DE2005634A1

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Info

Publication number: DE2005634A1
Application number: DE19702005634
Authority: DE
Priority date: 1969-02-10
Filing date: 1970-02-07
Publication date: 1970-09-03
Also published as: DE2005634B2; FR2044686B1; US3754405A; GB1239355A; FR2044686A1

Description

BLACK, SIVALLS & BRYSON, INC., Kansas City, Missouri, (USA)

Verfahren und Einrichtung zur Steuerung des Kohlenwasserstoff gehaltes eines Gasstromes.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Steuerung des Kohlenwasserstoffgehaltes eines Gasstromes, insbesondere Erdgasstromes, durch Abscheidung der Bestandteile mit niedrigem Taupunkt.

Erdgas, das aus Öl- oder Gasbohrungen erzeugt bzw. gewonnen wird, enthält im normalen Fall eine Mischung von Kohlenwasser stoff komponenten, die in gasförmiger Phase bei dem jeweiligen Druck und der Temperatur vorliegen, die in dem erzeugten Bohrloch herrschen» Wenn sich der Druck des Gasstromes ändert oder die Temperatur absinkt, oder wenn sogar beides eintritt, verflüssigen oder kondensieren einige der Kohlenwasserstoff komponenten des Gasstromes.

In der Erdgasindustrie werden gewöhnlich die Gasströme aus einer Anzahl von öl- oder Gasbobrungen in eine gemeinsame Pipeline zur Weiterleitung und Verteilung an einem entfernt

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yon dem Ulfeld liegenden Verbraucherpunkt zusammengeführt. Wenn das Gas die Pipeline durchströmt sinkt aufgrund der Reibung der Gasdruck und, insbesondere im Winter, auch die Temperatur aufgrund der Umgebungsbedingungen. Auf diese Weise kondensieren die kondensierbaren Komponenten, die im Gasstrom enthalten sind. Dieses Kondensat beeinträchtigt die Gasströmung im System und führt, wenn dies nicht vor der Verteilung des Gases an die Endverbraucher entfernt wird, unter Umständen zu Explosionen und Entzündungen.

Es sind viele unterschiedliche Verfahren und Einrichtungen entwickelt worden, um die kondensierbaren Komponenten aus Gasströmen vor der Einführung des Gases in Ubertragungsleitungen zu entfernen. Beispielsweise werden bei einem dieser Verfahren die kondensierbaren Komponenten aus dem Gasstrom in Bettungen oder Auskleidungen aus trockenen Trocknungsmitteln, beispielsweise aus Aktivkohle oder Silika-Gel oder durch flüssige Trocknungsmittel, wie beispielsweise Naphta oder Kerosen adsorbiert. Auch die Kondensation der kondensierbaren Komponenten durch Expansion des Gasstromes wird durchgeführt. Diese bekannten Verfahren erfordern jedoch gewöhnlich die Umsetzung eines hohen Prozentsatzes der im Gasstrom enthaltenen Komponenten in die flüssige Phase und deren Abtrennung aus dem Gasstrom, wobei der Restgasstrom lediglich die Komponenten mit niedrigen Siedepunkten enthält. Das ist in vielen Fällen unerwünscht, da die Komponenten mit hohen Siedepunkten, wenn sie im Restgasstrom zurückbehalten werden können, den Heizwert

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des Gases erhöhen. Zusätzlich sind die für dieDurchfübrung der bekannten Terfahren erforderlichen Einrichtungen im Aufbau und im Betrieb dceuer.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundliegende Aufgabe beoteht also darin, ein Verfahren und eine EittLchtung der eingangs geschilderten Gattung vorzuschlagen, in denen die Abscheidung der Bestandteile mit niedrigem Taupunkt wirtschaftlicher als bisher erfolgt. Das erfindungsgemässe Verfahren Iö3t diese Aufgabe dadurch, dass der Gasstrom in einem KühlmittelkreiBlauf auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der sich die kondensierbaren Bestandteile mit niedrigem Taupunkt verflüssigen und dass der Reststrom des Gases nach Abscheidung der flüssigen Bestandteile durch das komprimierte Kühlmittel auf eine Temperatur über den Taupunkt Beiner Komponenten erwärmt und weitergeführt wird.

