DE102010047543A1 - Abtrennen von Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1, 1'), die im Wesentlichen Methan, Wasserstoff und Stickstoff enthält, beschrieben. Erfindungsgemäß erfolgt vor der Verflüssigung (V) der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1, 1') eine permeative Abtrennung (M) des Wasserstoffs (2). Diese permeative Abtrennung (M) des Wasserstoffs (2) wird in einem ein- oder mehrstufigen Abtrennprozess realisiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die im Wesentlichen Methan, Wasserstoff und Stickstoff enthält.
  • Gattungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Bei derartigen Verfahren, die beispielsweise der Verflüssigung von Erdgas dienen, wird die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion im indirekten Wärmetausch gegen einen oder mehrere Kältekreisläufe abgekühlt und dabei verflüssigt. Sofern die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion Komponenten enthält, die entweder in dem zu gewinnenden Flüssigprodukt nicht enthalten sein sollen oder zu Verlegungen im kalten Teil des Verflüssigungsprozesses führen können, sind diese vor und/oder während des Abkühlens der zu verflüssigenden Fraktion aus dieser zu entfernen. Die vorgenannten unerwünschten Komponenten sind insbesondere Aromaten, höhere Kohlenwasserstoffe, Wasser, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
  • Da mit verflüssigtem Erdgas-Produkt (LNG) zurzeit vergleichsweise hohe Preise erzielbar sind, werden gegenwärtig neue Erdgasquellen für die vorgenannten Verflüssigungsprozesse in Erwägung gezogen bzw. gesucht. Lediglich beispielhaft für diese neuen Erdgasquellen seien Methan-reiche Gasgemische, die aus Kohlevergasung- oder Methanisierungsprozessen stammen, genannt. Diese Methan-reichen Gasgemische weisen jedoch auch wesentliche Anteile an Wasserstoff auf, wobei diese auch mehr als 20 Vol-% betragen können. Daneben enthalten diese Methan-reichen Gasgemische oftmals mehr als 10 Vol-% Stickstoff sowie Spuren von Edelgasen, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
  • Da das verflüssigte End- bzw. LNG-Produkt vorgegebene Spezifikationen erfüllen muss, ist der vorgenannte Wasserstoffaus der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zu entfernen. Aufgrund seiner guten Löslichkeit in der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion bzw. dem verflüssigten Erdgas kann Wasserstoff im Gegensatz zu Helium nichtausschließlich durch eine ein- oder mehrstufige Abscheidung abgetrennt werden. Auch ein konventioneller Tieftemperatur-Trennprozess wäre sehr energieaufwendig, da Wasserstoff ebenfalls sehr tief siedet und die Trennung von Wasserstoff und Methan eine sehr tiefe Temperatur erfordert. Prinzipiell wäre eine derartige Trennung jedoch realisierbar.
  • Es besteht daher das Bedürfnis, ein Verflüssigungsverfahren für Kohlenwasserstoff-reiche Fraktionen, die einen nicht unerheblichen Anteil an Wasserstoff enthalten, anzugeben, bei dem eine weniger energieaufwendige Abtrennung des Wasserstoffs realisierbar ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die im Wesentlichen Methan und Wasserstoff enthält, anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet, dass vor der Verflüssigung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion eine permeative Abtrennung des Wasserstoffs erfolgt. Hierbei passiert die wasserstoffreiche Fraktion üblicherweise als Niederdruckstrom die Membranschicht, während die wasserstoffarme Fraktion bei annähernd dem Druck, mit dem die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion der permeativen Abtrennungseinheit zugeführt wird, abgegeben wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die permeative Abtrennung des Wasserstoffs in einem ein- oder mehrstufigen Abtrennprozess realisiert wird,
    • – der abgetrennte Wasserstoff verdichtet wird,
    • – sofern die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion zwischengespeichert und bei dieser Zwischenspeicherung eine Tankrückgasfraktion anfällt, diese verdichtet wird,
    • – sofern während des Verflüssigungsprozesses der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion eine Stickstoff-reiche Fraktion abgetrennt wird, diese verdichtet wird, und
    • – der verdichtete Wasserstoff und/oder die verdichtete Tankrückgasfraktion und/oder die verdichtete Stickstoff-reiche Fraktion zusammengeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Über Leitung 1 wird die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion, die im Wesentlichen Methan und Wasserstoff sowie ggf. Stickstoff in nennenswerten Mengen aufweist, einer optional vorzusehenden Vorreinigungseinheit R zugeführt. Diese Vorreinigungseinheit R dient der Abtrennung unerwünschter Komponenten, die entweder in dem zu verflüssigenden Produkt (LNG) nicht enthalten sein sollen oder während des nachfolgenden Verflüssigungsprozesses V ausfrieren und damit zu Störungen des Verflüssigungsprozesses V führen können. Diese Vorreinigungseinheit R kann alternativ vollständig oder teilweise in den Verflüssigungsprozess V integriert sein.
