DE102023000844A1 - Process and a system for the cryogenic separation of nitrogen from a feed gas - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren (100, 200) zur kryogenen Abtrennung von Stickstoff (N2) aus einem Einsatzgas (NG), das einen Kohlenwasserstoffanteil und einen Stickstoffanteil aufweist, vorgeschlagen, wobei mittels einer ersten Rektifikation (T01) ein erstes Rektifikat (9A), das einen höheren Stickstoffanteil und einen geringeren Kohlenwasserstoffanteil als das Einsatzgas (NG) aufweist, und ein zweites Rektifikat (20), das einen geringeren Stickstoffanteil und einen höheren Kohlenwasserstoffanteil als das Einsatzgas (NG) aufweist, gebildet werden, wobei mittels einer zweiten Rektifikation (T02) und einer dritten Rektifikation (T03) ein drittes Rektifikat (50), das einen höheren Stickstoffanteil und einen geringeren Kohlenwasserstoffanteil als das erste Rektifikat (9A) aufweist, und ein viertes Rektifikat (30), das einen geringeren Stickstoffanteil und einen höheren Kohlenwasserstoffanteil als das erste Rektifikat (9A) aufweist, gebildet werden, wobei das Einsatzgas (NG) oder ein Teil hiervon mittels eines ersten Wärmetauschers (E01) abgekühlt und der ersten Rektifikation (T01) zugeführt wird, und wobei das erste Rektifikat (9A) oder ein Teil hiervon mittels eines zweiten Wärmetauschers (E03) abgekühlt und der zweiten Rektifikation (T02) zugeführt wird. Es ist vorgesehen, dass dem ersten Rektifikat (9A) oder dem Teil hiervon, der mittels des zweiten Wärmetauschers (E03) abgekühlt und der zweiten Rektifikation (T02) zugeführt wird, vor der Abkühlung mittels des zweiten Wärmetauschers (E03) mittels des ersten Wärmetauschers (E01) Wärme zugeführt wird, und dass unter Verwendung eines Teils des zweiten Rektifikats (20) ein erster Teilstrom (24) und ein zweiter Teilstrom (26) gebildet werden, denen mittels des ersten Wärmetauschers (E01) auf unterschiedlichen Druckniveaus Wärme zugeführt wird. Eine entsprechende Anlage (100, 200) ist ebenfalls Gegenstand der Erfindung.A method (100, 200) for the cryogenic separation of nitrogen (N2) from a feed gas (NG) which has a hydrocarbon content and a nitrogen content is proposed, using a first rectification (T01) to produce a first rectified product (9A), which has a higher nitrogen content and a lower hydrocarbon content than the feed gas (NG), and a second rectified (20), which has a lower nitrogen content and a higher hydrocarbon content than the feed gas (NG), is formed, using a second rectification (T02) and a third rectification (T03), a third rectification (50), which has a higher nitrogen content and a lower hydrocarbon content than the first rectification (9A), and a fourth rectification (30), which has a lower nitrogen content and a higher hydrocarbon content than the first Rectified (9A), are formed, wherein the feed gas (NG) or a part thereof is cooled by means of a first heat exchanger (E01) and fed to the first rectification (T01), and wherein the first rectified (9A) or a part thereof is by means of a second heat exchanger (E03) is cooled and fed to the second rectification (T02). It is envisaged that the first rectification (9A) or the part thereof, which is cooled by means of the second heat exchanger (E03) and fed to the second rectification (T02), is cooled by means of the second heat exchanger (E03) by means of the first heat exchanger ( E01) heat is supplied, and that using a part of the second rectified material (20), a first partial stream (24) and a second partial stream (26) are formed, to which heat is supplied at different pressure levels by means of the first heat exchanger (E01). A corresponding system (100, 200) is also the subject of the invention.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur kryogenen Abtrennung von Stickstoff aus einem Einsatzgas, das einen Kohlenwasserstoffanteil und einen Stickstoffanteil aufweist.The present invention relates to a method and a system for the cryogenic separation of nitrogen from a feed gas which has a hydrocarbon content and a nitrogen content.
Hintergrundbackground
Zur Abtrennung von Stickstoff aus kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischen werden häufig kryogene Verfahren eingesetzt. Ein Anwendungsfall für eine entsprechende Abtrennung ist beispielsweise die Behandlung von stickstoffreichem Erdgas, um dieses nach der Behandlung als Brenngas nutzen zu können.Cryogenic processes are often used to separate nitrogen from gas mixtures containing hydrocarbons. One application for a corresponding separation is, for example, the treatment of nitrogen-rich natural gas in order to be able to use it as fuel gas after treatment.
Zur Veranschaulichung wird an dieser Stelle vorab auf
Speziell bei Einsatzgasen mit niedrigen Stickstoffgehalten von beispielsweise weniger als 25 mol-% werden häufig integrierte Dreikolonnenverfahren eingesetzt, wie in
In der Niederdruckkolonne T03 wird dabei nahezu reiner Stickstoff abgetrennt, dessen Gehalt an Stickstoff und weiteren Inertkomponenten wie Helium beispielsweise mehr als 99 mol-% beträgt. Weitere Erläuterungen zu
Ein entsprechendes Verfahren stellt einen stark integrierten Prozess dar, bei dem vor allem der Anlagenteil der Stickstoffanreicherung (Kolonne T01) mit der eigentlichen Stickstoffentfernung (Kolonnen T02 und T03) über den Wärmetauscher E03 gekoppelt ist. Dadurch müssen unter anderem beim Anfahren der Gesamtanlage stets alle Anlagensektionen inklusive Wärmetauscher, Kolonnen, Abscheider und Pumpe gleichzeitig langsam abgekühlt werden, bevor Produkte erzeugt werden können. Das führt zu komplexen Anfahrprozeduren, die unter anderem darauf abzielen, die Wärmetauscher beim Abkühlvorgang nicht allzu stark zu beanspruchen. Zusätzlich wirken sich Änderungen von Betriebsparametern unmittelbar auf den jeweilig anderen Anlagenteil aus und führen somit häufig zu schwankenden Betriebsbedingungen.A corresponding process represents a highly integrated process in which the nitrogen enrichment part of the system (column T01) is coupled with the actual nitrogen removal (columns T02 and T03) via the heat exchanger E03. As a result, when starting up the entire system, all system sections including heat exchangers, columns, separators and pumps must always be slowly cooled down at the same time before products can be produced. This leads to complex start-up procedures, which aim, among other things, not to put too much strain on the heat exchangers during the cooling process. In addition, changes in operating parameters have a direct effect on the other part of the system and therefore often lead to fluctuating operating conditions.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, hier Abhilfe zu schaffen und insbesondere die genannten Anfahrprozesse zu vereinfachen sowie für stabilere Betriebsbedingungen zu sorgen.The present invention aims to remedy this situation and, in particular, to simplify the start-up processes mentioned and to ensure more stable operating conditions.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage zur kryogenen Abtrennung von Stickstoff aus einem Einsatzgas, das einen Kohlenwasserstoffanteil und einen Stickstoffanteil aufweist, insbesondere aus Erdgas, mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst, wobei die abhängigen Patentansprüche sowie die nachfolgenden Erläuterungen Ausgestaltungen der Erfindung angeben.This object is achieved by a method and a system for the cryogenic separation of nitrogen from a feed gas which has a hydrocarbon content and a nitrogen content, in particular from natural gas, with the respective features of the independent patent claims, the dependent patent claims and the following explanations being embodiments of the invention indicate.
