DE2131341A1 - Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen - Google Patents

Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen

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Description

  • Kennwort: Doppolsäuln-Kreielauf Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zer@egung von Gasgemischen au@ Komponenten mit sehr unterschiedlichen Dampfdrücken, bei denen die Konzentration der höhersiedenden Kom.
  • ponente wesentlich größer ist als die Konzentration der tiefersiedenden Komponente. Derartige Gemische sind z. B.
  • N2-CH4; CO-CH4, CH4-C2H4 oder CH4-C2H6.
  • Es ist an sI-ch leicht, solche Gemische aus Komponenten mit sehr unterschiedlichen Dampfdrücken durch Rektifikation nach dem Doppelsäulsnverfahren, wie es für die Luftzerlegung bekannt ist, zu zerlegen. Im Gegensatz etwa zu Luft, die aus Komponenten mit ähnlichen Dampfdrücken besteht, läßt sich die Rektifikation nach dem Doppelsäulenverfahren bei den genannten Gemischen in der Regel nur mit großen Gleichgewicht@-störungen, also mit hohem Energieverbrauch, durchführen. Diea ist insbesondere dann der Fall, wenn die Verdampfungswärmen stark von dor Konzentration der Gemischkomponenten abhängen, wie es z. B. bei dem System N2-CH4 der Fall ist. Besonders große Gleichgewichtsstörungen und damit hohe Energieverbräucho ergeben sich dann, wenn die Konzentration einer Komponente wesentlich größer ist (größer als etwa 75 Mol%) als die Konzentration der anderen Komponente, wie aus dem Mc Cabo-Thiele-Diagramm ersichtlich ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Roktitikationsverfahren für Gasgemische der genannten Art zu schaffen, welches es ermöglicht, die Rektifikation mit geringem Energieaufwand durchzuführen.
  • Es wurde nun ein Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen aus Komponenten mit sehr unterschiedlichen Dampfdrücken, bei denen die Konzentration der höhersiedenden Komponente wesentlich größer ist als die Konzentration der tiefersiedenden Komponente, nach dem Doppelsäulenverfahren in einer Mitteldruck- und einer Niederdruckkolonne, gefunden, bei der ein Teil der höhersiedenden Komponente durch eine Vorabtrennung gewonnen wird und bei dem aus den Kolonnensümpfen und vom Kopf der Niederdruckkolonne Produktströme abgezogen wer den.
  • Nach der Erfindung erfolgt die Vorabtrennung des Teils der höhersiedenden Komponente in dem verlängerten Unterteil der Mitteldruckkolonne und aus der Mitteldruckkolonne wird ein Prozeßstrom mit mittlerer Konzentration der zu zerlegenden Komponenten als Kroislauf abgezogem, verdichtet, abgekühlt, verflüssigt und teils in die Mitteldruckkolonne und oder Niederdrukkolonne an Stellen mittlerer Konzentration entspannt, teils als Rücklaufflüssigkeit für die Vorabtrennung in das verlängerte Unterteil der Mitteldruckkolonne entspannt. Das verlängerte Unterteil der Mitteldruckkolonne kann auch als separato Kolonne zur Vorabtrennuilg ausgebildet werden.
  • Es ist vorteilhaft, den aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne abgezogenen Produktsatrom durch eine Pumpe auf erhöhten Druck zu bringen und zur weiteren Kälteabgabe heranszuziehen.
  • So kann er z. B. durch einen Zwischenkühler im Oberteil der Mitteldruckkolonne geleitet werden. Er kann auch, falls Kreislaufmedium in die Mitteldruckkolonne entspannt wird, das Kreislaufmodium vor seiner Entspannung tiefkühlen. EsJ'st auch möglich, von dem durch eine Pumpe auf erhöhten Druck gebrachten Produktstrom aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne einen Teilstrom abzuzweigen und wieder auf niedrigeren Druck abzudrosseln, um bei seiner Verdampfung die Abkühlung der Gegenströme zu erleichtern.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine erhebliche Energieeinsparung erzielt, was sich im Mo Cahe-Thiele-Diagramm daran zeigt, daß die Arbeitslinie der @leichgewichtsisobare stark angenähert wird. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist seine gute Anpassungsfähikeit an verschiedene Rohgasdrücke. Dies ist z. B. für die Zerlegung von stickstoffhaltigem Erdgas wichtig. In diesem Fall ist es auch vor Vorteil, daß der Druck der Produktströme aus den Sümpfen der Zerlegungskolonnen dem jeweiligen Pipolinedruck weitgehend augepaßt worden kann.
  • In allen Fällen ermöglicht es die erfindungsgemäße Verfahrensweise, die Verdampfungsdrücke in den Wärmeaustauchern auf optilaler Höhe zu halten. Es ergeben crioh somit gute Q-T-Diagramme, was einem niedrigen Energieverbrauch entspricht.. Der Kreislauf ermöglicht es in einfacher Weise, dem Prozeß Energie zuzuführen, so (laß Produkte flüssig oder unter Druck abgezogen werden können.
  • Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens soll antland der beigefügten Zelchnungen erläutert werden.
  • Es zeigen: Fig. 1 ein Verfahrensschema des Verfahrens Fig. 2 eine Variante des Verfahrens gemäß Fig. 1 Fig. 3 eine Variante des Verfahrens gemäß Fig. 1 Fig. 4 eine Variante des Verfahrens gemäß Fig. 1.
  • Beschrieben wird im Folgenden ein Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff Erdgas, welches im wesentlichen bosteht aus 85 Mol% CH4 und 15 Mole N2. Der Rohgasdruck kann zwischen 26 und etwa 80 ata liegen, ggf. noch höher, Das von Wasser bofreite Rohgas strömt bei dem in Fig. 1 dargestellten Verfahren durch Leitung 1 in dio Anlage und wird im Wärmeaustauschor 2 und Sumpferhitzer 3 zumindest teilweise verflüssigt.
