DE102013011640A1 - Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen aus Erdgas - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen, insbesondere von CO2 und H2S aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, beschrieben, wobei die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) abgekühlt und partiell kondensiert wird (E1–E4), und die dabei anfallende CO2-angereicherte Flüssigfraktion (5) rektifikatorisch (T1) in eine CO2-reiche Flüssigfraktion (7) und eine CO2-abgereicherte Gasfraktion (6) aufgetrennt wird. Erfindungsgemäß – wird die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) mittels eines geschlossenen, mehrstufigen Kältekreislaufes, dessen Kältemittel einen CO2-Anteil von mehr als 99,5% aufweist, bis nahe an die Temperatur des CO2-Tripelpunktes (–56,6°C) abgekühlt (E1–E4), – wird die Rektifizierkolonne (T1) bei einem Druck zwischen 40 und 65 bar betrieben, und – erfolgt die Beheizung des Aufkochers (E5) der Rektifizierkolonne (T1) mittels eines auf einem geeigneten Druckniveau liegenden, kondensierenden Kältemittelteilstromes (28) des Kältekreislaufes.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen, insbesondere von CO2 und H2S aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, wobei die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgekühlt und partiell kondensiert wird, und die dabei anfallende, CO2-angereicherte Flüssigfraktion rektifikatorisch in eine CO2-reiche Flüssigfraktion und eine CO2-abgereicherte Gasfraktion aufgetrennt wird.
  • Die Entfernung von Sauergasen, insbesondere von CO2 und H2S aus Kohlenwasserstoff-reichen Fraktionen, insbesondere aus Erdgas Gasgemischen, erfolgt üblicherweise mittels einer Aminwäsche. Ab einer Konzentration von etwa 10 Vol.-% kommen auch alternative Verfahren, wie z. B. Membranen zur Vorabtrennung insbesondere von CO2 zur Anwendung. Im Falle noch höherer CO2-Konzentrationen – etwa ab 20 Vol.-% CO2 – ist auch eine kryogene Vorabtrennung von CO2 technisch und wirtschaftlich sinnvoll.
  • Das Sauergase enthaltende, Kohlenwasserstoff-reiche Gasgemisch wird hierzu durch partielle Kondensation und anschließende Rektifikation in eine Gasphase mit 10 bis 40 Vol.-% CO2, vorzugsweise 15 bis 25 Vol.-% CO2, und eine Flüssigphase mit mindestens 90 Vol.-% CO2, vorzugsweise mindestens 95 Vol.-% CO2 zerlegt. Die Gasphase wird üblicherweise einer weiteren CO2-Entfernung zugeführt.
  • Das US-Patent 7,806,965 beschreibt ein Verfahren der vorgenannten Art, bei dem Propan als Kältemittel verwendet wird. Dadurch wird die tiefste Temperatur auf etwa –40°C beschränkt.
  • Die US-Patentanmeldung 2013/0036765 offenbart ein Verfahren, bei dem ein offener CO2-Kreislauf zur Kälteversorgung herangezogen wird. Somit ist eine tiefere Temperatur als beim US-Patent 7,806,965 erreichbar, die eine stärkere Teilkondensation von CO2 und folglich eine niedrigere CO2-Konzentration im gasförmigen Produktstrom ermöglicht. Allerdings wird zur Rektifikation der CO2-reichen Flüssigkeit nur die fühlbare Wärme des Gasgemisches herangezogen. Dies hat zur Folge, dass der Wärmeumsatz im Aufkocher der Rektifizierkolonne der CO2-reichen Flüssigkeit begrenzt ist. Daher ist auch die Reinheit des flüssig abgezogenen, CO2-reichen Sumpfproduktes der Rektifizierkolonne begrenzt.