  • Die vorgereinigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion wird über Leitung 1' einer Membranbrenneinheit M zugeführt. Aus dieser wird über Leitung 2 ein Wasserstoff-reicher Permeatstrom abgezogen, während über Leitung 3 die weitgehend von Wasserstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen wird. In der Membranbrenneinheit M wird ein ein- oder mehrstufiger permeativer Abtrennprozess realisiert.
  • Die weitgehend von Wasserstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 3 wird anschließend einem beliebig ausgestalteten Verflüssigungsprozess V zugeführt. Es sei betont, dass der erfindungsgemäße Gedanke – nämlich die Abtrennung von Wasserstoff mittels Permeation – mit jedem beliebigen Verflüssigungsprozess kombiniert werden kann.
  • Die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion wird im Ventil a entspannt und anschließend über Leitung 4 in einen der Zwischenspeicherung dienenden Lagertank T geführt. Die Entnahme des verflüssigten Produkts bzw. LNG aus dem Lagertank T erfolgt über Leitung 5. Kommt es innerhalb des Lagertanks T zur Bildung von Tankrück- bzw. Flashgas, kann dieses über die Leitung 6 aus dem Lagertank T abgeführt werden. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses Tankrück- bzw. Flashgas der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zugemischt werden. Sofern die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion vor der Zuführung in die Membranbrenneinheit M verdichtet wird, ist es von Vorteil, wenn das zurückgeführte Tankrückgas der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor dieser Verdichtung zugemischt wird.
  • Sofern der Stickstoffgehalt in der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1/1' unterhalb von einem Vol-% liegt, kann im Regelfall auf eine, in den Verflüssigungsprozess integrierte Stickstoff-Abtrennung verzichtet werden, da die Spezifikation für das LNG-Produkt üblicherweise eine Stickstoff-Konzentration von max. 1 Vol-% zulässt. Bei Stickstoffgehalten von mehr als 3 Vol-% in der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1/1' wird üblicherweise im Verflüssigungsprozess V eine Stickstoff-Abtrennung realisiert. Die mittels dieser abgetrennte Stickstoff-reiche Fraktion wird über die Leitung 7 aus dem Verflüssigungsprozess V abgezogen.
  • Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Wasserstoff-reiche Fraktion 2, die aus dem Lagertank T abgezogene Flashgasfraktion 6 und die ggf. im Verflüssigungsprozess V anfallende Stickstoff-reiche Fraktion 7 auf einen gemeinsamen Druck verdichtet – hierzu dienen die ein- oder mehrstufig ausgelegten Verdichter(einheiten) V1 bis V3 – und über Leitung 8 einem geeigneten Restgasnetz zugeführt. Je nach örtlichen Gegebenheiten kann es sinnvoll sein, die Verdichter V2 und V3 hintereinander zu schalten und/oder die Einspeisung der Mischung 8 vor oder nach dem Verdichter V1 zu gestalten.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion weist gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine Vielzahl von Neuerungen und Vorteilen auf:
    • – Aufgrund der Wasserstoff-Abtrennung vor dem eigentlichen Verflüssigungsprozess verringert sich der Gesamtenergiebedarf des Verflüssigungsverfahrens; dies gilt auch dann, wenn der abgetrennte Wasserstoff nachverdichtet werden muss.
    • – Aufgrund der Wasserstoff-Abtrennung vor dem Verflüssigungsprozess können Standard-Verflüssigungsprozesse, die für die jeweiligen Verflüssigungsleistungen optimiert sind, eingesetzt werden, was zu einer Verringerung der Investitionskosten führt.
    • – Da die für die permeative Abtrennung des Wasserstoffs verwendete(n) Membran(en) entsprechend dem Wasserstoffgehalt in der zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion eingestellt werden kann/können, ist das erfindungsgemäße Verfahren in Bezug auf den Wasserstoffgehalt vergleichsweise flexibel.
    • – Die erfindungsgemäß vorzusehende, dem eigentlichen Verflüssigungsprozess vorgeschaltete Wasserstoff-Abtrennung kann bei bestehenden Verflüssigungsanlagen unschwer nachgerüstet werden, so dass diese auf Änderungen der Zusammensetzung der Einsatzfraktionen reagieren können.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Verflüssigen einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1, 1'), die im Wesentlichen Methan, Wasserstoff und Stickstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Verflüssigung (V) der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1, 1') eine permeative Abtrennung (M) des Wasserstoffs (2) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die permeative Abtrennung (M) des Wasserstoffs (2) in einem ein- oder mehrstufigen Abtrennprozess realisiert wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der abgetrennte Wasserstoff (2) verdichtet wird (V1).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion zwischengespeichert und bei dieser Zwischenspeicherung eine Tankrückgasfraktion anfällt, dadurch gekennzeichnet, dass die Tankrückgasfraktion (6) verdichtet wird (V2).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei während des Verflüssigungsprozesses der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion eine Stickstoff-reiche Fraktion abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff-reiche Fraktion (7) verdichtet wird (V3).
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der verdichtete Wasserstoff (2) und/oder die verdichtete Tankrückgasfraktion (6) und/oder die verdichtete Stickstoff-reiche Fraktion (7) zusammengeführt werden (8).
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