  • Danach wird es durch das Drosselventil 4 auf einen Druck von 25 ata in das verlängerte Unterteil 3 der Mit@eldruckkolonne 6 entspannt. Das verlängerte Unterteil 5 kann auch als separate Vorzerlegungskolonne neben der M1tteldrulkkolonne 6 betrieben werden. In dem verlängerten Unterteil 5 erfolgt eine Vorzerlegung des Rohgases in flüssiges CH4 im Kolonnensumpf und eine an N? angereicherte gasförmige Kopffraktion. Als Rücklaufflüssigkeit wird ein Teil des Kreisla@fmediums verwendet, welches durch Leitung 7 und Drosselventil 8 entspannt wird. Falls itl Rohgas C02 enthalten ist, so wird es bei der Vrozerlegung in den Sumpf gewaschen und verläßt mit der Sumpfflüssigkeit die Anlage: ohne die weitere Stickstoffabtrennung zu behindern.
  • Einige flider. über der Rohgasaufgabestelle wird durch Leitung 9 erfindungsgemäß das Kreislaufgemisc@ abgezogen, welches CH4 and N2 in mittlerer Konzentration enthält. Es durchströmt die Wärmeaustauscher tO und 2 und wir3 im Kreislaufverdichter 11 auf etwa 45 ata verdichtet. Nach Durchströmen des Nachkühlers 12 strömt es durch Leitung 13 urd die Wärmeaustauscher 2, 3 und 10 zurtick, wobei es verflütisigt und tiefgekühlt wird. Ein Teilstrom strömt, wie bereits beschrieben, durch Leitung 7 und Drosselventil 8 in dae verlängerten Unterteil 5 der Mitteldruckkolonne 6 und'dient dort als Rücklaufflüssigkeit für die Vorzerlegung. Der Rest strömt weiter durch Leitung 14 und wird erneut aufgeteilt, Ein Teil wird über Leitung 15 und Drosselvontil 16 erfindungsgemäß an einer Stelle mittlerer Konzentration auf die Mittoldruckkolonno 6 aufgegeben. Der andere Teil strömt durch Leitung 17, wird im Wärmeaustauscher 20 weiter abgekühlt und gelangt schließlich durch das Drosselventil 18 in dio Niederdruckkolonne 19, ebenfalls an einer Stelle mittlerer Konzentration.
  • Vom Sumpf des verlängerten Unterteils 5 der Mitteldruckkolonne 6 wird durch Leistung 21 stickstofffreies flüssiges Methan abgezegen. Ein Teil strömt durch Leitung 22 und den Sumpferhitzer 3 in den Sumpf zulfflck. Der Res wird durch die Pumpe 24 auf höheren Druck verdichtet, bevor er im Wär-.meaustauscher verdampft wird und durch Leitung 23 die Anlage als Produktstrom verläßt. Die Druckerhöhung in der Pumpe 24 härgt vom Rohgasdruck ab. Ein Rohgandruck von 42 ata erlaubt 2. B. eine Druckerhöhung von Kolonnendruck 25 ata auf etwa 32 ata.
  • Was als Gas richt als Kreislaufgemisch entnommen wurde. strömt weiter in den oberen, kälteren Teil der Mitteldruckkolonne 6.
  • Die sich in der Mitteldruckkolonne 6 bildende methanreiche Flüssigkeit wird oberhalb der Kreislaufentnahmestelle durch Leitung 25 nlogezogen, im Wärmeaustauscher 20 tiefgekühlt und durch das Drosselventil 26 als Rohmethan in die Niederdruckkolonne 19 auf etwa 1,5 ata entspannt.
  • Vom Kopf der Mitteldruckkolonne 6 wird durch Leitung 27 gaeförmiger Stickstoff abgezogen, im Verdampfer-Kondensator 28 verflüssigt und z. T. als Waschflüssigkeit auf den Kopf der Mitteldruckkolonne 6 gegeben. Der restliche flüssige Stickstoff strömt durch Leitung 29 in den Wärmeaustauscher 20 und in den Stickstoff-Tiefkühler 30, wonach er durch das Drosselvontil 31 als Waschflüssigkeit auf den Kopf der Niederdruckkolonne 19 ausgegeben wird.
  • Durch Leitung 32 wird von Kopf der Niederdruckkolonne 19 gasförmiger Produktstickstoff abgezogen, in den Wärmeaustauscher 30, 2C, 10 und 2 auf Umgebungstemperatur angewärmt und aus der Anlage entfernt. Das sich im Sumpf der Niederdruckkolonne 19 sammelnde flüssige Methan wird durch Leitung 33 abgezogen. Ein Teil gelangt durch Leitung 34 in den Verdampfer-Kondensator 28, wo er verdampft wird und in die Niederdruckkolonne 19 zurückgeleitet wird. Der andere Teil strömt durch Leitung 35 zur Pumpe 36, in der er auf etwa 8 ata verdichtet wird. In den Wärmeaustauschern 20, 10 und 2 wird er anschließend verdampft und auf Umgebungstemperatur angewärmt. Die Energiezufuhr und die Ver@esserung der Rektifikationsbedingungen durch den @reislauf ermöglicht es, das Produktmethan durch Leitung 35 flüssig abzuziehen und seinen Druck durch die Pumpe 36 nu erhöhen. Die Flüssigkeit ist danach unterkühlt. In der. Fig. 2 und 3 ist dargestellt, wie diese Kälte vorteilhaft der Mitteldruckkolonne 6 zur Verfühung gestellt werdeli kann. Bei der Verfahrensweise nach Fig. 2 wird der durch die Pumpo 36 auf erhöhten Druck gebrachte unterkühlte Produktstrom durch einen Zwischenkühler 37 im Oberteil der Mitteldruckkolonne 6 geleitet. ei der Verfahrensweise nach Pig. 3 wird mit dem unterkühlten Produktstrom in einem besonderen Wärmeaustauscher 38 der Kreislaufteil wei@er abgekühlt, der in die Mitteldruckkolonne 6 geleitet wird. In beiden Fällen werden dadurch die ArbeitsbedingungeiI für die Rektifikation verbessert.
  • In Fig. 4 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt. Die aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne 19 abgezogene Flüssigkeit wird durch die Pumpe 36 auf erhöhten Druck gebracht, etwa auf den Druck der Mitteldruckkolonne 6, 25 ata. Ein Teilstrom dieser Flüssigkeit in Leitung 40 wird im Drosselventil 41 wieder auf etwa 18 ata abgedrosselt, und zwar soviel, wie für die Kältebilanz in den Wärmeaustauschern 20, 10 und 2 erforderlich ist, in denen dieser Teilstrom vordampft und angeordnet wird. Der nichtgedrossolto Teilstrom in Leitung 39 strömt, nach Passieren der Wärmeaustauscher 20 und 10, in die aus dem verlängerten Unterteil 5 der Mitteldrucklcolonne 6 abgezogene Flüssigkeit in Leitung 23. Auf diose Weise kann die Menge der durch Leitung 23 abgezogenen Druckfraktion vergrößert und somit der Aufwand für eine eventuell erforderliche Nachvordichtung der Produktströme veringert werden.