Fluide, d.h. Flüssigkeiten, Gase, überkritische Fluide, Zweiphasenströme usw., können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei „reich“ für einen Gehalt von wenigstens 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und „arm“ für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01 % auf Mol-, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff „überwiegend“ kann der Definition von „reich“ entsprechen. Fluide können ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen Gehalt in einem Ausgangsfluid beziehen, aus dem das Fluid gewonnen wurde. Das Fluid ist „angereichert“, wenn dieses zumindest den 1,1-fachen, 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, und „abgereichert“, wenn dieses höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf das Ausgangsfluid enthält. Der Begriff der „Abreicherung“ soll dabei auch eine vollständige Entfernung, d.h. eine „Abreicherung auf null“ umfassen. Ist hier beispielsweise von einem „Stickstoffstrom“ oder einem „Methanstrom“ die Rede, sei hierunter auch ein Fluid verstanden, das reich an Stickstoff bzw. Methan ist, jedoch nicht notwendigerweise ausschließlich hieraus bestehen muss.Fluids, i.e. liquids, gases, supercritical fluids, two-phase flows, etc., in the language used here, can be rich or poor in one or more components, where "rich" means a content of at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99.9% or 99.99% and “poor” for a content not exceeding 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% can be on a molar, weight or volume basis. The term “predominantly” can correspond to the definition of “rich”. Fluids may further be enriched or depleted in one or more components, these terms referring to a content in a starting fluid from which the fluid was obtained. The fluid is “enriched” if it has at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times, 100 times or 1,000 times the content, and “depleted” if this contains at most 0.9 times, 0.5 times, 0.1 times, 0.01 times or 0.001 times the content of a corresponding component, based on the starting fluid. The term “depletion” should also include complete removal, i.e. “depletion to zero”. For example, if we are talking about a “nitrogen stream” or a “methane stream”, this also means a fluid that is rich in nitrogen or methane, but does not necessarily have to consist exclusively of this.
Zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen werden vorliegend auch die Begriffe „Druckniveau“ und „Temperaturniveau“ verwendet, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass Drücke und Temperaturen nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, deren Maximal- und Minimalwerte sich um beispielsweise nicht mehr als 1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% unterscheiden. Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Die Angabe „bara“ steht hier für einen Absolutdruck in bar.To characterize pressures and temperatures, the terms “pressure level” and “temperature level” are also used here, which is intended to express that pressures and temperatures are not in a more precise form Pressure or temperature values must be used. However, such pressures and temperatures typically range within certain ranges whose maximum and minimum values differ by, for example, no more than 1%, 5%, 10%, 20% or even 50%. Pressure levels and temperature levels can lie in disjoint areas or in areas that overlap one another. In particular, pressure levels include, for example, unavoidable or expected pressure losses. The same applies to temperature levels. The indication “bara” here stands for an absolute pressure in bar.
Als „Kondensatorverdampfer“ wird ein Wärmetauscher bezeichnet, in dem ein erster, kondensierender Fluidstrom in indirekten Wärmeaustausch mit einem zweiten, verdampfenden Fluidstrom tritt. Jeder Kondensatorverdampfer weist einen Verflüssigungsraum und einen Verdampfungsraum auf. Verflüssigungs- und Verdampfungsraum weisen Verflüssigungs- bzw. Verdampfungspassagen auf. In dem Verflüssigungsraum wird die Kondensation (Verflüssigung) des ersten Fluidstroms durchgeführt, in dem Verdampfungsraum die Verdampfung des zweiten Fluidstroms. Der Verdampfungs- und der Verflüssigungsraum werden durch Gruppen von Passagen gebildet, die untereinander in Wärmeaustauschbeziehung stehen.A “condenser evaporator” is a heat exchanger in which a first, condensing fluid stream enters into indirect heat exchange with a second, evaporating fluid stream. Each condenser evaporator has a liquefaction space and an evaporation space. Liquefaction and evaporation rooms have liquefaction and evaporation passages, respectively. The condensation (liquefaction) of the first fluid stream is carried out in the liquefaction space, and the evaporation of the second fluid stream is carried out in the evaporation space. The evaporation and liquefaction spaces are formed by groups of passages that are in a heat exchange relationship with each other.
Insbesondere der eine Hochdruckkolonne und eine Niederdruckkolonne einer Luftzerlegungsanlage wärmetauschend verbindende sogenannte Hauptkondensator ist typischerweise als Kondensatorverdampfer ausgebildet. Entsprechendes kann auch für den Kondensator, der die Hochdruckkolonne und die Niederdruckkolonne einer Doppelkolonne verbindet, wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommt, der Fall sein. Der Hauptkondensator kann insbesondere als ein- oder mehrstöckiger Badverdampfer, insbesondere als Kaskadenverdampfer (wie beispielsweise in der
In einem „Forced-Flow“-Kondensatorverdampferwird ein Flüssigkeitsstrom mittels seines eigenen Drucks durch den Verdampfungsraum gedrückt und dort partiell verdampft. Dieser Druck wird beispielsweise durch eine Flüssigkeitssäule in der Zuleitung zum Verdampfungsraum erzeugt. Die Höhe dieser Flüssigsäule entspricht dabei dem Druckverlust im Verdampfungsraum. Das aus dem Verdampfungsraum austretende Gas-Flüssigkeitsgemisch wird in einem sogenannten „Once Through“-Kondensatorverdampfer nach Phasen getrennt direkt zum nächsten Verfahrensschritt bzw. zu einer stromabwärtigen Vorrichtung weitergeleitet und insbesondere nicht in ein Flüssigkeitsbad des Kondensatorverdampfers eingeleitet, von dem der flüssig verbliebene Anteil erneut angesaugt würde.In a forced-flow condenser evaporator, a stream of liquid is forced through the evaporation space using its own pressure and is partially evaporated there. This pressure is generated, for example, by a liquid column in the supply line to the evaporation space. The height of this liquid column corresponds to the pressure loss in the evaporation space. The gas-liquid mixture emerging from the evaporation space is passed on, separated according to phases, directly to the next process step or to a downstream device in a so-called “once through” condenser evaporator and, in particular, is not introduced into a liquid bath of the condenser evaporator, from which the remaining liquid portion is sucked in again would.
Mit dem Begriff „Rektifikationskolonne“ (hier auch kurz als „Kolonne“ bezeichnet bzw. synonym als „Destillationskolonne“ oder „Destillationssäule“) handelt es sich im hier verwendeten Sprachgebrauch um eine Trenneinheit, die dafür eingerichtet ist, ein gasförmig oder flüssig oder in Form eines Zweiphasengemischs mit flüssigen und gasförmigen Anteilen, ggf. auch im überkritischen Zustand, bereitgestelltes Stoffgemisch (Fluid) zumindest teilweise aufzutrennen, also aus dem Stoffgemisch jeweils Reinstoffe oder Stoffgemische zu erzeugen, die gegenüber dem Stoffgemisch bezüglich zumindest einer Komponente angereichert bzw. abgereichert oder reich bzw. arm im oben erläuterten Sinne sind. Rektifikationskolonnen sind aus dem Bereich der Trenntechnik hinlänglich bekannt. Typischerweise sind Rektifikationskolonnen als zylindrische Metallbehälter ausgebildet, die mit Einbauten, beispielsweise Siebböden oder geordneten oder ungeordneten Packungen, ausgerüstet sind. Eine Rektifikationskolonne zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass sich in ihrem unteren Bereich, auch als Sumpf bezeichnet, eine flüssige Fraktion abscheidet. Diese flüssige Fraktion, die hier als Sumpfflüssigkeit bezeichnet wird, wird in einer Rektifikationskolonne typischerweise mittels eines Sumpfverdampfers (alternativ und synonym auch als „Reboiler“ oder „Sumpfaufkocher“ bezeichnet) erwärmt, so dass kontinuierlich ein Teil der Sumpfflüssigkeit verdampft und in der Rektifikationskolonne gasförmig aufsteigt. Eine Rektifikationskolonne ist ferner typischerweise mit einem sogenannten Kopfkondensator versehen, in den zumindest ein Teil eines sich in einem oberen Bereich der Rektifikationskolonne anreichernden Gasgemischs oder ein entsprechendes Reingas, hier als Kopfgas bezeichnet, eingespeist, zu einem Teil zu einem Kondensat verflüssigt und als flüssiger Rücklauf am Kopf der Rektifikationskolonne aufgegeben wird. Ein Teil des aus dem Kopfgas erhaltenen Kondensats kann anderweitig verwendet werden.The term “rectification column” (here also referred to as “column” or synonymously as “distillation column” or “distillation column”) in the language used here refers to a separation unit that is set up to produce a gaseous or liquid or in form a two-phase mixture with liquid and gaseous components, possibly also in the supercritical state, to at least partially separate the mixture of substances (fluid) provided, i.e. to produce pure substances or mixtures of substances from the mixture of substances which are enriched or depleted or rich or rich in relation to the mixture of substances with respect to at least one component .are poor in the sense explained above. Rectification columns are well known from the field of separation technology. Typically, rectification columns are designed as cylindrical metal containers that are equipped with internals, for example sieve trays or ordered or disordered packings. A rectification column is characterized, among other things, by the fact that a liquid fraction separates out in its lower area, also known as the bottom. This liquid fraction, which is referred to here as bottom liquid, is typically heated in a rectification column by means of a bottom evaporator (alternatively and synonymously also referred to as a “reboiler” or “bottom reboiler”), so that part of the bottom liquid continuously evaporates and rises in gaseous form in the rectification column . A rectification column is also typically provided with a so-called top condenser, into which at least part of a gas mixture accumulating in an upper region of the rectification column or a corresponding clean gas, referred to here as top gas, is fed, partially liquefied to form a condensate and released as a liquid reflux Head of the rectification column is abandoned. Part of the condensate obtained from the overhead gas can be used for other purposes.