  • Die in den beiden vorgenannten Dokumenten offenbarten Verfahren verwenden komplexe Mehrstromwärmetauscher, bspw. Plattentauscher, die bei der Verwendung von flüssigem CO2, insbesondere aufgrund der Gefahr der Feststoffbildung, einer erhöhten mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen, insbesondere von CO2 und H2S aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, anzugeben, dessen Trennschärfe – also die selektive Abtrennung von CO2 aus dem Gasgemisch mit hoher Ausbeute und Reinheit – gegenüber den zum Stand der Technik zählenden Verfahren gesteigert und dessen Energieverbrauch reduziert ist.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • – die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion mittels eines geschlossenen, mehrstufigen Kältekreislaufes, dessen Kältemittel einen CO2-Anteil von mehr als 99,5% aufweist, bis nahe an die Temperatur des CO2-Tripelpunktes (–56,6°C) abgekühlt wird,
    • – die Rektifizierkolonne bei einem Druck zwischen 40 und 65 bar betrieben wird, und
    • – die Beheizung des Aufkochers der Rektifizierkolonne mittels eines auf einem geeigneten Druckniveau liegenden, kondensierenden Kältemittelteilstromes des Kältekreislaufes erfolgt.
  • Erfindungsgemäß erfolgt die Abkühlung der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion mittels eines geschlossenen, mehrstufigen Kältekreislaufes, in dem als Kältemittel sogenanntes technisch reines Kohlendioxid zirkuliert; dieses weist einen CO2-Anteil von mehr als 99,5% auf. Damit kann die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion bis nahe an die Temperatur des CO2-Tripelpunktes (–56,6°C) liegt, abgekühlt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion nicht unter eine Temperatur von –55°C, vorzugsweise nicht unter eine Temperatur von –52°C abgekühlt wird. Des Weiteren wird erfindungsgemäß die Rektifikation bzw. Rektifizierkolonne bei einem Druck zwischen 40 und 65 bar, vorzugsweise zwischen 50 und 60 bar betrieben. Zudem erfolgt die Beheizung des Aufkochers der Rektifizierkolonne erfindungsgemäß mittels eines auf einem geeigneten Druckniveau liegenden, kondensierenden Kältemittelteilstromes des vorerwähnten Kältekreislaufes.
  • Das vorbeschriebene erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zeichnet sich durch eine vergleichsweise hohe Trennschärfe sowie hohe Energieeffizienz gegenüber den bekannten Verfahren aus.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen von Sauergasen aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sei nachfolgend anhand der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Wie in den 1 und 2 dargestellt, wird die Kohlenwasserstoff-reiche, Sauergase enthaltende Fraktion 1 zunächst einer Trocknung A unterzogen und anschließend in vier Wärmetauschern E1 bis E4, bei denen es sich vorzugsweise um Zweistromwärmetauscher handelt, bis nahe an die Temperatur des CO2-Tripelpunktes abgekühlt und partiell kondensiert. Die partiell kondensierte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 2 wird anschließend im Abscheider D1 in eine CO2-abgereicherte Gasfraktion 3 und eine CO2-angereicherte Flüssigfraktion 5 aufgetrennt. Die Gasfraktion 3 wird im Wärmetauscher E6 gegen einen Teilstrom 10 der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion angewärmt und anschließend über Leitung 4 ihrer weiteren Verwendung zugeführt. Die im Abscheider D1 anfallende CO2-angereicherte Flüssigfraktion 5 wird mittels der Pumpe P1 und nach Entspannung im Ventil V8 dem Kopf der Rektifizierkolonne T1 zugeführt. Der im Wärmetauscher E6 gegen die anzuwärmende Gasfraktion 3 abgekühlte Kältemittelteilstrom 11 wird über das Entspannungsventil V6 der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zwischen den Wärmetauschern E3 und E4 zugeführt.
  • Erfindungsgemäß wird die Rektifizierkolonne T1 bei einem Druck zwischen 40 und 65 bar, vorzugsweise zwischen 50 und 60 bar betrieben. Dieser Druck liegt über dem Druck der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor dem Wärmetauscher E4. Sollte der Druck der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion an dieser Stelle zu hoch sein, wird er mittels des Ventils V7 entsprechend abgeregelt. Am Kopf der Rektifizierkolonne T1 wird eine CO2-abgereicherte Gasfraktion 6 abgezogen und ebenfalls der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zwischen den Wärmetauschern E3 und E4 zugeführt.