Die Einrichtung zur Steuerung des Kohlenwasserstoffgehaltes nach dem erfindungsgemässen Verfahren ist gekennzeichnet durch einen von dem Gasstrom und einem Kühlmittel getrennt beaufschlagten Kühler, der mit einem FlüssigkeitB-Gas-Abscheider verbunden ist und einen Bestandteil eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs mit einem Entspannungsventil vor dem Kühler bildet, in dem stromaufwärts von dem Entspannungsventil ein Wärmetauscher angeordnet ist, der zur Kühlung des erwärmten Kühlmittels und zur Erhitzung des Restgasstromes

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aus dem Flüssigkeits-Gae-Abscheider dient.

Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sieb aus der nachfolgenden Besenreibung eines Ausführungs- beiepiels anhand der beiliegenden Zeichnungen sowie aus den weiteren Unteransprüchen.

Es zeigen: _s

Figur 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemässen Einrichtung und

Figur 2 ein Schaubild, in dem Temperatur und Druck, bei denen die Kondensation in typischen Gasströmen eintritt, aufgetragen sind.

Gemäss der Darstellung in Figur 1 führt eine Leitung 10 einen Gasstrom in einen Wärmetauscher 12, der von gewöhnlicher, im Handel erhältlicher Bauweise sein kann und aus Materialien ausreichender Festigkeit hergestellt sein muss, um den auftretenden Drücken und Temperaturen des durchströmenden Gases standzuhalten. Vorzugsweise wird ein Mantel-Rohr-Wärmetauscher verwendet, an dessen Rohrleitung die Leitung 10 angeschlossen ist, während der Mantel mit Leitungen 14 und 5 6, die nachfolgend noch erläutert werden, in Verbindung steht. Das andere Ende der Rohre des Wärmetauschers 12 steht über eine Leitung 16 mit einem Kühler 18 in Verbindung, durch den eine übliche Kühlschlange 20 verläuft, welche den zu kühlenden Gasstrom führt. Durch eine Leitung 22 tritt in den Kühler 18 ein Kühlmx-oelstrom ein, nachdem er in einem Entspannungsventil 24

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entspannt worden ist. Als Kühlmittel dient jegliches im Handel befindliche flüssige Kühlmittel, beispielsweise ]Preon oder Propan. Ein Niveau-Messgerät 26, beispielsweise pneumatischer oder elektrischer Punktion, hält in dem Kühler 18 über der Kühlschlange 20 durch entsprechendes öffnen oder Schliessen des Entspannungsventiles 24 ein bestimmtes Kühlmittelniveau aufrecht. Das Entspannungsventil 24 kann ebenfalls ein pneumatisch oder elektrisch betätigtes Steuerventil sein, das auf das Ausgangssignal des Niveaumessgerätes 26 anspricht.

Der Kühlkreislauf enthält weiterhin eine Leitung 28, die zur Saugseite eines gewöhnlichen Kühlmittelkompressors 30 führt, und der eine Auslassleitung 32 besitzt, die zum Röhrenanschluss eines weiteren Mantel-Rohr-Wärmetauschers 34 führt. Der Kühlkreislauf wird geschlossen durch eine Leitung 36, die wiederum mit dem Entspannungsventil 24 verbunden ist. Auf diese Weise ist ein gewöhnlicher, geschlossener Kühlkreislauf hergestellt, in dem das Kühlmittel im Kühler 18 verdampft und dabei aus dem den Kühler durchlaufenden Erdgasstrom Wärme entzieht, das weiterhin durch den Kompressor 30 komprimiert wird, im Wärmetauscher 34 kondensiert und schllesslich im Entspannungsventil 24 wieder expandiert.