Wie bereits eingangs erwähnt, stellt ein dort insbesondere unter Bezugnahme auf die
Im Betrieb beeinflussen herkömmlicherweise kleine Prozessänderungen im Anlagenteil der Stickstoffanreicherung den Anlagenteil der Stickstoffentfernung und umgekehrt. So können zum Beispiel Temperaturschwankungen bei der Feedgasabkühlung im Wärmtauscher E01 (siehe Prozessstrom 5) schnell zu unterschiedlichen Temperaturen des Kopfstroms der Stickstoffanreicherungskolonne T01 (siehe Prozessstrom 9) und somit zu unterschiedlichen Eintrittsbedingungen am Wärmetauscher E03 führen. Da der Wärmtauscher E03 das Einsatzgas zur Doppelkolonne im Anlagenteil der Stickstoffentfernung abkühlt (siehe Prozessstrom 10) und das abgekühlte Einsatzgas nach der Entspannung über das Ventil V04 die Menge an Aufkochstrom im oberen Teil der Hochdruckkolonne maßgeblich beeinflusst, entsteht so ein hochintegrierter Prozess. Die vorliegende Erfindung bewirkt durch die vorgeschlagene Entkopplung auch diesbezüglich Vorteile.During operation, small process changes in the nitrogen enrichment part of the system traditionally influence the nitrogen removal part of the system and vice versa. For example, temperature fluctuations during feed gas cooling in the heat exchanger E01 (see process stream 5) can quickly lead to different temperatures of the top stream of the nitrogen enrichment column T01 (see process stream 9) and thus to different inlet conditions at the heat exchanger E03. Since the heat exchanger E03 cools the feed gas to the double column in the nitrogen removal part of the system (see process stream 10) and the cooled feed gas after expansion via valve V04 significantly influences the amount of boil-up stream in the upper part of the high-pressure column, a highly integrated process is created. The present invention also brings advantages in this regard through the proposed decoupling.
Betriebsschwankungen im Anlagenteil zur Stickstoffentfernung haben herkömmlicherweise ebenfalls Einfluss auf die vorgeschaltete Stickstoffanreicherungssektion. Schwankt zum Beispiel die flüssige Methanmenge 30, die mit der Pumpe P01 gefördert wird, wird sofort mehr oder weniger Kältemittel nicht nur zum Wärmetauscher E03, sondern auch zum Wärmetauscher E01 transportiert, siehe Prozessströme 33 und 34. Da vor allem die exakte Regelung der Temperaturen der Einsatzgase vor den jeweiligen Kolonnen, siehe Prozessstrom 5 und 10, eine Voraussetzung für einen stabilen Anlagenbetrieb darstellt, führen derartige Kältemittelmengenschwankungen herkömmlicherweise zu schwankenden Betriebsbedingungen. Die vorliegende Erfindung überwindet auch diesen Nachteil.Operating fluctuations in the nitrogen removal part of the plant also traditionally have an impact on the upstream nitrogen enrichment section. For example, if the amount of
Ein weiterer Nachteil der vorab beschriebenen herkömmlichen Verfahrensweise stellt die Konfiguration des Kolonnensumpfs T03 dar. In der Regel sitzt der Wärmetauscher abgetaucht in der methanreichen Flüssigkeit im Sumpf der Niederdruckkolonne T03, der gleichzeitig als Vorlagenbehälter der Pumpe P01 agiert. Der Reboiler/Kondenser E05 kann im Sumpf der Kolonne T03 sehr viel Platz einnehmen und sollte während dem Betrieb nahezu vollständig in Flüssigkeit eingetaucht bleiben. Deshalb existiert oft nur wenig Pufferkapazität im Sumpf, um Mengenschwankungen, zum Beispiel verursacht durch einen schwankenden Flüssigkeitsumlauf in der Niederdruckkolonne T03, ausgleichen zu können.Another disadvantage of the conventional procedure described above is the configuration of the column bottom T03. As a rule, the heat exchanger is immersed in the methane-rich liquid in the bottom of the low-pressure column T03, which at the same time acts as a storage container for the pump P01. The reboiler/condenser E05 can take up a lot of space in the bottom of column T03 and should remain almost completely submerged in liquid during operation. Therefore, there is often only little buffer capacity in the bottom to be able to compensate for fluctuations in quantity, for example caused by fluctuating liquid circulation in the low-pressure column T03.
Da der Stand im Sumpf der Niederdruckkolonne exakt geregelt werden muss, um sicherzustellen, dass der Wärmetaucher E05 ausreichend mit Flüssigkeit bedeckt ist, führen Flüssigkeits-Schwankungen in der Kolonne T03 oder Schwankungen bei der Füllstandsmessung stets zu sich ändernden Kältemittelmengen, die durch die Tauscher E04, E03 und E01 strömen. Derartige Kältemittelschwankungen führen, wie bereits oben beschrieben, zu Prozessschwankungen in beiden Anlagenteilen.Since the level in the bottom of the low-pressure column must be precisely controlled to ensure that the heat exchanger E05 is sufficiently covered with liquid, liquid fluctuations in the column T03 or fluctuations in the level measurement always lead to changing amounts of refrigerant, which are passed through the exchangers E04, E03 and E01 flow. As already described above, such refrigerant fluctuations lead to process fluctuations in both parts of the system.
Zur Behebung der erwähnten Nachteile schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur kryogenen Abtrennung von Stickstoff aus einem Einsatzgas, das einen Kohlenwasserstoffanteil und einen Stickstoffanteil aufweist, vor, insbesondere aus stickstoffhaltigem Erdgas. Hierbei werden mittels einer ersten Rektifikation ein erstes Rektifikat, das einen höheren Stickstoffanteil und einen geringeren Kohlenwasserstoffanteil als das Einsatzgas aufweist, und ein zweites Rektifikat, das einen geringeren Stickstoffanteil und einen höheren Kohlenwasserstoffanteil als das Einsatzgas aufweist, gebildet, insbesondere im Sinne einer Stickstoffanreicherung wie eingangs unter Bezugnahme auf den Stand der Technik erläutert.In order to eliminate the disadvantages mentioned, the present invention proposes a method for the cryogenic separation of nitrogen from a feed gas that has a hydrocarbon content and a nitrogen content, in particular from natural gas containing nitrogen. Here, by means of a first rectification, a first rectificate, which has a higher nitrogen content and a lower hydrocarbon content than the feed gas, and a second rectified, which has a lower nitrogen content and a higher hydrocarbon content than the feed gas, are formed, in particular in the sense of nitrogen enrichment as at the beginning explained with reference to the prior art.
Mittels einer zweiten Rektifikation und einer dritten Rektifikation werden ein drittes Rektifikat, das einen höheren Stickstoffanteil und einen geringeren Kohlenwasserstoffanteil als das erste Rektifikat aufweist, und ein viertes Rektifikat, das einen geringeren Stickstoffanteil und einen höheren Kohlenwasserstoffanteil als das erste Rektifikat aufweist, gebildet, und zwar insbesondere unter Verwendung einer Doppelkolonne wie eingangs ebenfalls erläutert.By means of a second rectification and a third rectification, a third rectified, which has a higher nitrogen content and a lower hydrocarbon content than the first rectified, and a fourth rectified, which has a lower nitrogen content and a higher hydrocarbon content than the first rectified, are formed, namely in particular using a double column as also explained at the beginning.