  • Aus dem Sumpf der Rektifizierkolonne T1 wird eine im Entspannungsventil V9 auf den gewünschten Abgabedruck entspannte, CO2-reiche Flüssigfraktion 7 abgezogen und ihrer weiteren Verwendung zugeführt. Ein Teilstrom 8 dieser Flüssigfraktion wird im Aufkocher E5 gegen einen Kältemittelteilstrom 28, auf den im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, wenigstens teilweise verdampft und anschließend der Rektifizierkolonne T1 im Sumpfbereich zugeführt. Zur Beheizung des Aufkochers E5 wird erfindungsgemäß nunmehr nicht fühlbare Wärme, wie beispielsweise im Falle der US-Patentanmeldung 2013/0030765, sondern die Kondensationswärme des Kältemittelteilstromes 28 herangezogen. Dieser kondensierbare Teilstrom weist einen Druck auf, der 1 bis 15 bar, vorzugsweise 3 bis 10 bar über dem gewählten Betriebsdruck der Rektifizierkolonne T1 liegt. Dadurch wird eine ausreichend große Temperaturdifferenz im Aufkocher E5 sichergestellt.
  • Der bereits erwähnte Kältekreislauf, dessen Kältemittel technisch reines CO2 ist, wird mittels der Verdichtereinheit C1 auf den gewünschten Kreislaufdruck, der im Regelfall wenigstens 90 bar, vorzugsweise wenigstens 100 bar beträgt, verdichtet. Er liegt damit deutlich über dem kritischen Druck des Kohlendioxids. Das verdichtete Kältemittel 20 wird im Nachkühler E12 gegen ein geeignetes externes Medium abgekühlt und anschließend über das Ventil V1 in den ersten der vier Wärmetauscher E1 entspannt. Der dabei anfallende gasförmige Kältemittelanteil wird über Leitung 21 der Verdichtereinheit C1 auf einer geeigneten Zwischendruckstufe zugeführt, während der bei der Entspannung im Ventil V1 anfallende Flüssiganteil des Kältemittels 22 über das Ventil V2 in den zweiten Wärmetauscher E2 entspannt wird. Analog dazu werden die in den Wärmetauschern E2 und E3 anfallenden Flüssiganteile 24 und 26 mittels der Ventile V3 und V4 entspannt und die in den Wärmetauschern E2 bis E4 anfallenden gasförmigen Kältemittelanteile 23, 25 und 27 der Verdichtereinheit C1 auf geeigneten Druckstufen zugeführt.
  • Wie bereits erwähnt, wird erfindungsgemäß ein Kältemittelteilstrom zur Beheizung des Aufkochers E5 der Rektifizierkolonne T1 verwendet. Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen ist dies ein Teilstrom des Saugstromes der letzten Verdichterstufe der Verdichtereinheit C1. Dieser Kältemittelteilstrom wird nach Durchgang durch den Aufkocher E5 im Ventil V5 entspannt und dem Kältemittelteilstrom 22 zugemischt. Die Beheizung des Aufkochers E5 mit einem unterkritischen, kondensierbaren Kältemittelteilstrom – dies setzt voraus, dass der Druck weniger als 73 bar beträgt – ermöglicht es, die Methan-Konzentration der aus dem Sumpf der Rektifizierkolonne T1 abgezogenen CO2-reichen Flüssigfraktion auf Werte < 1 Vol.-%, vorzugsweise < 0,1 Vol.-% zu beschränken, da der Wärmeumsatz im Aufkocher E5 praktisch nicht begrenzt ist.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung eines Kältekreislaufes, der als Kältemittel technisch reines CO2 verwendet, kann im Abscheider D1 die tiefste betriebssichere Temperatur und somit die niedrigst mögliche CO2-Konzentration – diese beträgt 15 bis 25 Vol.-%, vorzugsweise 18 bis 23 Vol.-% – in der am Kopf des Abscheiders D1 abgezogenen CO2-abgereicherten Gasfraktion 3 realisiert werden.
  • In vorteilhafter Weise sind zumindest die vier vorgenannten Wärmetauscher E1 bis E4 als Zweistromwärmetauscher ausgeführt. Deren Temperaturprofil ist im Vergleich zu Mehrstromtauschern einfacher kontrollierbar, so dass eine sichere Betriebsweise realsierbar ist.
