DE2005634B2

DE2005634B2 - Verfahren und Einrichtung zum Abscheiden von kondensierenden Kohlenwasserstoff-Bestandteilen eines Gasgemisches

Info

Publication number: DE2005634B2
Application number: DE2005634A
Authority: DE
Inventors: Ward Franklin Oklahoma Okla. Rosen (V.St.A.)
Original assignee: Black Sivalls & Bryson Inc Kansas City Mo (vsta)
Current assignee: Black Sivalls & Bryson Inc Kansas City Mo (vsta)
Priority date: 1969-02-10
Filing date: 1970-02-07
Publication date: 1978-04-27
Also published as: FR2044686A1; GB1239355A; US3754405A; FR2044686B1; DE2005634A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden von bei verhältnismäßig hohen Temperaturen kondensierenden Kohlenwasserstoff-Bestandteilen eines Gasgemisches, bei dem das Gasgemisch mittels eines Kältemittelkreislaufes auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der sich die abzuscheidenden Bestandteile verflüssigen, und der von den verflüssigten Bestandteilen getrennte Restgasstrom zur weiteren Verwendung abgeleitet wird, wobei das Kältemittel des Kältemittelkreislaufes komprimiert, gekühlt und 4< > dabei kondensiert, entspannt und bei der Abkühlung des Gasgemisches wieder erwärmt und verdampft wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Erdgas, das aus öl- oder Gasbohrungen gewonnen wird, bildet normalerweise ein Gasgemisch mit einem erheblichen Anteil an Kohlenwasserstoff-Bestandteilen, die unter dem im Bohrloch herrschenden Druck und der herrschenden Temperatur in gasförmiger Phase vorliegen. Ändert sich jedoch der Druck oder die Temepratur, dann verflüssigen sich die oder einige der Kohlenwasserstoff-Bestandteile. Dies ist unerwünscht, weil das Kondensat die Gasströmung im System beeinträchtigt und Explosionsgefahr hervorruft, wenn es nicht vor der Verteilung des Gases an die Endverbraucher abgeschieden wird.

Bei einem bekannten Verfahren der eingangs genannten Art zum Abscheiden derartiger Kohlenwasserstoff-Bestandteile aus einem Gasgemisch (»The Oil and Gas Journal«, 20. Juni 1966, S. 168/169) wird ω das Rohgas durch ein in einem Kältemittelkreislauf geführtes Kältemittel auf eine gewünschte niedrige Temperatur abgekühlt, bei der die verhältnismäßig hoch kondensierenden Kohlenwasserstoff-Bestandteile sich verflüssigen und ausgeschieden werden kön- b5 nen. Das Kältemittel wird, nachdem es das Gasgemisch abgekühlt hat und erneut komprimiert worden ist, in einem Kondensator verflüssigt, der in herkömmlicher Weise den im Kältemittel enthaltenen Wärmeinhalt mittels Kühlgebläsen an die Umgebung abführt. Der Wärmeinhalt des Kältemittels geht somit verloren und kann nicht verwertet werden.

Ausgehend davon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Wärmebilanz des bekannten Verfahrens zu verbessern und die Abscheidung der kondensierbaren Kohlenwasserstoff-Bestandteile aus dem Gasgemisch wirtschaftlicher zu gestalten.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Kühlung und Kondensation des Kältemittels durch das von den Kohlenwasserstoff-Bestandteilen befreite Restgas erfolgt.

Die Einrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß als Kondensator für das Kältemittel ein vom Restgasstrom beaufschlagter Wärmetauscher vorgesehen ist.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird somit die Erhitzung des Restgases und die Kondensation des Kältemittels unter Ausnutzung der beiderseitigen Wärmeinhalte der jeweiligen Medien ausgeführt, was insgesamt einen erheblichen Wärmegewinn zur Folge hat. Dieser Wärmegewinn wird erzielt, ohne daß die Kreisläufe der beiden Medien, nämlich einerseits des Gasgemisches und andererseits des Kältemittels, im Ablauf oder bezüglich der Anlage wesentlich verändert werden müßten.

Es ist zwar bereits ein nicht zur hier behandelten Gattung zählendes Verfahren bekanntgeworden, bei dem auf sehr tiefer Temperatur befindliches Erdgas zur Weiterleitung zum Verbraucher erwärmt und die tiefe Temperatur zur Gewinnung mechanischer Energie ausgenützt werden soll (FR-PS 1349744).