Das Einsatzgas oder ein Teil hiervon wird mittels eines ersten Wärmetauschers abgekühlt und der ersten Rektifikation zugeführt. Das erste Rektifikat oder ein Teil hiervon wird mittels eines zweiten Wärmetauschers abgekühlt und der zweiten Rektifikation zugeführt. Mit anderen Worten wird ein stickstoffangereichertes Gasgemisch also aus der Stickstoffanreicherung nach einer entsprechenden Abkühlung in die zweite Rektifikation eingespeist.The feed gas or a part thereof is cooled by means of a first heat exchanger and fed to the first rectification. The first rectified or a part thereof is cooled using a second heat exchanger and fed to the second rectification. In other words, a nitrogen-enriched gas mixture from the nitrogen enrichment is fed into the second rectification after appropriate cooling.
Dem ersten Rektifikat oder der Teil hiervon, der mittels des zweiten Wärmetauschers abgekühlt und der zweiten Rektifikation zugeführt wird, oder wiederum einem Teil hiervon, wird erfindungsgemäß vor der Abkühlung mittels des zweiten Wärmetauschers zunächst mittels des ersten Wärmetauschers Wärme zugeführt. Ferner werden unter Verwendung eines Teils des zweiten Rektifikats ein erster Teilstrom und ein zweiter Teilstrom gebildet, denen auf unterschiedlichen Druckniveaus mittels des ersten Wärmetauschers Wärme zugeführt wird, und die hierdurch verdampft und überhitzt werden.According to the invention, heat is first supplied to the first rectified product or the part thereof that is cooled by means of the second heat exchanger and fed to the second rectification, or in turn a part thereof, by means of the first heat exchanger before cooling by means of the second heat exchanger. Furthermore, using part of the second rectified, a first substream and a second substream are formed, to which heat is supplied at different pressure levels by means of the first heat exchanger, and which are thereby evaporated and superheated.
Damit werden also das erste Rektifikat oder dessen entsprechender Teil und zwei Teilströme des zweiten Rektifikats als Kältemedien in dem ersten Wärmetauscher genutzt, und zwar insbesondere anstelle des dritten und vierten Rektifikats oder von Teilen hiervon. Dem dritten und vierten Rektifikat werden vorzugsweise nicht oder nur zu einem geringen Anteil mittels des ersten Wärmetauschers Wärme zugeführt, d.h. diese werden vorzugsweise nicht oder nur zu einem geringen Anteil durch den ersten Wärmetauscher geführt und in diesem verdampft und überhitzt, sondern insbesondere nur in dem zweiten Wärmetauscher. Auf diese Weise schafft die vorliegende Erfindung die erwähnte Entkopplung zwischen Stickstoffanreicherung und Stickstoffentfernung. This means that the first rectification or its corresponding part and two partial streams of the second rectification are used as cold media in the first heat exchanger, in particular instead of the third and fourth rectification or parts thereof. Heat is preferably not supplied to the third and fourth rectifieds or only to a small extent by means of the first heat exchanger, that is to say they are preferably not passed through the first heat exchanger or only to a small extent and are evaporated and overheated in this, but in particular only in the second Heat exchanger. In this way, the present invention creates the mentioned decoupling between nitrogen enrichment and nitrogen removal.
Insbesondere wird das Einsatzgas im Rahmen der vorliegenden Erfindung nach einer Anreicherung mit Stickstoff in der Kolonne der ersten Rektifikation erst wieder vollständig im ersten Wärmetauscher angewärmt, bevor es der Stickstoffentfernungssektion zugeführt und im zweiten Wärmetauscher erneut abgekühlt wird. Der Begriff der „vollständigen“ Anwärmung bedeutet dabei, dass ein entsprechendes Medium vom kalten zum warmen Ende durch einen entsprechenden Wärmetauscher geführt wird. Das Sumpfprodukt der ersten Rektifikation, also das zweite Rektifikat, wird auf zwei Druckniveaus verdampft und überhitzt, um ausreichend Kälte für den ersten Wärmetauscher zur Verfügung stellen zu können. Das Kopfprodukt und Sumpfprodukt der Niederdruckkolonne, also das dritte und vierte Rektifikat, werden ausschließlich in dem zweiten Wärmetauscher (und einem weiteren Wärmetauscher) verdampft und überhitzt.In particular, in the context of the present invention, after enrichment with nitrogen in the column of the first rectification, the feed gas is first completely heated again in the first heat exchanger before it is fed to the nitrogen removal section and cooled again in the second heat exchanger. The term “complete” heating means that a corresponding medium is led from the cold to the warm end through a corresponding heat exchanger. The bottom product of the first rectification, i.e. the second rectification, is evaporated and superheated at two pressure levels in order to be able to provide sufficient cold for the first heat exchanger. The top product and bottom product of the low-pressure column, i.e. the third and fourth rectified, are evaporated and overheated exclusively in the second heat exchanger (and another heat exchanger).
Durch die Ausgestaltungen des in dieser Erfindung vorgeschlagenen Verfahrenskonzepts werden beide kryogenen Anlagenteile (Stickstoffanreicherung und Stickstoffabtrennung) durch die Wiederanwärmung des Kopfstroms der Anreicherungskolonne T01 in der Stickstoffanreicherungssektion sowie die ausschließliche Anwärmung der Produktströme der Niederdruckkolonne T03 in der Stickstoffentfernungssektion voneinander entkoppelt. Hierdurch ist insbesondere eine Abkühlung und Inbetriebnahme der beiden kryogenen Anlagenteile unabhängig voneinander möglich. Schwankungen oder Änderungen der Betriebsparameter in beiden Anlagenteile haben nahezu keinen Einfluss auf den jeweilig anderen Anlagenteil. Die Regelung der wichtigsten Betriebsparameter wie der Temperaturen der Prozessströme am Eintritt der Stickstoffanreicherungskolonne T01 und der Hochdruckkolonne T02 werden deutlich vereinfacht. Die getrennten kryogenen Anlagenteile können im Laufe der Betriebszeit der Anlage unabhängig voneinander ausgetauscht, ergänzt oder verändert werden.Through the embodiments of the process concept proposed in this invention, both cryogenic system parts (nitrogen enrichment and nitrogen separation) are decoupled from each other by reheating the top stream of the enrichment column T01 in the nitrogen enrichment section and the exclusive heating of the product streams of the low-pressure column T03 in the nitrogen removal section. This makes it possible in particular to cool down and start up the two cryogenic system parts independently of one another. Fluctuations or changes in the operating parameters in both parts of the system have almost no influence on the other part of the system. The control of the most important operating parameters such as the temperatures of the process streams at the inlet of the nitrogen enrichment column T01 and the high-pressure column T02 are significantly simplified. The separate cryogenic system components can be replaced, supplemented or changed independently of one another over the course of the system's operating life.
Bei der intensiven Ausbeutung von Ölfeldern (Enhanced Oil Recovery) entstehen beispielsweise häufig methanreiche Begleitgase, deren Stickstoffgehalt im Laufe der Zeit stark zunimmt. In diesem Fall kann bei der Behandlung des Begleitgases entweder auf den vorgeschalteten Stickstoffanreicherungsteil zu einem späteren Zeitpunkt verzichtet oder unabhängig davon ein Anlagenteil zur Stickstoffentfernung hinzugefügt werden. Sollte der Stickstoffgehalt im Einsatzgas während der Betriebsjahre einer Anlage deutlich abnehmen, kann einer Stickstoffentfernungssektion zu einem späteren Anlagenzeitpunkt jederzeit ein Anlagenteil zur Stickstoffanreicherung hinzugefügt werden, ohne den Anlagenteil der Stickstoffentfernung verändern zu müssen.For example, the intensive exploitation of oil fields (enhanced oil recovery) often produces methane-rich associated gases, the nitrogen content of which increases sharply over time. In this case, when treating the accompanying gas, either the upstream nitrogen enrichment part can be dispensed with at a later point in time or a system part for nitrogen removal can be added independently. If the nitrogen content in the feed gas decreases significantly during the years of operation of a system, a nitrogen enrichment part of the system can be added to a nitrogen removal section at any time at a later time in the system without having to change the nitrogen removal part of the system.