Claims (4)

Ansprüche
1. Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen aus Komponenten mit sohr unterschiedlichen Dampfdrücken, bei denen die Konzentration der höhersiedenden lvomponente wesentlich größer ist als die Konzentraticn der tiafersiedenden Kom ponente, nach dem Doppelsäulenverfahren in einer Mitteldruck- und Niederdruckkolonne, bei dem ein Teil der böhersiedenden Komponente durch eine Vorabtrennung gewonnen wird und bei dnm aus den Kolonnensümpfen und vom Kopf der Niederdruckkolonne Produktströ@e abgesogen werden, dadurch gekomnz3ichnet, daß die Vorabtrennung des Teils der höhersiedenden Komponente in dem verlängerten Unterteil (5) der Mitteldruckkolonne erfolgt und aus der Mitteldrockkolonne ein Prozeßstrom (25) mit mittlerer Konzentration der zu zerlegenden Komponenten als Kreislauf abgezogen, verdichtet, abgekühlt, rerfliissigt und teils in die Mitteldruckkolonne und oder Niederdruckkolonne an Stellen mittlerer Konzentration entspannt wird, teils als RUck laufflüssigkeit (7) für die Vorabtrennung in das verlängerte Unterteil der Mitteldruckkolonne entspannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne durch eino Pumpe auf erhöhten Druck gebracht und durch einen Zwischenkühler im Oberteil der Mitteldruckkolonne geleitet wird.
3. Vorfahren nach Anspruch 1, bei dem Kreislaufmedium in die Mitteldruckkolonne entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne durch eine Pumpe auf erhöhten Druck gebracht wird und den Kreislaufstrom vor seiner Entspannung in die Mitteldruck kolonne tiefkühlt
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne durch eine Pumpe auf erhöhten Druck gebracht wird und ein Teilstrom wieder auf niedrigeren Druck 6ro(el a ge
wird, um bei seiner Verdampfung die Abkühlung der Gegnströme zu erleichtern.
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