Hierzu wird ein geschlossener thermischer Kreisprozeß vorgesehen, der als Arbeits- und Strömungsmedium Äthan enthält, welches komprimiert, in einem Wärmetauscher erhitzt, in einer Entspannungsturbine entspannt und in Wärmetausch mit dem zu erwärmenden Erdgasstrom wieder kondensiert wird. Es handelt sich somit nicht um ein Verfahren zum Abscheiden von Kohlenwasserstoff-Bestandteilen aus dem Erdgasstrom und der eigens zur Gewinnung mechanischer Energie eingeschaltete thermische Kreisprozeß ist kein Kältemittelkreislauf. Dieses bekannte Verfahren kann daher keine Anregung bezüglich des verstehend geschilderten erfindungsgemäßen Verfahrens geben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäßen Einrichtung, und

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

Gemäß der Darstellung in Fig. 1 führt eine Leitung 10 ein Gasgemisch in einen Wärmetauscher 12, der vorzugsweise ein Mantel-Rohr-Wärmetauscher ist und an dessen Rohrleitung die Leitung 10 angeschlossen ist, während der Mantel mit Leitungen 14 und 56, 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 Kühlschlange 20 verläuft, welche das zu kühlende Gasgemisch führt. Durch eine Leitung 22 tritt in den Kühler 18 ein Kältemittel ein, nachdem es in einem Entspannungsventil 24 entspannt worden ist. Als Kältemittel

dient beispielsweise Freon oder Propan. Ein Niveau-Meßgerät 26, beispielsweise pneumatischer oder elektrischer Funktion, hält in dem Kühler 18 über der Kühlschlange 20 durch entsprechendes öffnen oder Schließen des Entspannungsventils 24 ein bestimmtes Kältemittelniveau aufrecht. Das Entspannungsventil 24 kann ebenfalls ein pneumatisch oder elektrisch betätigtes Steuerventil sein, das auf das Ausgangssignal des Niveaumeßgerätes 26 anspricht.

Der Kältemittelkreislauf enthält weiterhin eine Leitung 28, die zur Saugseite eines Kältemittelkompressors 30 führt, welcher eine Auslaßleitung 32 besitzt, die zum Röhrenanschluß eines weiteren Mantel-Rohr-Wärmeiauschers 34 führt. Der Kreislauf wird geschlossen durch eine Leitung 36, die wiederum mit dem Entspannungsventil 24 verbunden ist. Auf diese Weise ist ein gewöhnlicher, geschlossener Kältemittelkreislauf hergestellt, in dem das Kältemittel im Kühler 18 verdampft und dabei aus derr den Kühler durchlaufenden Gasstrom Wärme entzieht, das weiterhin durch den Kompressor 30 komprimiert wird, im Wärmetauscher 34 kondensiert und schließlich im Entspannungsventil 24 wieder expandiert.

Die Kühlschlange 20 des Kühlers 18 steht mit einem Abscheider 40 in Verbindung, der einen Flüssigkeitsauslaß 42 mit einem Flüssigkeitsstand-Steuerventil 44 enthält. Ein pneumatisch oder elektrisch funktionierendes Nieveau-Meßgerät 46 überwacht das Flüssigkeitsniveau im Abscheider 40 und öffnet bzw. schließt entsprechend das Ventil 44. Durch das Steuerventil 44 werden die im Kühler 18 kondensierten Kohlenwasserstoff-Bestandteile in eine Leitung 48 geleitet, die sie entweder einem Speicherbehälter oder einem weiteren Verfahrensschritt zuführt.

Ein Temperatur-Überwachungsgerät 52 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 Entlastungseinrichtung 54, die mit dem Kältemittelkompressor 30 gekoppelt ist. Die Entlastungseinrichtung 54 steuert den Kompressor 30 in Abhängigkeit der Signale aus dem Temperatur-Überwachungsgerät 52 in der Weise, daß der Kompressor entweder angehalten und wieder gestartet oder auf sonstige Weise mehr oder weniger beschickt wird.

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

Im Betrieb der Einrichtung wird die Leitung 10 mit einem Erdgasstromm beschickt und die Leitung 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 Restgasstromes im Abscheider 40 auf diese Temperatur entsprechend eingestellt wird. Der hereinkommende Erdgasstrom durchströmt den Wärmetauscher 12, in dem er durch das kalte Restgas bereits vorgekühlt wird, und tritt dann in den Kühler 18 ein, in dem er auf die gewünschte Temperatur abgekühlt wird. Wenn der Kompressor 30 läuft, zirkuliert das Kältemittel in dem geschlossenen Kühlkreislauf. Dadurch durchströmt das kondensierte Kältemittel das Entspannungsventil 24, so daß sich

j der Kälternitteldruck erheblich senkt und dadurch eine gewisse Verdampfung des Kältemittels bei gleichzeitiger Abkühlung eintritt. Die von dem Rohgasstrom durch die Kühlschlange 7.0 übertragene Wärme verursacht eine weitere Verdampfung des

ι« Kältemittels. Das verdampfte Kältemittel sammelt sich im oberen Teil des Kühlers 18 an, von wo es in die Leitung 28 geführt wird. Aus dieser Leitung 28 gelangen die Kältemitteldämpfe 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 314 wird das Kältemittel nahezu vollständig wieder verflüssigt. Das flüssige Kältemittel strömt dann durch die Leitung 36 zum Entspannungsventil 24, und der geschilderte Kreislauf beginnt von neuem.