In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung werden dem dritten Rektifikat oder einem Teil hiervon und dem vierten Rektifikat oder einem Teil hiervon mittels des zweiten Wärmetauschers Wärme zugeführt, wobei weniger als 10% des dritten Rektifikats und weniger als 10% des vierten Rektifikats mittels des ersten Wärmetauschers Wärme zugeführt wird.In embodiments of the present invention, heat is supplied to the third rectificate or a part thereof and the fourth rectificate or a part thereof by means of the second heat exchanger, with less than 10% of the third rectificate and less than 10% of the fourth rectificate being supplied with heat by means of the first heat exchanger becomes.
Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung umfassen insbesondere, dass ein weiterer Teil des zweiten Rektifikats in einem Reboiler verdampft und in die erste Rektifikation zurückgeführt wird, wobei zumindest ein Teil des Einsatzgases mittels des ersten Wärmetauschers einer Teilabkühlung unterworfen, in dem Reboiler teilverflüssigt, und unter Erhalt einer Gasfraktion und einer Flüssigfraktion einer Phasentrennung unterworfen wird, wobei die Flüssigfraktion an einer ersten Position der ersten Rektifikation zugeführt wird und wobei die Gasfraktion mittels des ersten Wärmetauschers weiter abgekühlt und an einer zweiten Position unterhalb der ersten Position der ersten Rektifikation zugeführt wird.Embodiments of the present invention include in particular that a further part of the second rectified is evaporated in a reboiler and returned to the first rectification, with at least part of the feed gas being subjected to partial cooling by means of the first heat exchanger, partially liquefied in the reboiler, and obtaining a gas fraction and a liquid fraction is subjected to phase separation, wherein the liquid fraction is fed to the first rectification at a first position and wherein the gas fraction is further cooled by means of the first heat exchanger and fed to the first rectification at a second position below the first position.
Im Rahmen von Ausgestaltungen der Erfindung kann ein Mengenverhältnis des ersten Teilstroms und des zweiten Teilstroms, die unter Verwendung eines Teils des zweiten Rektifikats gebildet und denen auf den unterschiedlichen Druckniveaus mittels des ersten Wärmetauschers Wärme zugeführt wird, bzw. die auf diese Weise verdampft und überhitzt werden, auf Grundlage einer Zieltemperatur des Einsatzgases oder des Teils hiervon, der mittels des ersten Wärmetauschers abgekühlt und der ersten Rektifikation zugeführt wird, eingestellt werden. Hierdurch kann eine gezielte Anpassung an die erforderliche Abkühlung des Einsatzgases erfolgen.Within the scope of embodiments of the invention, a quantitative ratio of the first partial stream and the second partial stream, which are formed using part of the second rectified and to which heat is supplied at the different pressure levels by means of the first heat exchanger, or which are evaporated and overheated in this way , can be set based on a target temperature of the feed gas or the part thereof which is cooled by means of the first heat exchanger and fed to the first rectification. This allows a targeted adaptation to the required cooling of the feed gas.
Das vierte Rektifikat ist insbesondere eine mittels der dritten Rektifikation gebildete Sumpfflüssigkeit, wobei zumindest ein Teil der mittels der dritten Rektifikation gebildeten Sumpfflüssigkeit in einen Pufferbehälter eingespeist wird, und wobei ein Flüssigstrom aus dem Pufferbehälter abgezogen, flüssig druckbeaufschlagt und in einem Anwärmer erwärmt sowie daran anschließend in dem zweiten Wärmetauscher verdampft und überhitzt werden kann.The fourth rectification is in particular a bottom liquid formed by the third rectification, with at least part of the bottom liquid formed by the third rectification being fed into a buffer container, and a liquid sigstrom is withdrawn from the buffer container, pressurized to liquid and heated in a heater and can then be evaporated and overheated in the second heat exchanger.
Eine Menge des aus dem Pufferbehälter abgezogenen Flüssigstroms kann in Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung auf Grundlage einer Zieltemperatur des ersten Rektifikats oder des Teils hiervon, der mittels des zweiten Wärmetauschers abgekühlt und der zweiten Rektifikation zugeführt wird, eingestellt werden.In embodiments of the present invention, an amount of the liquid stream withdrawn from the buffer container can be adjusted based on a target temperature of the first rectification or the portion thereof that is cooled by means of the second heat exchanger and fed to the second rectification.
Die zweite Rektifikation und die dritte Rektifikation können insbesondere unter Verwendung von Rektifikationskolonnen durchgeführt werden, die thermisch mittels eines Kondensatorverdampfers miteinander gekoppelt sind, wobei mittels des Kondensatorverdampfers ein in der zweiten Rektifikation gebildetes Kopfgas kondensiert und teilweise in die zweite bzw. dritte Rektifikation zurückgeführt wird, und wobei mittels des Kondensatorverdampfers eine in der dritten Rektifikation gebildete Sumpfflüssigkeit verdampft und in die dritte Rektifikation zurückgeführt wird.The second rectification and the third rectification can be carried out in particular using rectification columns which are thermally coupled to one another by means of a condenser evaporator, with an overhead gas formed in the second rectification being condensed by means of the condenser evaporator and partially being recycled into the second or third rectification, and wherein a bottom liquid formed in the third rectification is evaporated by means of the condenser evaporator and is returned to the third rectification.
In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können die erste Rektifikation auf einem Druckniveau von 25 bis 30 bar Absolutdruck, die zweite Rektifikation auf einem Druckniveau von 15 bis 28 bar Absolutdruck, und die dritte Rektifikation auf einem Druckniveau von 1,5 bis 2,5 bar Absolutdruck durchgeführt werden.In embodiments of the present invention, the first rectification can be carried out at a pressure level of 25 to 30 bar absolute pressure, the second rectification at a pressure level of 15 to 28 bar absolute pressure, and the third rectification at a pressure level of 1.5 to 2.5 bar absolute pressure become.
Das erste Rektifikat kann insbesondere einen Stickstoffgehalt von mehr als 30 mol-%, das zweite Rektifikat einen Stickstoffgehalt von weniger als 20%, das dritte Rektifikat einen Stickstoffgehalt von mehr als 80 mol-%, und das vierte Rektifikat einen Stickstoffgehalt von weniger als 20% aufweisen.The first rectified can in particular have a nitrogen content of more than 30 mol%, the second rectified a nitrogen content of less than 20%, the third rectified a nitrogen content of more than 80 mol%, and the fourth rectified a nitrogen content of less than 20% exhibit.
In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung kann als das Einsatzgas Erdgas mit einem Stickstoffgehalt von 5% bis 70% verwendet werden.In embodiments of the present invention, natural gas with a nitrogen content of 5% to 70% can be used as the feed gas.
In Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung können der erste Teilstrom und der zweite Teilstrom, die unter Verwendung eines Teils des zweiten Rektifikats gebildet werden und denen auf den unterschiedlichen Druckniveaus mittels des ersten Wärmetauschers Wärme zugeführt wird, oder jeweils ein Teil hiervon, sowie das vierte Rektifikat oder ein Teil hiervon nach einer Wärmezufuhr mittels des ersten Wärmetauschers und mittels des zweiten Wärmetauschers auf unterschiedlichen Einspeisedrücken einer Verdichteranordnung zugeführt werden.In embodiments of the present invention, the first partial stream and the second partial stream, which are formed using a part of the second rectified and to which heat is supplied at the different pressure levels by means of the first heat exchanger, or a part thereof, as well as the fourth rectified or a Part of this is fed to a compressor arrangement at different feed pressures after heat supply by means of the first heat exchanger and by means of the second heat exchanger.
