DE102012008446A1 - Abtrennen von Helium aus einer Methan-reichen Fraktion - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion, aus einer Helium enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Einsatzfraktion beschrieben. Hierbei wird a) die Einsatzfraktion (3, 100), sofern sie nicht bereits unter einem Druck von wenigstens 10 bar vorliegt, auf wenigstens diesen Druck verdichtet (C1), b) die verdichtete Einsatzfraktion (4) gegen sich selbst teilverflüssigt (E) und in eine Helium-abgereicherte Fraktion (5) und eine Helium-reiche Fraktion (6) aufgetrennt (D2), c) die Helium-reiche Fraktion (6) einem adsorptiven Nachreinigungsprozess (A) unterworfen, und d) aus dem adsorptiven Nachreinigungsprozess (A) eine Helium-Reinfraktion (7) abgezogen.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion, aus einer Helium-enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Fraktion.
  • Die vergleichsweise wertvolle Komponente Helium liegt im Rohgas einer Erdgasverflüssigungsanlage in sehr kleinen Konzentrationen vor – typischerweise in einer Konzentration von weniger als 0,2 Vol.-%. Lediglich in einzelnen Gasfeldern beträgt die Helium-Konzentration bis zu 5%. Im sog. Flashgas nach der Unterkühlung des verflüssigten Erdgases beträgt die Helium-Konzentration, abhängig vom Entspannungsdruck, zwischen 3 und 50 Vol.-%. Somit eignet sich dieses Gas zur Helium-Gewinnung.
  • Ein Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion aus einer Heliumenthaltenden, Methan-reichen Fraktion ist bspw. in der deutschen Patentanmeldung 102008007925 beschrieben. Dieses dient der Abtrennung von Helium aus einer Helium-enthaltenden Fraktion, insbesondere aus einer Helium-, Stickstoff- und Methanenthaltenden Fraktion. Dabei wird die Helium-enthaltende Fraktion zumindest teilweise kondensiert und in eine Helium-angereicherte Gasfraktion und eine Heliumabgereicherte Flüssigfraktion aufgetrennt, die Helium-angereicherte Gasfraktion anschließend soweit kondensiert, dass die Helium-Konzentration in der dabei gewonnenen Gasfraktion wenigstens 90% beträgt, die Helium-abgereicherte Flüssigfraktion entspannt, soweit verdampft, dass wenigstens 70% des in ihr enthaltenen Heliums gasförmig vorliegen, und in eine Helium-reiche Gasfraktion und eine Helium-arme Flüssigfraktion aufgetrennt und die Helium-reiche Gasfraktion angewärmt und der Helium-enthaltenden Fraktion zugemischt.
  • Gattungsgemäße Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion aus einer Helium-enthaltenden, Methan-reichen Fraktion sind jedoch vergleichsweise kompliziert und damit teuer und energieintensiv.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion aus einer Helium-enthaltenden, Methan-reichen Fraktion anzugeben, das einfacher ausgelegt ist, aber eine ausreichend hohe Helium-Ausbeute bei und vergleichsweise geringen Verbrauchszahlen ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion aus einer Helium-enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Einsatzfraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • a) die Einsatzfraktion, sofern sie nicht bereits unter einem Druck von wenigstens 10 bar vorliegt, auf wenigstens diesen Druck verdichtet wird,
    • b) die verdichtete Einsatzfraktion gegen sich selbst teilverflüssigt und in eine Helium-abgereicherte Fraktion und eine Helium-reiche Fraktion aufgetrennt wird,
    • c) die Helium-reiche Fraktion einem adsorptiven Nachreinigungsprozess unterworfen wird, und
    • d) aus dem adsorptiven Nachreinigungsprozess eine Helium-Reinfraktion abgezogen wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion aus einer Helium-enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Fraktion schafft einen verfahrenstechnisch vergleichsweise einfachen Prozess, der Helium-Ausbeuten von mehr als 95% ermöglicht. Aufgrund seiner unkomplizierten Apparatekonfiguration handelt es sich um einen kostengünstigen Prozess, der darüber hinaus lediglich einen geringen Platzbedarf aufweist. Zudem ist er für Einsatzfraktionen anwendbar, deren Helium-Konzentration zwischen einem und 50 Vol.-% beträgt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion aus einer Helium-enthaltenden, Methan-reichen Fraktion sind dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – die Einsatzfraktion auf einen Druck zwischen 15 und 30 bar, vorzugsweise auf einen Druck zwischen 20 und 25 bar, verdichtet wird,