  • Nachfolgend sei das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel näher erläutert, wobei jedoch lediglich auf die Unterschiede zu dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel eingegangen wird.
  • Das in der Verdichtereinheit C1 verdichtete Kältemittel 200 wird im Nachkühler E12 gegen ein geeignetes externes Medium und in den Nachkühlern E13 und E14 gegen Verfahrensströme, auf die im Folgenden noch näher eingegangen wird, abgekühlt und anschließend über das Ventil V11 in den Abscheider D2 entspannt. Die am Kopf des Abscheiders D2 abgezogene gasförmige Kältemittelfraktion 201 wird dem Kältemittelteilstrom 21 zugemischt und dient gemeinsam mit diesem im Nachkühler E13 der Abkühlung des verdichteten Kältemittels 200. Die aus dem Sumpf des Abscheiders D2 abgezogene flüssige Kältemittelfraktion 202 wird über das Ventil V1 in den ersten Wärmetauscher E1 entspannt.
  • Die rektifikatorisch gewonnene CO2-reiche Flüssigfraktion 7 dient der Kühlung des verdichteten Kältemittels 200 im Nachkühler E14. Zur Vermeidung einer unerwünschten (Teil-)Verdampfung dieser Flüssigfraktion wird ihr Druck über den Siededruck nach dem für die Kühlung verwendeten Wärmetauscher E14 mittels der Pumpe P2 angehoben.
  • Nach Durchgang durch den Nachkühler E14 wird die CO2-reiche Flüssigfraktion 7 im Ventil V9 entspannt und dem Abscheider D3 zugeführt. Das Ventil V9 dient der Standregelung im Sumpf der Rektifizierkolonne T1. Die aus dem Sumpf des als Pumpenvorlage dienenden Abscheiders D3 abgezogene CO2-reiche Flüssigfraktion 70 kann sodann mittels der Pumpe P3 auf einen hohen Druck (> 150 bar, vorzugsweise > 300 bar) gepumpt und zur tertiären Ölförderung (EOR) verwendet werden. Das Ventil V10 dient der Standregelung in D3.
  • Der Weiteren weist die Rektifizierkolonne (T1) einen Seitenaufkocher (E8) auf, der mittels eines auf einem geeigneten Druckniveau liegenden, kondensierbaren Kältemittelteilstromes 29 des Kältekreislaufes beheizt wird. Dessen Druck liegt um wenigstens 8 bar, vorzugsweise wenigstens 12 bar unter dem Druck des durch den Aufkocher E5 geführten Kältemittelteilstromes (28). Mittels dieser vorteilhaften Ausgestaltung wird die Wärmeintegration verbessert und der Energiebedarf der Verdichtereinheit C1 weiter verringert.
  • Um das Risiko einer CO2-Feststoffbildung in der Saugleitung zwischen dem Wärmetauscher E4 und der Verdichtereinheit C1 zu verringern, wird der aus dem Wärmetauscher E4 abgezogene Kältemittelteilstrom 27 vor seiner Verdichtung C1 im Wärmetauscher E7 gegen den Teilstrom 11 der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1 angewärmt. Der vorerwähnte Teilstrom wird anschließend über das Entspannungsventil V6 der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zwischen den Wärmetauschern E3 und E4 zugeführt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion weiterbildend wird vorgeschlagen, dass die bei der partiellen Kondensation gewonnene CO2-abgereicherte Gasfraktion 3 einem weiteren CO2-Abtrennprozess B zugeführt wird. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Membran-Prozess, eine Amin- und/oder eine Methanolwäsche handeln. Die nachgereinigte CO2-abgereicherte Fraktion 4' wird anschließend ihrer weiteren Verwendung zugeführt. Der in dem CO2-Abtrennprozess B anfallende Rückführstrom 14 kann ggf. der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion 1 vor ihrer Abkühlung zugeführt werden. Sofern als weiterer CO2-Abtrennprozess B eine Methanolwäsche vorgesehen ist, kann der gestrichelt gezeichnete Wärmetauscher E6 entfallen, so dass die bei der partiellen Kondensation gewonnene CO2-abgereicherte Gasfraktion 3 unmittelbar dem CO2-Abtrennprozess B zugeführt wird, während sie in allen anderen Fällen nach Durchgang durch den Wärmetauscher E6 über Leitung 4 dem CO2-Abtrennprozess B zugeführt wird.