Eine Anlage zur kryogenen Abtrennung von Stickstoff aus einem Einsatzgas, das einen Kohlenwasserstoffanteil und einen Stickstoffanteil aufweist ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung, wobei die Anlage dafür eingerichtet ist, mittels einer ersten Rektifikation ein erstes Rektifikat, das einen höheren Stickstoffanteil und einen geringeren Kohlenwasserstoffanteil als das Einsatzgas aufweist, und ein zweites Rektifikat, das einen geringeren Stickstoffanteil und einen höheren Kohlenwasserstoffanteil als das Einsatzgas aufweist, zu bilden, mittels einer zweiten Rektifikation und einer dritten Rektifikation ein drittes Rektifikat, das einen höheren Stickstoffanteil und einen geringeren Kohlenwasserstoffanteil als das erste Rektifikat aufweist, und ein viertes Rektifikat, das einen geringeren Stickstoffanteil und einen höheren Kohlenwasserstoffanteil als das erste Rektifikat aufweist, zu bilden, das Einsatzgas oder ein Teil hiervon mittels eines ersten Wärmetauschers abzukühlen und der ersten Rektifikation zuzuführen, und das erste Rektifikat oder ein Teil hiervon mittels eines zweiten Wärmetauschers abzukühlen und der zweiten Rektifikation zuzuführen. Hierbei ist vorgesehen, dass die Anlage dafür eingerichtet ist, dem ersten Rektifikat oder dem Teil hiervon, der mittels des zweiten Wärmetauschers abgekühlt und der zweiten Rektifikation zugeführt wird, vor der Abkühlung mittels des zweiten Wärmetauschers mittels des ersten Wärmetauschers Wärme zuzuführen, und unter Verwendung eines Teils des zweiten Rektifikats einen ersten Teilstrom und einen zweiten Teilstrom zu bilden und diesen mittels des ersten Wärmetauschers auf unterschiedlichen Druckniveaus Wärme zuzuführen.A system for the cryogenic separation of nitrogen from a feed gas which has a hydrocarbon content and a nitrogen content is also the subject of the present invention, the system being set up to produce, by means of a first rectification, a first rectified product which has a higher nitrogen content and a lower hydrocarbon content than that has feed gas, and a second rectificate, which has a lower nitrogen content and a higher hydrocarbon content than the feed gas, to form a third rectificate by means of a second rectification and a third rectification, which has a higher nitrogen content and a lower hydrocarbon content than the first rectificate, and to form a fourth rectificate, which has a lower nitrogen content and a higher hydrocarbon content than the first rectificate, to cool the feed gas or a part thereof by means of a first heat exchanger and to supply it to the first rectification, and the first rectificate or a part thereof by means of a second Cool the heat exchanger and send it to the second rectification. It is provided here that the system is set up to supply heat to the first rectification or the part thereof, which is cooled by means of the second heat exchanger and fed to the second rectification, before cooling by means of the second heat exchanger by means of the first heat exchanger, and using a Part of the second rectified to form a first partial stream and a second partial stream and to supply heat to them at different pressure levels by means of the first heat exchanger.
Zu Merkmalen und Vorteilen der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Anlage sei ausdrücklich auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen verwiesen. Dies gilt auch für eine Anlage gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet ist, wie es zuvor in seinen Ausgestaltungen erläutert wurde.Regarding the features and advantages of the system proposed according to the invention, reference is expressly made to the above explanations regarding the method according to the invention and its configurations. This also applies to a system according to a particularly preferred embodiment of the present invention, which is set up to carry out a method as previously explained in its embodiments.
Eine entsprechende Anlage kann insbesondere dafür eingerichtet sein, das dritte und vierte Rektifikat vollständig oder nahezu vollständig (d.h. zu einem Anteil von insbesondere mehr als 90%) in dem einem Anwärmer und dem zweiten Wärmetauscher anzuwärmen. Eine entsprechende Anlage kann ferner insbesondere dafür eingerichtet sein, das vierte Rektifikat einem Pufferbehälter zuzuführen und anschließend in flüssigem Zustand einer Druckbeaufschlagung zu unterwerfen sowie daran anschließend in dem zweiten Wärmetauscher zu verdampfen und zu überhitzen.A corresponding system can in particular be set up to heat the third and fourth rectified completely or almost completely (i.e. to a proportion of in particular more than 90%) in the one heater and the second heat exchanger. A corresponding system can also be set up in particular to feed the fourth rectified material to a buffer container and then subject it to pressurization in the liquid state and then evaporate and overheat it in the second heat exchanger.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik veranschaulichen, näher erläutert.The invention is explained below with reference to the accompanying drawings, which show preferred embodiments of the present invention Illustrate the difference compared to the state of the art, explained in more detail.
FigurenbeschreibungCharacter description
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1 zeigt ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur kryogenen Abtrennung von Stickstoff aus einem Einsatzgas in schematischer Darstellung.1 shows a method not according to the invention for the cryogenic separation of nitrogen from a feed gas in a schematic representation. -
2 und3 zeigen Verfahren zur kryogenen Abtrennung von Stickstoff aus einem Einsatzgas gemäß Ausgestaltungen der Erfindung in schematischer Darstellung.2 and3 show methods for the cryogenic separation of nitrogen from a feed gas according to embodiments of the invention in a schematic representation.
In den nachfolgenden Figuren sind unterschiedliche Verfahren zur kryogenen Abtrennung von Stickstoff aus einem Einsatzgas schematisch veranschaulicht, wobei für gleiche oder vergleichbare Verfahrensschritte die identischen Bezugszeichen verwendet und diese nicht wiederholt erläutert werden. Wird nachfolgend auf Verfahrensschritte (z.B. „Rektifikation“, „Wärmetausch“ usw.) Bezug genommen, gelten die diesbezüglichen Erläuterungen und Bezugszeichen für entsprechende Anlagenkomponenten (z.B. „Kolonne“, „Wärmetauscher“) in gleicher Weise. Entsprechendes gilt umgekehrt für eine Bezugnahme auf Anlagenkomponenten.In the following figures, different processes for the cryogenic separation of nitrogen from a feed gas are schematically illustrated, the identical reference numbers being used for the same or comparable process steps and these not being explained repeatedly. If reference is made below to process steps (e.g. “rectification”, “heat exchange”, etc.), the relevant explanations and reference numbers for corresponding system components (e.g. “column”, “heat exchanger”) apply in the same way. The same applies vice versa to references to system components.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
In
In dem Verfahren 90 wird ein Einsatzgas 1 in einem ersten Wärmetauscher E01 vorgekühlt, wobei ein vorgekühlter Prozessgasstrom 2 erhalten wird. Dieser wird als Heizstrom in einem Reboiler E02 einer ersten Rektifikationskolonne T01, die auch als Stickstoffanreicherungskolonne bezeichnet wird, verwendet. Durch die Abkühlung im Reboiler E02 wird das Einsatzgas bzw. der Prozessgasstrom E02 unter Erhalt eines Prozessstroms 3 teilweise verflüssigt. In einem Abscheider D01 wird der zweiphasige Prozessstrom 3 in eine stickstoff- und methanreiche Gasfraktion 4 und in eine Flüssigkeit 7 mit Methan und schwereren Kohlenwasserstoffen getrennt. Die Gasfraktion 4 wird in dem ersten Wärmetauscher E01 weiter abgekühlt und nach einer Entspannung in einem Ventil V02 in die Stickstoffanreicherungskolonne T01 am Kopf eingespeist, siehe Prozessströme 5 und 6. Die Flüssigkeit 7 wird nach einer Entspannung in einem Ventil V01 mittig in die Stickstoffanreicherungskolonne T01 eingespeist, siehe Prozessstrom 8.In the