Die Kühlschlange 20 des KühleiB 18 steht mit einem Abscheider 40 in Verbindung, der einen PlüssigkeitsaieLass 42 mit einem Plüsßigkeitsstand-Steuerventil 44 enthält. Ein pneumatisch oder elektrisch funktionierendes Niveau-Messgerät 46 überwacht das

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Plüssigkeitsniveau im Abscheider 40 und öffnet bzw. scbliesst entsprechend das Ventil 44·. Durch das Steuerventil 44 werden die im Kühler 18 konzentrierten Komponenten in eine Leitung 48 geleitet, die sie entweder einem Speicherbehälter oder einem weiteren Verfahrensschritt zuführt.

Ein Temperatur-Überwachungsgerät 52, das ebenfalls von bekannter pneumatischer oder elektrischer Bauart sein kann, ist an dem Abscheider 40 vorgesehen und dazu bestimmt, die Temperatur des Restgasstromes, der durch den Abscheider 40 verläuft, zu überwachen. Das Ausgangssignal des Temperatur-Überwachungsgerätes 52 betätigt eine automatische Entla-8tungseinrichtung 54t die mit dem Kühlmittelkompressor 30 gekoppelt ist. Die Entlastungseinrichtung 54 steuert den Kompressor 30 in Abhängigkeit der Signale ob dem Temperaturüberwachungsgerät 52 in der Weise, dass der Kompressor entweder angehalten und wieder gestartet oder auf sonstige Weise mehr oder weniger beschickt wird.

Eine Auslassleitung 50 für den Restgasstrom steht über eine leitung 14 mit dem Mantel des Wärmetauschers 12 in Verbindung. Der andere Anschluss des Wärmetauschermantels 12 ist über eine Leitung 56 mit dem Mantelanschluss des Wärmetauschers 34 verbunden, der wiederum über eine Leitung 58 mit einem Weiterführungs- oder Verteilersystem für das Gas in Verbindung steht.

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Im Betrieb der Einrichtung wird die Einlassleitung 10 mit einem Erdgasstrom beschickt und die Auslassleitung 58 über eine Pipeline oder ein Übertragungssystem mit einem Verteilerpunkt verbunden. Der Gasstrom wird auf eine gewünschte Temperatur abgekühlt, deren Ermittlung nachfolgend noch näher erläutert wird, dadurch, dass das Temperatur-Überwachungsgerät 52 zur Einregelung des ReBtgasstromes im Abscheider 4.0 auf diese Temperatur entsprechend eingestellt wird. Der hereinkommende Erdgasstrom durchströmt den Wärmetauscher 12, indem er durch das kalte Restgas bereits vorgekühit wird und tritt dann in den Kühler 18 ein, indem er auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Wenn der Kompressor 30 läuft, zirkuliert er das Kühlmittel in dem geschlossenen Kühlkreislauf. Dadurch durchströmt das kondensierte Kühlmittel das Entspannungsventil 24, so dass sich der Kühlmitteldruck erheblich senkt und dadurch eine gewisse Verdampfung des Kühl-r mittels bei gleichzeitiger Abkühlung eintritt. Die durch den Rohgasstrom durch die Kühlschlange 20 übertragene Wärme verursacht eine weitere Verdampfung des Kühlmittels. Das verdampfte Kühlmittel sammelt sich im oberen Teil des Kühlers 18 an, vor? wo es in die Leitung 28 geführt wird. Aus dieser Leitung 28 gelangen die Kühlmitteldämpfe wieder in den Kompressor 30, werden dort auf einen relativ hohen Druck komprimiert und durch die Leitung 32 zum Wärmetauscher 34 geführt. Beim Durchströmen des Wärmetauschers 34 wird das Kühlmittel nahezu vollständig wieder verflüssigt. Das flüssige Kühlmittel strömt dann durch die Leitung 36 zum Entspannungsventil 24

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- 8 und der geschilderte Kreislauf beginnt von neuem.

