DE10233410A1 - Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes mit gleichzeitiger Gewinnung einer C3/C4-reichen Fraktion - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Verfahren zum Verflüssigen eines Erdgasstromes mit gleichzeitiger Gewinnung einer C¶3¶/C¶4¶-reichen Fraktion beschrieben, wobei die Verflüssigung des Erdgasstromes im Wärmetausch gegen wenigstens einen Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischstrom erfolgt und der zu verflüssigende Erdgasstrom nach einer Vorkühlung einer Trennkolonne, in der höhere Kohlenwasserstoffe aus dem Erdgasstrom abgetrennt werden, unterworfen und anschließend einer weiteren Abkühlung und Verflüssigung unterworfen wird, wobei der Trennkolonne eine in der nachfolgenden Abkühlung des Erdgasstromes gewonnene C¶2+¶-reiche Fraktion als Rücklaufflüssigkeit zugeführt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird der Trennkolonne (T1) als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit eine C¶4¶/C¶5¶-reiche Fraktion (20, 35) direkt und/oder indirekt zugeführt, wobei der Einspeisepunkt der C¶4¶/C¶5¶-reichen Fraktion (20, 35) am Kopf der Trennkolonne (T1) liegt oder identisch mit dem Einspeisepunkt der C¶2+¶-reichen Fraktion (5) ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, mit gleichzeitiger Gewinnung einer C3/C4-reichen Fraktion, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen wenigstens einen Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischstrom erfolgt und die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom nach einer Vorkühlung einer Trennkolonne, in der höhere Kohlenwasserstoffe aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom abgetrennt werden, unterworfen und anschließend einer weiteren Abkühlung und Verflüssigung unterworfen wird, wobei der Trennkolonne eine in der nachfolgenden Abkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gewonnene C2+-reiche Fraktion als Rücklaufflüssigkeit zugeführt wird.
- Gattungsgemäße Verfahren, die insbesondere in Erdgasverflüssigungsanlagen realisiert werden, werden entweder als sog. LNG Baseload Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Versorgung mit Erdgas als Primärenergie – oder als sog. Peak Shaving Plants – also Anlagen zur Verflüssigung von Erdgas zur Deckung des Spitzenbedarfs – ausgelegt.
- Die vorgenannten Peak Shaving Plants werden mit Expansionsturbinen oder Kältemittelmischungen in den Kältekreisläufen betrieben. Die Kältekreisläufe enthalten oft nur eine oder wenige Komponenten.
- LNG Baseload Plants werden im Regelfall mit Kältekreisläufen betrieben, die aus Kohlenwasserstoffgemischen bestehen. Diese Gemischkreisläufe sind energetisch effizienter als Expander-Kreisläufe und ermöglichen bei den großen Verflüssigungsleistungen der Baseload Plants entsprechend relativ niedrige Energieverbräuche.
- Bei diesen Anlagen müssen zur Erzeugung des Inventars der Gemischkreisläufe, zur Deckung von Verlusten im Betrieb und aufgrund von Produktanforderungen die im Erdgas enthaltenen schweren Kohlenwasserstoffe abgetrennt werden.
- Dies geschieht üblicherweise dadurch, dass der zur verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom auf eine Temperatur von –10 bis –25 °C vorgekühlt und anschließend einer Trennkolonne zugeführt wird. Mittels einer geeigneten Kolonnenfiguration werden in der Trennkolonne sodann die höheren Kohlenwasserstoffe – gemeint sind hier die C3+-reichen Kohlenwasserstoffe sowie Benzol – aus dem zu verflüssigenden Strom abgetrennt. Am Kopf der Trennkolonne wird eine C2-reiche Fraktion abgezogen und der weiteren Abkühlung sowie Verflüssigung unterworfen. Die im Sumpf der Trennkolonne gewonnene C3+-Kohlenwasserstofffraktion wird hierbei soweit mit höheren Kohlenwasserstoffen angereichert, dass in dem C2-reichen Kopfprodukt der Trennkolonne der gewünschte Heizwert eingestellt ist.