Die Stickstoffanreicherungskolonne T01 arbeitet typischerweise bei hohen Drücken zwischen 25 und 30 bara. Während der aus der Stickstoffanreicherungskolonne T01 austretende gasförmige Kopfstrom 9 eine höhere Stickstoffkonzentration als das Einsatzgas SG und typischerweise einen Stickstoffgehalt von mindestens 30 mol-% aufweist, wird am Sumpf der Stickstoffanreicherungskolonne T01 eine Flüssigkeit abgezogen, die vergleichsweise wenig Stickstoff und einen erhöhten Gehalt an schwerer siedenden Komponenten aufweist, siehe Prozessstrom 20. Ein Anteil des Prozessstroms 20 wird im Reboiler E02 teilweise verdampft und wieder in die Stickstoffanreicherungskolonne T01 zurückgeführt, siehe Prozessströme 21 und 22. Der Rest des Prozessstroms 20 wird in einem Ventil V03 auf einen mittleren Druck von etwa 15 bis 25 bara entspannt und im Wärmetauscher E01 verdampft und überhitzt, siehe Prozessströme 23, 24 und 25.The nitrogen enrichment column T01 typically operates at high pressures between 25 and 30 bara. While the gaseous
Der kalte gasförmige Kopfstrom 9, der typischerweise eine Temperatur zwischen -90 und -120°C besitzt, wird im Wärmetauscher E03 vollständig oder teilweise verflüssigt und nach der Entspannung in einem Ventil V04 der Hochdruckkolonne T02 der Doppelkolonnenanordnung zugeführt, siehe Prozessströme 10 und 11. Der Betriebsdruck der Hochdruckkolonne T02 liegt typischerweise zwischen 15 und 28 bara. Am Kopf der Hochdruckkolonne T02 wird eine stickstoffreiche Gasfraktion mit einem Stickstoffgehalt von beispielsweise mehr als 80 mol-% erzeugt. Diese Gasfraktion wird in einem Wärmtauscher E05, der gleichzeitig als Kondensator der Hochdruckkolonne T02 und als Reboiler der Niederdruckkolonne T03 fungiert, kondensiert und in einem Zwischenkompartment gesammelt. Aus diesem Zwischenkompartment wird eine stickstoffreiche Flüssigkeit 41 abgezogen. Ein Teil davon wird der Hochdruckkolonne T02 als Rücklauf zugeführt, siehe Prozessströme 42 und 43 sowie Ventil V06. Der Rest wird der Niederdruckkolonne T03 nach einer weiteren Unterkühlung in einem Wärmetauscher E04 als Rücklauf zugeführt, siehe Prozessströme 44, 45 und 46 sowie Ventil V07. Ein Sumpfprodukt der Hochdruckkolonne T02 wird ebenfalls im Wärmetauscher E04 unterkühlt und mittig in die Niederdruckkolonne T03 eingespeist, siehe Prozessströme 12,13 und 14 sowie Ventil V05. Die Niederdruckkolonne T03 arbeitet häufig bei einem Druck zwischen 1,5 und 2,5 bara.The cold gaseous
Mit Hilfe des Wärmtauschers E05 und eines stickstoffreichen Rücklaufs 46 wird am Kopf der Niederdruckkolonne T03 ein nahezu reiner Stickstoffstrom erzeugt, dessen Gehalt an Stickstoff und weiteren Inertkomponenten wie Helium beispielsweise mehr als 99 mol-% beträgt, siehe Prozessstrom 50. Im Sumpf der Niederdruckkolonne T03 wird dagegen eine methanreiche Flüssigkeit produziert, deren Gehalt an Stickstoff meist weniger als 5 mol-% beträgt, siehe Prozessstrom 30. Während der gasförmige Stickstoffstrom in den Wärmetauschern E04, E03 und E01 angewärmt und anschließend in einem Ventil V08 entspannt wird, siehe Prozessströme 51 bis 54 und N2, wird das flüssige Sumpfprodukt 30 der Niederdruckkolonne T03 auf einen Zwischendruck von typischerweise zwischen 5 und 15 bara gepumpt, im Wärmetauscher E04 angewärmt und in den Wärmetauschern E03 und E01 verdampft und letztendlich überhitzt, siehe Prozessströme 30 bis 35.With the help of the heat exchanger E05 and a nitrogen-
Die beiden methanreichen Fraktionen 25 und 35 werden in mehreren Stufen verdichtet, siehe Verdichter C01. Dabei wird das methanreiche Gas 35 in einer ersten Verdichterstufe C01.I verdichtet, in einem Wärmtauscher E06 zwischengekühlt, und mit dem methanreichen Gas 25 gemischt, siehe Prozessströme 60 bis 62. Die gesamte Mischung 62 wird in den weiteren Verdichterstufen C01.ll und C01.III verdichtet und gekühlt, bevor sie an der Anlagengrenze als Methanprodukt CH4 abgegeben wird, siehe Prozessströme 63 bis 66 sowie Wärmetauscher E07 und E08.The two methane-
In
Das Einsatzgas 1 bzw. NG wird hier im ersten Wärmetauscher E01 vorgekühlt (siehe Prozessstrom 2) und als Heizstrom im Reboiler E02 verwendet. Durch die Abkühlung im Reboiler E02 wird das Einsatzgas teilweise verflüssigt, siehe Prozessstrom 3. In dem Abscheider D01 wird der zweiphasige Prozessstrom in eine stickstoff- und methanreiche Gasfraktion 4 und in eine Flüssigkeit 7 mit Methan und schwereren Kohlenwasserstoffkomponenten getrennt. Die Gasfraktion 4 wird weiter abgekühlt und in die Stickstoffanreicherungskolonne T01 nach Entspannung im Ventil V02 am Kopf eingespeist, siehe Prozessströme 5 und 6. Die Flüssigkeit 7 wird nach der Entspannung im Ventil V01 mittig in die Kolonne eingespeist, siehe Prozessstrom 8.The
Die Stickstoffanreicherungskolonne („erste Rektifikation“) T01 arbeitet typischerweise bei hohen Drücken zwischen 25 und 30 bara. Während der austretende gasförmige Kopfstrom („erstes Rektifikat“) eine höhere Stickstoffkonzentration als das Einsatzgas und typischerweise einen Stickstoffgehalt von mindestens 30 mol-% aufweist, wird am Sumpf der Kolonne T01 eine Flüssigkeit („zweites Rektifikat“) abgezogen, die wenig N2 und einen erhöhten Gehalt an schwerer siedenden Komponenten aufweist, siehe Prozessstrom 20. Ein Teil des Prozessstroms 20 wird im Reboiler E02 teilweise verdampft und wieder in die Kolonne zurückgeführt, siehe Prozessstrom 21 und 22. Der restliche Strom 23 wird wiederum aufgeteilt und auf zwei unterschiedlichen Drücken im Wärmetauscher E01 verdampft: Der erste Teilstrom wird im Ventil V03 auf einen mittleren Druck von etwa 15 bis 25 bara entspannt und im Wärmetauscher E01 verdampft und überhitzt, siehe Prozessstrom 23A, 24 und 25. Der zweite Teil wird bei entsprechendem Druck der Anreicherungskolonne T01 im Wärmetauscher E01 verdampft und überhitzt und nach der Entspannung im Ventil V10 dem Methan Verdichter zugeführt, siehe Prozessströme 26 bis 28.The nitrogen enrichment column (“first rectification”) T01 typically operates at high pressures between 25 and 30 bara. While the emerging gaseous top stream (“first rectified”) has a higher nitrogen concentration than the feed gas and typically a nitrogen content of at least 30 mol%, a liquid (“second rectified”) is drawn off at the bottom of column T01, which contains little N2 and a has an increased content of higher boiling components, see
Der kalte gasförmige Kopfstrom 9 („erstes Rektifikat“), der typischerweise eine Temperatur zwischen -90 und -120°C besitzt, wird bei dem Verfahren gemäß der hier veranschaulichten Ausgestaltung der Erfindung gegen das Einsatzgas 1 und 4 wieder auf eine Temperatur angewärmt, die nur geringfügig kälter als die Temperatur des Einsatzgases 1 ist, siehe Prozessstrom 9A. Die Temperaturdifferenz beträgt typischerweise weniger als 10 K. Durch die vollständige Wiederanwärmung des kalten Kopfstroms der Anreicherungskolonne T01 kann die Gesamtanlage in zwei nahezu völlig unabhängig Anlagenteile aufgeteilt werden: Einen Anlagenteil zur Stickstoffanreicherung und einen zweiten Anlagenteil zur Stickstoffentfernung, die hier durch eine vertikale gestrichelte Linie getrennt sind.The cold gaseous top stream 9 (“first rectified”), which typically has a temperature between -90 and -120 ° C, is heated again in the process according to the embodiment of the invention illustrated here against the
