DE102011010634A1 - Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion - Google Patents

Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion Download PDF

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion (1) beschrieben, wobei diese vor der Anreicherung des Heliums partiell kondensiert (E) wird. Erfindungsgemäß wird die partiell kondensierte Fraktion (2) zumindest teilweise wenigstens einer Trennkolonne (T) zugeführt und in dieser in eine Helium-reiche Gasfraktion (6) und eine Stickstoff-reiche Flüssigfraktion, welche auch die unerwünschten Spurenkomponenten enthält (5), aufgetrennt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion, wobei diese für die Anreicherung des Helium partiell kondensiert wird.
  • Gattungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion kommen bspw. bei der Helium-Gewinnung aus Erdgas zur Anwendung.
  • Als typische Spurenkomponenten kommen insbesondere Methan, Ethan, Ethylen, Sauerstoff und Argon in Frage.
  • Die wenigstens Stickstoff und Helium enthaltende Fraktion wird üblicherweise während des Abkühl- und Verflüssigungsprozesses eines Erdgasstromes aus diesem abgetrennt und zu einem Helium-angereicherten Strom, der im vorliegenden Falle den gewünschten Produktstrom darstellt, aufbereitet. Die Abtrennung von Stickstoff und ggf. weiterer Komponenten, wie beispielsweise Methan, Sauerstoff, etc. aus der wenigsten Stickstoff und Helium-enthaltenden Fraktion erfolgt üblicherweise nach partieller Kondensation in einem Abscheidebehälter bzw. Abscheider. Die Trennung der einzelnen Komponenten der wenigstens Stickstoff oder Helium enthaltenden Fraktion erfolgt entsprechend dem thermodynamischen Gleichgewicht bei der vorliegenden Temperatur und dem vorliegenden Druck der Mischung. Die verflüssigten Anteile des Stickstoffs – sowie ggf. des Methans und/oder Sauerstoffs –, werden hierbei aus dem Sumpf des Abscheiders abgezogen, während der gasförmig verbliebene Anteil, der aus Stickstoff, Helium und Spuren von Methan, Sauerstoff, etc. besteht, am Kopf des Abscheiders abgezogen wird.
  • Neben dem thermodynamischen Gleichgewicht bewirken Strömungseffekte, dass Flüssigkeitströpfchen in der Gasphase mitgeführt bzw. mitgerissen werden. Insgesamt kann die am Kopf des Abscheiders abgezogene Gasphase eine vergleichsweise hohe Restverschmutzung an Methan, Sauerstoff, etc. aufweisen. Im weiteren Verlauf der Aufkonzentrierung des Heliums aus der Gasphase des Abscheiders wird eine Flüssigstickstoff-Fraktion (LIN) als Produkt abgezogen. An diese Produktfraktion werden üblicherweise hohe Anforderungen bezüglich der Reinheit an brennbaren Komponenten, hier Methan und Sauerstoff, gestellt.
  • Somit besteht ein Bedürfnis, ein Verfahren zum Abtrennen von unerwünschten Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet und gegenüber dem bekannten Stand der Technik eine ausreichende Qualität des vorgenannten LIN-Produktes der Anlage ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die partiell kondensierte Fraktion zumindest teilweise wenigstens einer Trennkolonne zugeführt und in dieser in eine Helium-reiche Gasfraktion und eine Stickstoff-reiche Flüssigfraktion, die die Spurenkomponenten enthält, aufgetrennt wird
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Auftrennung der wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion in eine Helium-angereicherte Gasfraktion sowie eine Stickstoff-reiche Flüssigfraktion in wenigstens einer Trennkolonne, wobei die vorgenannte Fraktion der Trennkolonne im unteren Bereich, vorzugsweise im Sumpf der Trennkolonne, zugeführt wird. Vorzugsweise ist die Trennkolonne mit mehreren Glockenböden und/oder Packungen versehen, wodurch die Effektivität des in ihr ablaufenden Trennprozesses erhöht wird. In vorteilhafter Weise wird der Trennkolonne über eine geeignete Kopfleiste ein Kühlmedium zugeführt und in dieser verteilt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die partiell kondensierte Fraktion zunächst einem Abscheider und die indem Abscheider gewonnene Helium-angereicherte Gasfraktion zumindest teilweise wenigstens einer Trennkolonne zugeführt wird,
    • – der Trennkolonne Stickstoff oder eine Stickstoff-reiche Fraktion als Rücklaufmedium zugeführt wird und
    • – die Trennaufgabe innerhalb der Trennkolonne durch in ihr angeordnete Packungen und/oder Glockenböden unterstützt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist der nunmehr erfindungsgemäß vorzusehenden Trennkolonne T ein Abscheider D vorgeschaltet. Dieser kann alternativ in dem unteren Teil der Trennkolonne, vorzugsweise in deren Sumpfbereich, integriert sein.