  • Sofern die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 1 vor ihrer Abkühlung einer Trocknung A unterzogen wird, wird die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion 1 vorteilhafterweise vor dieser Trocknung gegen einen Kältemittelteilstrom 30 des Kältekreislaufes im Wärmetauscher E9 vorgekühlt, wobei dieser Kältemittelteilstrom 30 über das Ventil V13 in den Wärmetauscher E9 entspannt wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 7806965 [0004, 0005]

Claims (10)

  1. Verfahren zum Abtrennen von Sauergasen, insbesondere von CO2 und H2S aus einer Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere Erdgas, wobei – die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) abgekühlt und partiell kondensiert wird (E1–E4), und – die dabei anfallende CO2-angereicherte Flüssigfraktion (5) rektifikatorisch (T1) in eine CO2-reiche Flüssigfraktion (7) und eine CO2-abgereicherte Gasfraktion (6) aufgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass – die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) mittels eines geschlossenen, mehrstufigen Kältekreislaufes, dessen Kältemittel einen CO2-Anteil von mehr als 99,5% aufweist, bis nahe an die Temperatur des CO2-Tripelpunktes (–56,6°C) abgekühlt wird (E1–E4), – die Rektifizierkolonne (T1) bei einem Druck zwischen 40 und 65 bar betrieben wird, und – die Beheizung des Aufkochers (E5) der Rektifizierkolonne (T1) mittels eines auf einem geeigneten Druckniveau liegenden, kondensierenden Kältemittelteilstromes (28) des Kältekreislaufes erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoffreiche Fraktion (1) nicht unter eine Temperatur von –55°C, vorzugsweise nicht unter eine Temperatur von –52°C abgekühlt wird (E1–E4).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rektifizierkolonne (T1) bei einem Druck zwischen 50 und 60 bar betrieben wird
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung (E1–E4) der Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (1) gegen den Kältekreislauf ausschließlich in Zweistromwärmetauschern erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der für die Beheizung des Aufkochers (E5) der Rektifizierkolonne (T1) verwendete Kältemittelteilstrom (28) einen Druck aufweist, der zwischen 1 und 15 bar, vorzugsweise zwischen 3 und 10 bar über dem Betriebsdruck der Rektifizierkolonne (T1) liegt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die rektifikatorisch (T1) gewonnene CO2-reiche Flüssigfraktion (7) zur Kühlung des verdichteten Kältemittels verwendet wird, wobei zur Vermeidung der (Teil-)Verdampfung dieser Flüssigfraktion (7) ihr Druck über den Siededruck nach dem für die Kühlung verwendeten Wärmetauscher (E14) angehoben wird (P2).
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Seitenaufkocher (E8) der Rektifizierkolonne (T1) mittels eines auf einem geeigneten Druckniveau liegenden Kältemittelteilstromes (29) des Kältekreislaufes beheizt wird, wobei dessen Druck um wenigstens 8 bar, vorzugsweise wenigstens 12 bar unter dem Druck des durch den Aufkocher (E5) geführten Kältemittelteilstromes (28) liegt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) vor ihrer Abkühlung (E1–E4) einer Trocknung (A) unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (1) vor dieser Trocknung (A) gegen einen Kältemittelteilstromes (30) des Kältekreislaufes vorgekühlt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem auf dem niedrigsten Temperaturniveau befindlichen Wärmetauscher (E4) abgezogene Kältemittelteilstrom (27') vor seiner Verdichtung (C1) angewärmt wird (E7).
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der partiellen Kondensation gewonnene CO2-abgereicherte Gasfraktion (3) einem weiteren CO2-Abtrennprozess (B), vorzugsweise einem Membran-Prozess, einer Amin- und/oder einer Methanolwäsche, zugeführt wird.
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