Das Temperatur-Überwachungsgerät 52 steuert die Belastung des Kompressors 30 in der Weise, dass mehr Kühlmittel durch den Kühler 18 zirkuliert, wenn der Restgasstrom im Abscheider 4-0 zu warm wird. Desgleichen wird der Kompressor 30 automatisch entlastet und damit die Geschwindigkeit des Kühlmittelkreislaufes herabgesetzt, wenn derRestgasstrom im Abscheider 40 zu kalt wird.

Dem Wärmetauscher 34 kommen zwei wesentliche Punktionen zu. einerseits vollzieht sich in ihm die Kondensation der Kühlmitteldämpfe in der vorstehend-!geschilderten Weise, andererseits bewirkt er,im Anschluss an den Wärmetauscher 12 die Erwärmung des Restgasstromes auf eine Temperatur, die reichlich über dem Taupunkt der den Restgasstrom bildenden Kohlenwasserstoffe liegt. Das auf diese Weise erwärmte Restgas kann dann einem Übertragungs- oder Verteilersystem zugeführt werden, ohne die Gefahr einer weiteren Kondensation der Komponenten.

Aus der nachfolgenden Tabelle I ist die typische Zusammensetzung eines Erdgasstromes ersichtlich, der aus öl- oder Gasbohrungen stammt.

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Tabelle I

Komponenten

Zusammensetzung in

Stickstoff Kohlendioxyd Methan Äthan Propan Iso-Butan n-Butan Iso-Pentan n-Pentan Hexane Heptane Octane

1,10 0,50

94,57 3,10 0,50 0,10 0,10 0,04 0,04 0,09 0,03 0,03

Gesamt

100,00

Bs sei angenommen, dass ein Erdgasstrom mit der vorstehend gezeigten Zusammensetzung in eine Pipeline mit einem Druck von etwa 73 ata eintritt. Es sei zusätzlich angenommen, dass der Druck in der Pipeline von dem Eintrittsdruck von 73 ata am Eintrittsende auf einen Ausgangsdruck von etwa 1,05 ata am End- oder Verteilerpunkt abfällt. Schliesslich sei angenommen, dass die Temperatur des Gasstromes in der Pipeline aufgrund von Umgebungseinflüssen auf -13⁰C absinken kann.

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Um mit Sicherheit eine Kondensation im Übertragungs- und Verteilersystem zu verhindern, müssen alle Bestandteile des Gasstromes, die innerhalb des Druckbereiches von 1,05 bis 73 ata und bei einer Temperatur von -13⁰Q kondensieren können, abgeschieden werden.

In Figur 2 ist auf der Abszisse die Temperatur, bei der Kondensation eintritt, in ⁰C aufgetragen, während die Ordinäe die Kondensationsdrucke, gemessen in ata zeigt. Die Kurve 60 stellt den Verlauf des Kohlenwasserstoff-Taupunktes des in Tabelle I analysierten Gasstromes über dem Druckbereich von 1,05 bis 73 ata dar. Der Kohlenwasserstoff-Taupunkt des Gasstromes lässt sich für jeden Druck und für jede Temperatur unter Anwendung der bekannten Methoden errechnen und daraus die Kurve 60 entsprechend ermitteln. Aus der Kurve 60 ist zu entnehmen, dass der Kohlenwasserstoff-Taupunkt des Gasstromes ziemlich über -13⁰C weitgehend im ganzen erwarteten Druckbereicb liegt und dass demzufolge Kondensation in der Pipeline zu erwarten ist. Es ist deshalb erforderlich, die kondensierbaren Komponenten aus dem Gasstrom abzuscheiden, bevor dieser in die Pipeline eintritt, um den Kohlenwasserstoff-Taupunkt des Restgasstromes auf unter -13⁰O abzusenken.