  • Die aufzutrennende, wenigstens Stickstoff oder Helium enthaltende Fraktion 1 enthält nur wenige Prozent Methan und Helium und ggf. wenige Promille Sauerstoff und Wasserstoff, der Rest ist Stickstoff. Diese Fraktion weist eine Temperatur von mehr als 300 K auf und wird im Wärmetauscher E im Gegenstrom zu anzuwärmenden Verfahrensströmen, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, auf eine Temperatur von ca. 80 K abgekühlt. Die abgekühlte Fraktion wird über Leitung 2 dem Abscheider D zugeführt. Aus dessen Sumpf wird über Leitung 3 eine erste Stickstoff-reiche Fraktion abgezogen und im Entspannungsventil a kälteleistend entspannt. Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung 4 eine Helium-angereicherte Fraktion abgezogen und der Trennkolonne T in deren unteren Bereich aufgegeben.
  • Wie bereits erwähnt, sind innerhalb der Trennkolonne T zum Zwecke der Erhöhung der Effektivität des Trennprozesses mehrere Packungen und/oder Glockenböden – dargestellt durch die gestrichelt gezeichneten Linien – angeordnet. Über Leitung 10 wird der Trennkolonne T in deren Kopfbereich ein Kühlmedium zugeführt; bei diesem handelt es sich vorzugsweise um flüssigen Stickstoff oder eine Stickstoff-reiche Flüssigfraktion.
  • Aus dem Sumpf der Trennkolonne T wird über Leitung 5 eine zweite Stickstoff-reiche Fraktion abgezogen, im Ventil b kälteleistend entspannt und mit der ersten Stickstoff-reichen Fraktion 3 zum Strom 8 zusammengeführt. Dieser Strom wird im Wärmetauscher E gegen die abzukühlende Einsatzfraktion 1 angewärmt und anschließend über Leitung 9, bspw. vorzugsweise nach einer Verbrennung des Methans, an die Atmosphäre abgegeben.
  • Am Kopf der Trennkolonne T wird über Leitung 6 eine Stickstoff- und Helium-reiche Fraktion 6 abgezogen. Deren Methan-, Sauerstoff- und Wasserstoff-Gehalte liegen im Promillebereich, während sie Helium entsprechend dem Gehalt in der Einsatzfraktion 1 aufweist. Die Fraktion 6 wird im Wärmetauscher E ebenfalls gegen die abzukühlende Einsatzfraktion 1 angewärmt und über Leitung 7 ihrer weiteren Verwendung, beispielsweise einer in der Figur nicht dargestellten weiteren Anreicherung und Verflüssigung des Heliums, zugeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion stellt ein im Vergleich zu dem bekannten Stand der Technik effektiveres Abtrenn- bzw. Reinigungsverfahren dar und spart darüber hinaus Energie sowie Kosten. Die Menge an Rücklaufmedium bzw. zusätzlichem flüssigen Stickstoff für den Rücklauf 10 der Trennkolonne T kann den jeweiligen Einsatzbedingungen angepasst werden, woraus eine erheblich Betriebskosteneinsparung resultiert im Vergleich mit einem einfachen Abscheider ist der Betriebsaufwand der erfindungsgemäß vorzusehenden Trennkolonne nicht höher Bisher erforderliche aufwändige Nachreinigungsprozesse können nunmehr vereinfacht werden oder gar entfallen.
  • Bei der vorbeschriebenen Verfahrensführung werden die vorgenannten Komponenten Methan und Sauerstoff mit dem Stickstoff als Sumpfprodukt der Trennkolonne T abgetrennt. Sofern die aus dem Kopfprodukt der Trennkolonne T gewonnene(n) Stickstoff-reiche(n) Fraktion(en) verflüssigt und beispielsweise innerhalb des weiteren Prozesses als Kühlmedium verwendet werden soll(en), ist zu beachten, dass aufgrund der Aufkonzentration von Methan und/oder Sauerstoff ein explosives bzw. brennbares Gasgemisch entstehen kann.
  • Diese unerwünschten Spurenkomponenten können nun mittels der erfindungsgemäß vorzusehenden Trennkolonne vergleichsweise früh aus dem eigentlichen Reinigungsprozess des aus dem Kopf der Trennkolonne abgezogenen Helium-reichen Produktstromes entfernt werden. Dies hat zur Folge, dass sie im weiteren Verlauf der Behandlung dieses Produktstromes nicht mehr berücksichtigt werden müssen, wie dies bei den zum Stand der Technik zählenden Abtrenn- bzw. Reinigungsverfahren der Fall ist.

Claims (4)

  1. Verfahren zum Abtrennen von Spurenkomponenten aus einer wenigstens Stickstoff und Helium enthaltenden Fraktion (1), wobei diese vor der Anreicherung des Heliums partiell kondensiert (E) wird, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell kondensierte Fraktion (2) zumindest teilweise wenigstens einer Trennkolonne (T) zugeführt und in dieser in eine Helium-reiche Gasfraktion (6) und eine Stickstoff-reiche Flüssigfraktion (5), die die Spurenkomponenten enthält, aufgetrennt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die partiell kondensierte Fraktion (2) zunächst einem Abscheider (D) und die in dem Abscheider (D) gewonnene Helium-angereicherte Gasfraktion (4) zumindest teilweise wenigstens einer Trennkolonne (T) zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennkolonne (T) Stickstoff oder eine Stickstoff-reiche Fraktion (10) als Rücklaufmedium zugeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennaufgabe innerhalb der Trennkolonne (T) durch in ihr angeordnete Packungen und/oder Glockenböden unterstützt wird.
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