-Abtrennung (B) zugemischt wird bzw. werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kryogenen Stickstoff-Abtrennung (E) ein Kohlendioxid-Guard(Schutz)-Bett (D) vorgeschaltet ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Einsatzfraktion (1, 2) in wenigstens einem Wärmetauscher (X) abgekühlt und anschließend in einer Trennkolonne (B) aufgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufkocher (10) der Trennkolonne (B) in den Wärmetauscher (X) integriert ist.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen Kohlendioxid, Helium, Methan und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltende Einsatzfraktion einen Kohlendioxid-Anteil von maximal 98 Vol-%, einen Methan-Anteil von maximal 10 Vol-% und einen Helium-Anteil von maximal 2 Vol-% aufweist.
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