- Die in der Trennkolonne aus dem zu verflüssigenden Strom abgetrennte, höhere Kohlenwasserstoffe enthaltende Fraktion wird im Regelfall anschließend rektifikatorisch in ihre Bestandteile zerlegt, wobei diese teilweise als sog. Make-up-Fraktionen – beispielsweise C2H6 oder C3H8 – für den oder die Gemischkreisläufe verwendet oder als weitere Produktströme gewonnen und ggf. einer Weiterverarbeitung zugeführt werden.
- Die Auftrennung der vorgenannten C3+-reichen Fraktion wird bspw. mit folgenden Rektifikationskolonnen durchgeführt: Demethanizer, Deethanizer, Depropanizer und evtl. Debutanizer. Diese Kolonnen ermöglichen die Erzeugung folgender Fraktionen: Methan, Ethan und Ethan-Make-Up, Propan und Propan-Make-Up, LPG (Flüssiggas) sowie eine C5+-Fraktion.
- Nachteilig bei der vorbeschriebenen Verfahrensweise ist jedoch, dass die Ausbeute an C4-Kohlenwasserstoffen vergleichsweise gering ist.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren anzugeben, das die Gewinnung einer C3/C4-reichen Fraktion – der sog. LPG-Fraktion – mit möglichst hoher C3-Ausbeute ermöglicht.
- Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, dass der Trennkolonne als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit eine C4/C5-reiche Fraktion direkt und/oder indirekt zugeführt wird, wobei der Einspeisepunkt der C4/C5-reichen Fraktion am Kopf der Trennkolonne liegt oder identisch mit dem Einspeisepunkt der C2+-reichen Fraktion ist.
- Unter dem Begriff "indirekt zugeführt" sei hierbei eine Verfahrensweise zu verstehen, bei der die der Trennkolonne als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion einem anderen Strom, der der Trennkolonne zugeführt wird, beigemischt wird.
- Erfindungsgemäß werden der Trennkolonne nunmehr zwei unterschiedliche Fraktionen als Rücklaufflüssigkeiten zugeführt.
- Darüber hinaus wird – entsprechend einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens – sofern der Einspeisepunkt der C4/C5-reichen Fraktion am Kopf der Trennkolonne liegt, zwischen dem Einspeisepunkt der C4/C5-reichen Fraktion und dem Einspeisepunkt der C2+-reichen Fraktion eine Massenübergangszone vorgesehen wird.
- Fallen der Einspeisepunkt der C4/C5-reichen Fraktion und der Einspeisepunkt der C2+-reichen Fraktion zusammen, so kann – entsprechend einer alternativen, vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens – unterhalb des gemeinsamen Einspeisepunkts eine Massenübergangszone vorgesehen werden.
- Zur Erzeugung der als zusätzlichen Rücklaufflüssigkeit benötigten C4/C5-reichen Fraktion sind nunmehr zwei Verfahrensweisen, die auch miteinander kombiniert werden können, denkbar.
- Sofern die in der Trennkolonne gewonnenen höheren Kohlenwasserstoffe in mehreren, der Trennkolonne nachgeschalteten Schritten rektifikatorisch aufgetrennt werden, wobei einer dieser Schritte die Zuführung der höheren Kohlenwasserstoffe in einen Depropanizer umfasst, kann die der Trennkolonne als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion in einer Depropanizer-Seitenkolonne, der eine aus dem Depropanizer abgezogene C4+-reiche Fraktion zugeführt wird, gewonnen werden. Umfasst die der Trennkolonne nachgeschaltete rektifikatorische Auftrennung der höheren Kohlenwasserstoffe einen Debutanizer so kann auch in diesem die als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit benötigte C4/C5-reiche Fraktion erzeugt werden.