    • – der adsorptive Nachreinigungsprozess für die Abtrennung von Wasserstoff, Neon, Argon, Stickstoff, Sauerstoff und Methan ausgelegt ist,
    • – die Helium-Reinfraktion eine Helium-Konzentration von wenigstens 99 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 99,5 Vol.-% aufweist,
    • – die Einsatzfraktion vor ihrer Verdichtung entspannt und einer Helium-Abtrennung unterworfen wird,
    • – die Helium-Reinfraktion einem Verflüssigungsprozess unterworfen wird,
    • – das in dem adsorptiven Nachreinigungsprozess anfallende Restgas der zu verdichtenden Einsatzfraktion zugeführt wird, wobei das Restgas vorzugsweise verdichtet wird,
    • – zumindest ein Teilstrom der Helium-abgereicherten Fraktion entspannt, gegen die abzukühlende Helium-enthaltende, Methan- und Stickstoff-reiche Fraktion angewärmt und der zu verdichtenden Helium-enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Fraktion zugeführt wird,
    • – die Verdichtung der Einsatzfraktion und/oder die Verdichtung des Restgases mittels Schraubenkompressoren, vorzugsweise ölgefluteten Schraubenkompressoren erfolgt, wobei eine ggf, vorzusehende Ölentfernung ausschließlich nach der Endverdichtung erfolgt, und
    • – der adsorptive Nachreinigungsprozess als Druckwechseladsorptionsprozess ausgelegt ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion aus einer Helium-enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Fraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der 1 dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die Helium-enthaltende, Methan- und Stickstoff-reiche Einsatzfraktion 1, bei der es sich beispielsweise um verflüssigtes und unterkühltes Erdgas handelt, wird in einem Entspannungsventil a auf einen Druck zwischen 3 und 15 bar entspannt und in einem nachgeschalteten Abscheider D1 einer Helium-Abtrennung unterworfen. Aus dem Sumpf des Abscheiders D1 wird eine Helium-abgereicherte Flüssigfraktion 2 abgezogen, während am Kopf des Abscheiders D1 eine Helium-enthaltende, Methan- und Stickstoff-reiche Gasfraktion 3 abgezogen wird. Letztere wird nach Anwärmung im Wärmetauscher E3 vorzugsweise auf Umgebungstemperatur im Verdichter C1 auf einen Druck von wenigstens 10 bar, vorzugsweise auf einen Druck zwischen 15 und 30 bar verdichtet; der dem Verdichter C1 nachgeschaltete Kühler E2 dient der Abführung der Kompressionswärme.
  • Sofern die zu verdichtende Helium-enthaltende, Methan- und Stickstoff-reiche gasförmige Einsatzfraktion eine Helium-Konzentration von mehr als 1. Vol.-% aufweist, ist eine der Verdichtung C1 vorgeschaltete Helium-Abtrennung nicht erforderlich oder zweckmäßig, weswegen in diesen Fällen die Helium-enthaltende, Methan- und Stickstoff-reiche Einsatzfraktion direkt der Verdichtung C1 über Leitung 100 zugeführt wird. Dies ist bspw. bei Gasquellen, deren Helium-Konzentration bis zu 5 % betragen kann, der Fall.
  • Die verdichtete Helium-enthaltende, Methan- und Stickstoff-reiche Fraktion 4 wird im Wärmetauscher E teilverflüssigt und anschließend im Abscheider D2 in eine Heliumabgereicherte Fraktion 5 und eine Helium-reiche Fraktion 6 aufgetrennt.
  • Die Helium-abgereicherte Fraktion 5 wird im Ventil b kälteleistend entspannt und im Gegenstrom zu der verdichteten Helium-enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Fraktion 4 durch den Wärmetauscher E geführt und anschließend aus dem Prozess, bspw. in ein vorhandenes Brenngasnetz, abgegeben. Diese Helium-abgereicherte Fraktion 5 liegt im Regelfall unter einem Druck von 6 bis 10 bara vor, wobei dieser im Wesentlichen von der Helium-Konzentration in der Einsatzfraktion 1 bestimmt wird, und eignet sich daher für die vorgenannte Verwendung in einem Brenngasnetz.
  • Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Teilstrom der Helium-abgereicherten Fraktion 5' im Ventil b' kälteleistend entspannt, gegen die abzukühlende Fraktion 4 im Wärmetauscher E angewärmt und der zu verdichtenden Helium-enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Fraktion 3 bzw. 100 zugeführt werden.