Um die Temperatur, auf die der Ausgangs-Gasstrom abgekühlt werden muss, zu bestimmen, so dass lediglich die Komponenten entfernt werden, die erforderlich sind, um den Kohlenwasserstoff-

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Taupunkt des Restgasstromes auf unter -13⁰C im erwarteten Druckbereich abzusenken, wird eine Betriebstemperatur angenommen, und die Taupunkte des Restgasßtromes über den erwarteten Druckbereich errechnet. So zeigt die Kurve 62 in Figur 2 den Verlauf der Kohlenwasserstofftaupunkte des Restgasstromes, wenn der Ausgangs-Gasstrom auf -15⁰G abgekühlt wird. Wie sich dieser Kurve entnehmen lässt, liegt der höchste Taupunkt von -13⁰C bei einem Druck von etwa 4-2 ata. Wenn somit der Gasstrom mit der in Tabelle I gegebenen Zusammensetzung auf eine Temperatur von -15⁰C bei einem Druck von 73 ata abgekühlt wird, tritt in dem Restgasstrom innerhalb des in der Pipeline zu erwartenden Druck- und Temperaturbereiches eine Kondensation auf.

Wenn die Betriebstemperatur wie vorstehend geschildert ermittelt worden ist, kann die erfindungsgemässe Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens ohne weiteres entsprechend den gewöhnlichen Ingenieurkenntnissen und -praktiken bo eingerichtet wer'den, dass der Gasstrom auf diese Temperatur in der wirtschaftlichsten Weise gekühlt wird. Zu diesem Zweck kann ein Vergleich unterschiedlicher Grossen von Kühlern 18 dem zugehörigen Kühlkreislauf-Zubehör und von Wärmetauschern 12 durchgeführt werden, um die wirtschaftlichste Zusammenstellung zu erzielen. Die Wärmetauscherflächen der Wärmetauscher 12 und 34 sowie der Kühlschlange 20 und auch die Abmessungen des Kühlers 18, des Abscheiders 40 und der weiteren Einrichtung kömisn durch bekannte Ingenieurtechniken unter Berücksich-

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tigung des durchgesetzten Gasvolumens und der jeweiligen Gas- Zusammensetzung sowie des Druckes und der Temperatur bestimmt werden.

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Claims

Patent- (Schutz-)Ansprüche

1. ) Verfahren zur Steuerung des Kohlenwasserstoffgehaltes

eines Gasstromes durch Abscheidung der Bestandteile mit niedrigem Taupunkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom in einem Kühlmittelkreislauf auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der sich die kondensierbaren Bestandteile mit niedrigem Taupunkt verflüssigen und dass der Reststrom des Gases nach Abscheidung der flüssigen Bestandteile durch das komprimierte Kühlmittel auf eine Temperatur über dem Taupunkt seiner Komponente erwärmt und weitergeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Kühlmittel so stark abgekühlt wird, dass es unter gleichzeitiger Erwärmung des Restgasstromes kondensiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Restgasstrom zur Vorkühlung des Ausgangs-Gasstromes herangezogen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel in einem geschlosse-

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- 14 nen Kreislauf geführt ist.

5. Einrichtung zur Steuerung des Kohlenwasserstoffgehaltes eines Gasstromes durch Abtrennung der Bestandteile mit niedrigem Taupunkt, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen von demGasstrom und einem Kühlmittel getrennt beaufschlagten Kühler (18), der mit einem Flüssigkeits-Gas-Abscheider (40) verbunden ist und einen Teil eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs mit einem Entspannungsventil (24) vor dem Kühler (18) bildet, in dem stromaufwärts von dem Entspannungsventil (24) ein Wärmetauscher (34) angeordnet ist, der zur Kühlung des erwärmten Kühlmittels und zur Erwärmung des Restgasstromes aus dem Flüssigkeits-Gas-Abscheider (40) dient.

6. Einrichtung nach Anspruch 5 t dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Restgasauslass (50) des Abscheiders (40) und dem Wärmetauscher (34) zur Erwärmung des Restgasstromes und gleichzeitiger Kühlung des eintretenden Ausgangs-Gasstromes ein weiterer Wärmetauscher (12) eingeschaltet ist.

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