- Auch besteht die Möglichkeit, die der Trennkolonne als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion in einer Seitenkolonne der Trennkolonne zu gewinnen, indem dieser Seitenkolonne aus der Trennkolonne eine C4+-reiche Fraktion zugeführt wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien im Folgenden anhand der in den
1 und2 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. - Hierbei zeigen:
-
1 : Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die C4/C5-reiche Fraktion in einer Depropanizer-Seitenkolonne gewonnen wird -
2 : Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die C4/C5-reiche Fraktion in einer Seitenkolonne der Trennkolonne gewonnen wird - Gemäß der in der
1 dargestellten Verfahrensweise wird ein vorgekühlter und – falls erforderlich – vorbehandelter Erdgasstrom, der eine Temperatur zwischen –10 und –25 °C aufweist über Leitung1 der Trennkolonne T1 zugeführt. Auf die ggf. notwendigen Vorbehandlungsschritte, wie beispielsweise Trocknung, CO2-Entfernung, Schwefelentfernung, etc. sei im Folgenden nicht näher eingegangen; die gängigen Verfahrensweisen sind dem Fachmann bekannt. Der über Leitung1 herangeführte Erdgasstrom weist typischerweise einen Druck zwischen 30 und 90 bar auf. - Am Kopf der Trennkolonne T1 wird über Leitung
2 eine C2–-reiche Fraktion abgezogen und im Wärmetauscher E1 auf eine Temperatur zwischen –25 und –55 °C abgekühlt und dabei partiell kondensiert. Der partiell kondensierte Strom wird anschließend über Leitung3 einem Abscheider D zugeführt. - Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt der Benzol-Gehalt der der Trennkolonne T1 als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführten C4/C5-reichen Fraktion – auf die im Folgenden noch eingegangen werden wird – weniger als 500 ppm, vorzugsweise sogar weniger als 300 ppm. Dies hat zur Folge, dass die am Kopf der Trennkolonne T1 über Leitung
2 abgezogene C2–-reiche Fraktion einen Benzol-Gehalt von weniger als 1 ppm aufweist. Ein unerwünschtes Ausfrieren des Benzols in dem der Trennkolonne T1 nachgeschalteten Verflüssigungsteil kann dadurch wirkungsvoll vermieden werden. - Am Kopf des Abscheiders D wird über Leitung
4 eine C1-reiche Fraktion abgezogen und der weiteren, in den1 und2 nicht dargestellten Abkühlung und Verflüssigung unterworfen. - Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung
5 eine C2+-reiche Fraktion abgezogen und der Trennkolonne T1 in deren oberen Bereich als Rücklaufflüssigkeit aufgegeben. - Oberhalb des Einspeisepunktes der über Leitung
5 der Trennkolonne T1 zugeführten C2+-reichen Fraktion ist eine Massenübergangszone M angeordnet. Diese weist typischerweise 3 bis 10 zusätzliche Böden auf; dies entspricht etwa 2 bis 7 theoretischen Böden. - Aus dem Sumpf der Trennkolonne T1 wird über Leitung
6 eine C3+-reiche Fraktion abgezogen und ggf. weiteren Prozessschritten unterworfen. Ein Teilstrom der aus dem Sumpf der Trennkolonne T1 abgezogenen C3+-reichen Fraktion wird hierbei der Trennkolonne T1 über Leitung7 , in der ein Wärmetauscher E2 angeordnet ist, als Reboilerstrom zugeführt. - Die im Regelfall mehrstufige Rektifikation der aus dem Sumpf der Trennkolonne T1 über Leitung
6 abgezogenen C3+-reichen Fraktion ist mit ihren unterschiedlichen Verfahrensvarianten dem Fachmann ebenfalls hinlänglich bekannt. Der gestrichelt gezeichnete Leitungsbereich6' stehe hierbei für unterschiedlichste Verfahrensweisen, also beispielsweise die Zuführung der über Leitung6 abgezogenen C3+-reichen Fraktion in einen Demethanizer sowie einen nachgeschalteten Deethanizer. Über Leitung6'' wird eine wie auch immer behandelte C3+-Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion dem Depropanizer T2 zugeführt. - Am Kopf des Depropanizers T2 wird über Leitung