Im Anlagenteil zur Stickstoffentfernung wird ähnlich wie im Anlagenteil der Stickstoffanreicherung das hier verwendete Einsatzgas 9A („erstes Rektifikat“) im Wärmetauscher E03 abgekühlt und teilweise oder vollständig verflüssigt, siehe Prozessstrom 10. Nach der Entspannung im Ventil V04 wird das insbesondere zweiphasige Einsatzmedium der Hochdruckkolonne T02 („zweite Rektifikation“) der Doppelsäule zugeführt, siehe Prozessstrom 11. Der Betriebsdruck der Hochdruckkolonne T02 befindet sich typischerweise zwischen 15 und 28 bara. Am Kopf der Hochdruckkolonne T02 wird eine stickstoffreiche Gasfraktion mit einem Stickstoffgehalt von mehr als 80 mol-% erzeugt. Diese Gasfraktion wird im Wärmtauscher E05, der gleichzeitig als Kondensator der Hochdruckkolonne T02 und zugleich als Reboiler der Niederdruckkolonne T03 („dritte Rektifikation“) fungiert, kondensiert und in einem Zwischenkompartment gesammelt. Aus diesem Zwischenkompartment wird die stickstoffreiche Flüssigkeit 41 abgezogen. Ein Teil davon wird der Hochdruckkolonne T02 als Rücklauf zugeführt, siehe Prozessstrom 42 und 43 sowie Ventil V06. Der Rest wird der Niederdruckkolonne T03 nach der weiteren Unterkühlung im Wärmetauscher E04 als Rücklauf zugeführt, siehe Prozessstrom 44, 45 und 46 sowie Ventil V07. Das Sumpfprodukt der Hochdruckkolonne T02 wird ebenfalls im Wärmetauscher E04 unterkühlt und mittig in die Niederdruckkolonne T03 eingespeist, siehe Prozessstrom 12, 13 und 14 sowie Ventil V05. Die Niederdruckkolonne T03 arbeitet häufig bei einem Druck zwischen 1,5 und 2,5 bara.In the part of the system for nitrogen removal, similar to the part of the system for nitrogen enrichment, the
Mit Hilfe des Wärmtauschers E05 und des stickstoffreichen Rücklaufs 46 wird am Kopf der Niederdruckkolonne T03 ein nahezu reiner Stickstoffstrom (Gehalt an Stickstoff und weiteren Inertkomponenten wie Helium von mehr als 99 mol-%, „drittes Rektifikat“) erzeugt, siehe Prozessstrom 50. Im Sumpf der Kolonne T03 wird dagegen eine methanreiche Flüssigkeit („viertes Rektifikat“) produziert, deren Gehalt an Stickstoff meist weniger als 5 mol-% beträgt, siehe Prozessstrom 30.With the help of the heat exchanger E05 and the nitrogen-
Der gasförmige Stickstoffstrom 50 wird jetzt ausschließlich in den Wärmetauschern E04 und E03 angewärmt und anschließend im Ventil V08 entspannt, siehe Prozessströme 50 bis 54. Das flüssige Sumpfprodukt 30 wird in einem Zwischenbehälter D02, der gasseitig mit der Kolonne T03 verbunden ist (siehe Prozessstrom 30B), gesammelt. Dieser Sammelbehälter dient als Pufferbehälter, um flüssiges Kältemittel zwischenspeichern zu können. Dazu wird der Behälter für eine ausreichend große Verweilzeit der Flüssigkeit (typischerweise mindestens 5 min bezogen auf die maximal auftretende Menge am Eintritt) ausgelegt. Die Pumpe P01 fördert anschließend das flüssige Methan bei einem Druck von ca. 5 bis 15 bara ausschließlich durch die Wärmetauschern E04 und E03, in denen es angewärmt, verdampft und überhitzt wird, siehe Prozessstrom 31 bis 35. Durch die beschriebene Verfahrensführung werden beide Anlagenteile zur N2 Anreicherung und N2 Entfernung voneinander entkoppelt.The
Die drei methanreichen Fraktionen 25, 28 und 35 („zweites Rektifikat“ und „viertes Rektifikat“) werden im Verdichter C01 wieder auf den vorgegeben Enddruck verdichtet, siehe Verdichter C01 und Wärmetauscher E06 bis E08.The three methane-
Durch die Entkopplung der beiden kryogenen Anlagenteile können beide Anlagensektionen unabhängig voneinander bei der Inbetriebnahme abgekühlt werden. Die Inbetriebnahme wird dadurch deutlich vereinfacht. Schwankende Betriebsparameter in den beiden Anlagenteilen haben außerdem nur geringe Auswirkungen auf den jeweilig anderen Anlagenteil. Insbesondere Änderungen der Betriebsparameter im Anlagenteil zur N2 Entfernung haben keinen Einfluss auf den vorgeschalteten N2 Anreicherungsprozess.By decoupling the two cryogenic system parts, both system sections can be cooled independently of each other during commissioning. This makes commissioning significantly easier. Fluctuating operating parameters in the two parts of the system also have only a minor impact on the other part of the system. In particular, changes to the operating parameters in the part of the system for N2 removal have no influence on the upstream N2 enrichment process.
Die Temperaturregelung der Prozessströme am Eintritt in die Anreicherungskolonne T01 sowie der Hochdruckkolonne T02 wird deutlich vereinfacht. Die Temperatur des Prozessstroms 5 kann unter anderem durch eine Mengenerhöhung oder Reduzierung des Prozessstroms 23A geregelt werden. Ein höherer Mengenstrom führt zu einer stärkeren Verdampfung der Sumpfflüssigkeit der Kolonne T01 bei niedrigerem Druck und damit kälteren Temperaturen als bei Kolonnendruck, vergleiche Prozessströme 23A und 26. Mit Hilfe des Zwischenbehälters D02 kann bei ungeregeltem Flüssigkeitsstand mehr oder weniger Flüssigkeit im Wärmtauscher E03 verdampft werden. Die Regelung der Temperatur des Prozessstroms 10 wird dadurch deutlich vereinfacht. Durch die neuen Regelungsmöglichkeiten kann die gesamte Anlage deutlich stabiler betrieben werden.The temperature control of the process streams at the entry into the enrichment column T01 and the high-pressure column T02 is significantly simplified. The temperature of the
Das hier dargestellte Verfahren gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung stellt somit ein Konzept dar, dass sowohl die Inbetriebnahme als auch den kontinuierlichen Betrieb deutlich vereinfacht. Gleichzeitig wird lediglich ein neuer Behälter benötigt. Die so beschriebene Prozessführung besitzt somit eine geringfügig höhere Equipmentanzahl, während der Energiebedarf nahezu unverändert auf niedrigem Niveau verweilt (z.B. maximal ± 5% im Vergleich zum eingangs beschriebenen Prozess).The method shown here according to an embodiment of the invention therefore represents a concept that significantly simplifies both commissioning and continuous operation. At the same time, only a new container is required. The process described in this way therefore has a slightly higher number of equipment, while the energy requirement remains almost unchanged at a low level (e.g. a maximum of ± 5% compared to the process described at the beginning).
In
In der Alternative gemäß
Nachteil der Alternative ist jedoch, dass der Wärmetauscher E05 sensibel auf Änderungen der Temperatur bzw. Zusammensetzung der Flüssigkeit 70 reagiert. Schwankende Temperaturen der Flüssigkeit 70 beeinflussen so den Betrieb der Hochdruckkolonne T02, da das Gas im Kopfteil der Hochdruckkolonne gegen schwankende Flüssigkeitstemperaturen kondensiert werden muss.The disadvantage of the alternative, however, is that the heat exchanger E05 reacts sensitively to changes in the temperature or composition of the liquid 70. Fluctuating temperatures of the liquid 70 thus influence the operation of the high-pressure column T02, since the gas in the top part of the high-pressure column must be condensed against fluctuating liquid temperatures.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- EP 1287302 B1 [0012]EP 1287302 B1 [0012]
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Applications Claiming Priority (2)
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---|---|---|---|---|
EP1287302B1 (en) | 2000-05-31 | 2005-09-21 | Linde AG | Multistoreyed bath condenser |
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2023
- 2023-03-07 DE DE102023000844.3A patent/DE102023000844A1/en active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP1287302B1 (en) | 2000-05-31 | 2005-09-21 | Linde AG | Multistoreyed bath condenser |
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