Das Temperatur-Überwachungsgerät 52 steuert

die Belastung des Kompressors 30 in der Weise, daß mehr Kältemittel durch den Kühler 18 zirkuliert, wenn der Restgasstrom im Abscheider 40 zu warm wird. Desgleichen wird der Kompressor 30 automatisch entlastet und damit die Geschwindigkeit des Kältemittelkreislaufes herabgesetzt, wenn der Restgasstrom im Abscheider 40 zu kalt wird.

Dem Wärmetauscher 34 kommen zwei wesentliche Funktionen zu: Einerseits vollzieht sich in ihm die Kondensation der Kältemitteldämpfe, 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 ist die typische Zusammensetzung eines Erdgasstromes ersichtlich, der aus Öl- oder Gasbohrungen stammt.

Tabelle

Komponenten Zusammensetzung in Mol. %

Stickstoff

Kohlendioxyd

Methan

Äthan

Propan

Iso-Butan

n-Butan

Iso-Pentan

n-Pentan

Hexane

Heptane

Octane

1,10 0,50 94,37 3,10 0,50 0,10 0,10 0,04 0,04 0,09 0,03 0,03

Gesamt 100,00

Es 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 auf Grund von Umgebungseinflüssen auf -13° C absinken kann. 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 —13° C kondensieren können, abgeschieden werden.

In Fig. 2 ist auf der Abszisse die Temperatur, bei der Kondensation eintritt, in ⁰C aufgetragen, während die Ordinate die Kondensationsdrücke, gemessen in ata zeigt. Die Kurve 60 stellt den Verlauf des Kohlenwasserstoff-Taupunktes des in der Tabelle 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 — 13° C weitgehend im ganzen erwarteten Druckbereich liegt und daß demzufolge Kondensation in der Pipeline zu erwarten ist. Es ist deshalb erforderlich, die kondensierbaren Kohlenwasserstoff-Bestandteile aus dem Gasstrom abzuscheiden, bevor dieser in die Pipeline eintritt, um den Kohlenwasserstoff-Taupunkt des Restgasstromes auf unter — 13° C abzusenken.

Um die Temperatur, auf die der Gasstrom abgekühlt werden muß, zu bestimmen, so daß lediglich die Bestandteile entfernt werden, die erforderlich sind, um den Kohlenwasserstoff-Taupunkt des Restgasstromes auf unter —13° C im erwarteten Druckbereich abzusenken, wird eine Betriebstemperatur angenommen, und die Taupunkte des Restgasstromes über den erwarteten Druckbereich werden errechnet. So zeigt die Kurve 62 in Fig. 2 den Verlauf der Kohlenwasserstofftaupunkte des Restgasstromes, wenn der Gasstrom auf —15° C abgekühlt wird. Wie sich dieser Kurve entnehmen läßt, liegt der höchste Taupunkt von — 13° C bei einem Druck von etwa 42 ata. Wenn somit der Gasstrom mit der in der Tabelle gegebenen Zusammensetzung auf eine Temperatur von — 15° C bei einem Druck von 73 ata abgekühlt wird, tritt in dem Restgasstrom innerhalb des in der Pipeline zu erwartenden Druck- und Temperaturbereiches keine Kondensation auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Abscheiden von bei verhältnismäßig hohen Temperaturen kondensierenden Kohlenwasserstoff-Bestandteilen eines Gasgemisches, bei dem das Gasgemisch mittels eines Kältemittelkreislaufes auf eine Temperatur abgekühlt wird, bei der sich die abzuscheidenden Bestandteile verflüssigen, und der von den verflüssigten Bestandteilen getrennte Restgasstrom zur weiteren Verwendung abgeleitet wird, wobei das Kältemittel des Kältemittelkreislaufes komprimiert, gekühlt und dabei kondensiert, entspannt und bei der Abkühlung des Gasgemisches wieder erwärmt und verdampft wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlung und Kondensation des Kältemitteis durch das von den Kohlenwasserstoff-Bestandteilen befreite Restgas erfolgt.

2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kondensator für das Kältemittel ein vom Restgasstrom beaufschlagter Wärmetauscher (34) vorgesehen ist.