9 eine C3-Kohlenwasserstoffproduktfraktion abgezogen und im Wärmetauscher E3 abgekühlt. Ein Teilstrom dieser Fraktion wird anschließend über Leitung10 dem Depropanizer T2 als Rücklauf aufgegeben. Über die Leitungen22 und23 können Produktströme mit einer hohen C3-Reinheit gasförmig bzw. flüssig abgezogen werden; diese dienen bspw. als C3-Make-up für die Kältemittelgemischkreisläufe. Der restliche Teil der am Kopf des Depropanizers T2 über Leitung12 abgezogenen C3/C4-Produktfraktion – der sog. LPG-Produktfraktion – zugemischt wird; die so vereinigten Fraktionen werden anschließend über Leitung13 abgegeben und ggf. einer Weiterverarbeitung zugeführt. - Aus dem Sumpf des Depropanizers T2 wird über Leitung
8 eine C5+-reiche Kohlenwasserstofffraktion abgezogen und falls gewünscht ebenfalls einer Weiterverarbeitung zugeführt. - Über den Seitenabzug
14 wird dem Depropanizer T2 eine C4+-Kohlenwasserstofffraktion entnommen und der Seitenkolonne T3 zugeführt. Die Seitenkolonne T3 dient insbesondere dazu, Benzol weitgehend aus der zugeführten C4+-Kohlenwasserstofffraktion zu entfernen. Zu diesem Zweck wird am Kopf der Kolonne T3 über Leitung16 eine C4/C5-reiche Fraktion abgezogen, im Wärmetauscher E4 abgekühlt und über Leitung17 einem Verzweigepunkt zugeführt, an dem ein Teilstrom über Leitung18 der Kolonne T3 als Rücklauf aufgegeben wird, während der restliche Anteil der C4/C5-reichen Fraktion über die Leitungen19 und20 der Trennkolonne T1 als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführt wird. - Aus dem Sumpf der Seitenkolonne T3 wird über Leitung
15 eine C5+-reichen Fraktion abgezogen und dem Depropanizer T2 in dessen unteren Bereich zugeführt. - Die der Trennkolonne T1 als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion wird in einem Wärmetauscher E5 vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen –30 und –50 °C unterkühlt. Die optimale Eintrittstemperatur der der Trennkolonne T1 zugeführten C4/C5-reichen Fraktion wird im Wesentlichen von den Bedingungen innerhalb der Trennkolonne T1 bestimmt.
- Anstelle einer unmittelbaren Zuführung der als zusätzlichen Rücklaufflüssigkeit verwendeten C4/C5-reichen Fraktion, kann diese auch – vollständig oder teilweise – über die strichpunktiert gezeichnete Leitung
21 dem Abscheider D zugeführt werden. Der dem Abscheider D zugeführte (Teil)Strom würde dann aus dessen Sumpf über Leitung5 mit der C2+-reichen Fraktion der Trennkolonne T1 zugeführt. - Bei der in der
2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit benötigte C4/C5-reiche Fraktion nunmehr nicht in einer Seitenkolonne des Depropanizers T2 gewonnen, sondern in einer der Trennkolonne T1 zugeordneten Seitenkolonne T4. - Dazu wird der Trennkolonne T1 in deren unteren Bereich über Leitung
30 ein Strom entnommen und der Seitenkolonne T4 zugeführt. Aus dem Sumpf dieser Seitenkolonne T4 wird über Leitung31 eine C5+-reiche Fraktion abgezogen und der Trennkolonne T1 zugeführt. - Am Kopf der Seitenkolonne T4 wird über Leitung
32 eine C4/C5-reiche Fraktion abgezogen und im Wärmetauscher E6 abgekühlt; ein Teilstrom dieser Fraktion wird über Leitung33 der Seitenkolonne T4 als Rücklauf aufgegeben. Der Reststrom der über Leitung32 aus dem Kopf der Seitenkolonne T4 abgezogenen C4/C5-reichen Fraktion bildet die zusätzliche Rücklauffraktion für die Trennkolonne T1 und wird dieser über die Leitungen34 und35 zugeführt. - Wiederum kann in der Leitung
34 ein Wärmetauscher E7, der der Ab- bzw. Unterkühlung der C4/C5-reichen Fraktion dient, vorgesehen sein. - Auch bei dieser Verfahrensführung kann die als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit verwendete C4/C5-reiche Fraktion entweder teilweise oder vollständig über die strichpunktiert gezeichnete Leitung
36 dem Abscheider D zugeführt werden. - Zu beachten ist, dass eine Verfahrensführung gewählt wird, bei der der C3-Gehalt der der Trennkolonne T1 zugeführten C4/C5-reichen Fraktion möglichst klein ist, um in der Trennkolonne T1 eine Abtrennung der C3+-Komponenten mit möglichst hoher Ausbeute realisieren zu können. Auch der Gehalt an C4-Komponenten in der der Trennkolonne T1 zugeführten C4/C5-reichen Fraktion sollte möglichst klein sein, um die in der Trennkolonne T1 bereits erreichte hohe Ausbeute an C4-Kohlenwasserstoffen nicht zu verschlechtern. Folglich sollte der Gehalt an C5-Kohlenwasserstroffen möglichst groß gewählt werden, um eine effiziente Abtrennung von C3+-Kohlenwasserstoffen zu bewirken.