  • Die am Kopf des Abscheiders D2 gewonnene Helium-reiche Fraktion 6 wird ebenfalls im Gegenstrom zu der verdichteten Fraktion 4 durch den Wärmetauscher E geführt und anschließend einem adsorptiven Nachreinigungsprozess A zugeführt. Bei diesem handelt es sich vorzugsweise um einen Druckwechseladsorptionsprozess. Der adsorptive Nachreinigungsprozess A dient der Abtrennung von noch in der Heliumreichen Fraktion enthaltenen unerwünschten Komponenten, wie bspw. Wasserstoff, Neon, Argon, Stickstoff, Sauerstoff und Methan. Die aus dem adsorptiven Nachreinigungsprozess A abgezogene Helium-Reinfraktion 7 weist eine Helium-Konzentration von wenigstens 99,5 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 99,7 Vol.-% auf. Sie kann nunmehr beispielsweise einem Verflüssigungsprozess V zugeführt werden, in dem im Regelfall weitere „kalte” Adsorber zur Abtrennung der Verunreinigungen, wie Wasserstoff, Neon, Argon und Sauerstoff, integriert sind. Die in dem Verflüssigungsprozess V gewonnene hochreine Helium-Flüssigfraktion wird über Leitung 8 ihrer weiteren Verwendung zugeführt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das in dem adsorptiven Nachreinigungsprozess A anfallende Restgas 9 wieder der zu verdichtenden Helium-angereicherten Fraktion 3 zugeführt werden. Im Regelfall wird es erforderlich sein, dass das Restgas 9 im Verdichter C2 auf den Druck der Einsatzfraktion 3 bzw. 100 verdichtet – der Nachkühler E2 dient der Abführung der Kompressionswärme – und anschließend über Leitung 10 der Einsatzfraktion zugeführt wird.
  • In vorteilhafter Weise erfolgt die Verdichtung C1 der Helium-enthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Einsatzfraktion 3 bzw. 100 und/oder die Verdichtung C2 des Restgases 9 mittels eines bzw. mehrerer Schraubenkompressoren, vorzugsweise mittels ölgefluteter Schraubenkompressoren. Diese sind kostengünstiger als die bisher üblicherweise zur Anwendung kommenden Turboverdichter. Eine ggf. vorzusehende, in der 1 nicht dargestellte Ölentfernung ist lediglich nach dem Verdichter C1 vorzusehen.
  • 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
    • DE 102008007925 [0003]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Gewinnen einer Helium-Reinfraktion, aus einer Heliumenthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Einsatzfraktion, wobei a) die Einsatzfraktion (3, 100), sofern sie nicht bereits unter einem Druck von wenigstens 10 bar vorliegt, auf wenigstens diesen Druck verdichtet wird (C1), b) die verdichtete Einsatzfraktion (4) gegen sich selbst teilverflüssigt (E) und in eine Helium-abgereicherte Fraktion (5) und eine Helium-reiche Fraktion (6) aufgetrennt wird (D2), c) die Helium-reiche Fraktion (6) einem adsorptiven Nachreinigungsprozess (A) unterworfen wird, und d) aus dem adsorptiven Nachreinigungsprozess (A) eine Helium-Reinfraktion (7) abgezogen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzfraktion (3, 100) auf einen Druck zwischen 15 und 30 bar, vorzugsweise auf einen Druck zwischen 20 und 25 bar, verdichtet wird (C1).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der adsorptive Nachreinigungsprozess (A) für die Abtrennung von Wasserstoff, Neon, Argon, Stickstoff, Sauerstoff und Methan ausgelegt ist
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Helium-Reinfraktion (7) eine Helium-Konzentration von wenigstens 99 Vol.-%, vorzugsweise wenigstens 99,5 Vol.-% aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzfraktion vor ihrer Verdichtung (C1) entspannt (a) und einer Helium-Abtrennung (D1) unterworfen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Helium-Reinfraktion (7) einem Verflüssigungsprozess (V) unterworfen wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das in dem adsorptiven Nachreinigungsprozess (A) anfallende Restgas (9) der zu verdichtenden Einsatzfraktion (3, 100) zugeführt wird, wobei das Restgas (9) vorzugsweise verdichtet wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom der Helium-abgereicherten Fraktion (5') entspannt (b'), gegen die abzukühlende Helium-enthaltende, Methan- und Stickstoff-reiche Fraktion (4) angewärmt (E) und der zu verdichtenden Heliumenthaltenden, Methan- und Stickstoff-reichen Fraktion (3) zugeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtung (C1) der Einsatzfraktion (3, 100) und/oder die Verdichtung (C2) des Restgases (9) mittels Schraubenkompressoren, vorzugsweise ölgefluteten Schraubenkompressoren erfolgt, wobei eine ggf, vorzusehende Ölentfernung ausschließlich nach der Endverdichtung (C1) erfolgt
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der adsorptive Nachreinigungsprozess (A) als Druckwechseladsorptionsprozess ausgelegt ist.
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