- Das mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnene LPG ist deshalb von großem wirtschaftlichen Wert, da LPG bei Umgebungstemperaturen verflüssigbar ist, einen hohen Energieinhalt aufweist und gut transportierbar ist. Darüber hinaus kann LPG umweltfreundlich verbrannt werden. Die C3-Ausbeute des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt bei mehr als 60 %, die des LPG's bei mehr als 90 %.
Claims (9)
- Verfahren zum Verflüssigen eines Kohlenwasserstoff-reichen Stromes, insbesondere eines Erdgasstromes, mit gleichzeitiger Gewinnung einer C4/C5-reichen Fraktion, wobei die Verflüssigung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes im Wärmetausch gegen wenigstens einen Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischstrom erfolgt und die zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom nach einer Vorkühlung einer Trennkolonne, in der höhere Kohlenwasserstoffe aus dem zu verflüssigenden Kohlenwasserstoff-reichen Strom abgetrennt werden, unterworfen und anschließend einer weiteren Abkühlung und Verflüssigung unterworfen wird, wobei der Trennkolonne eine in der nachfolgenden Abkühlung des Kohlenwasserstoff-reichen Stromes gewonnene C2+-reiche Fraktion als Rücklaufflüssigkeit zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennkolonne (T1) als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit eine C4/C5-reiche Fraktion (
20 ,35 ) direkt und/oder indirekt zugeführt wird, wobei der Einspeisepunkt der C4/C5-reichen Fraktion (20 ,35 ) am Kopf der Trennkolonne (T1) liegt oder identisch mit dem Einspeisepunkt der C2+-reichen Fraktion (5 ) ist. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einspeisepunkt der C4/C5-reichen Fraktion am Kopf der Trennkolonne liegt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einspeisepunkt der C4/C5-reichen Fraktion (
20 ,35 ) und dem Einspeisepunkt der C2+-reichen Fraktion (5 ) eine Massenübergangszone (M) vorgesehen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Einspeisepunkt der C4/C5-reichen Fraktion identisch mit dem Einspeisepunkt der C2+-reichen Fraktion ist, dadurch gekennzeichnet, dass unterhalb des gemeinsamen Einspeisepunkts eine Massenübergangszone (M) vorgesehen wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem die in der Trennkolonne gewonnenen höheren Kohlenwasserstoffe in mehreren Schritten rektifikatorisch aufgetrennt werden, wobei einer dieser Schritte die Zuführung der höheren Kohlenwasserstoffe in einen Depropanizer (T2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trennkolonne (T1) als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion (
20 ,35 ) in einer Depropanizer-Seitenkolonne (T3), der eine aus dem Depropanizer (T2) abgezogene C4+-reiche Fraktion (14 ) zugeführt wird, gewonnen wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, bei dem die in der Trennkolonne gewonnenen höheren Kohlenwasserstoffe in mehreren Schritten rektifikatorisch aufgetrennt werden, wobei einer dieser Schritte die Zuführung der höheren Kohlenwasserstoffe in einen Debutanizer umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trennkolonne (T1) als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion (
20 ,35 ) in dem Debutanizer gewonnen wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trennkolonne (T1) als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion (
20 ,35 ) in einer Seitenkolonne (T4) der Trennkolonne (T1) gewonnen wird, indem dieser Seitenkolonne (T4) aus der Trennkolonne (T1) eine C4+-reiche Fraktion (30 ) zugeführt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trennkolonne (T1) als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion (
20 ,35 ) vor ihrer Zuführung abgekühlt wird (E5, E7). - Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der Trennkolonne (T1) als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführte C4/C5-reiche Fraktion (
20 ,35 ) bei ihrer Abkühlung (E5, E7) zumindest teilweise kondensiert wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Benzol-Gehalt der der Trennkolonne (T1) als zusätzliche Rücklaufflüssigkeit zugeführten C4/C5-reiche Fraktion (
20 ,35 ) weniger als 500 ppm, vorzugsweise weniger als 300 ppm beträgt.
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