DE2131341B2 - Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen - Google Patents
Verfahren zur Zerlegung von GasgemischenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen aus Komponenten mit sehr unterschiedlichen
Dampfdrücken, bei denen die Konzentration der höher siedenden Komponente wesentlich
größer ist als die Konzentration der tiefsiedenden Komponente, nach dem Doppelsäulenverfahren in einer
Mineldruckkolonne und einer Niederdruckkolonne, bei dem ein Teil der höher siedenden Komponente durch
eine Vorabtrennung im verlängerten Unterteil der Mitteldruckkolonne gewonnen wird und bei dem aus
den Kolonnensümpfen und vom Kopf der Niederdrucksäule Produktströme abgezogen werden.
Bei einem bekannten Verfahren dieser Art (FR-OS 20 16 325) werden Gasgemische aus Komponenten mit
sehr unterschiedlichen Dampfdrücken zerlegt, bei denen die Konzentration der höhersiedenden Komponente
wesentlich größer ist als die Konzentration der tiefersiedenden Komponente, nach dem Doppelsäulenverfahren
in einer Mitteldruckkolonne und einer Niederdruckkolonne, wobei ein Teil der höhersiedenden
Komponente durch eine Vorabtrennung gewonnen wird und aus den Kolonnensümpfen und vom Kopf der
Niederdruckkolonne Produktströme abgezogen werden, wobei auch hier die Vorabtrennung eines Teils der
höhersiedenden Komponente in dem verlängertem Unterteil der Mitteldruckkolonne erfolgt
Nachteil des bekannten Verfahrens ist der hohe Energieverbrauch. Es ist an sich leicht, Gemische aus
Komponenten mit untei-schiedlichen Dampfdrücken
durch Rektifikation nach Doppelsäulenverfahren, 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 Gemischen mit sehr unterschiedlichen Dampfdrücken, z. B.
N2-CH4, CO-CH4, CH4-C2H4 oder CH4-C2H6, in
der Regel nur mit großen Gleichgewichtsstörungen, also mit hohem Energieverbrauch, durchführen. Dies ist
insbesondere dann der Fall, wenn die Verdampfungswärme s'ark von der Konzentration der Gemischkom-
ponenten abhängen, wie es z. B. bei dem System N2-CH4 der Fall ist. Besonders große Gleichgewichtsstörungen
und damit verbunden hoher Energieverbrauch ergibt sich dann, wenn die Konzentration einer
Komponente wesentlich größer ist (größer als etwa
J5 75 Mol.%) als die Konzentration der anderen Komponente,
wie aus dem McCabe-Thiele-Diagramm ersichtlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen der
■»ο genannten Art zu schaffen, welches es ermöglicht, die
Rektifikation mit geringem Energieaufwand durchzuführen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß aus der Mitteldruckkolonne ein Prozeßstrom mit
4/5 mittlerer Konzentration der zu zerlegenden Komponenten
als Kreislauf abgezogen, verdichtet, abgekühlt, verflüssigt und teils in die Mitteldruckkolonne und/oder
Niederdruckkolonne an Stellen mittlerer Konzentration entspannt wird, teils als Rücklaufflüssigkeit für die
w Vorabtrennung in das verlängerte Unterteil der Mitteldruckkolonne entspannt wird und der aus dem
Sumpf der Niederdruckkolonne abgezogene Produktionsstrom zur Abkühlung der in der Mitteldruckkolonne
zu trennenden Komponente verwendet wird.
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Es ist vorteilhaft, den aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne abgezogenen Produktstrom vor seiner
weiteren Verwendung zur Abkühlung der in der Mitteldruckkolonne zu trennenden Komponenten
durch ein Pumpe auf erhöhten Druck zu bringen und
h» durch einen Zwischenkühler im Oberteil der Mitteldruckkolonne
zu leiten.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem Kreislaufmedium
in die Mitteldruckkolonne entspannt wird, kann der
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Produktstrom aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne vor seiner weiteren Verwendung zur Abkühlung der in
der Mitteldruckkolonne zu trennenden Komponenten durch eine Pumpe auf erhöhten Druck gebracht werden
und den Kreislaufstrom vor seiner Entspannung in die Mitteldruckkoloiine tiefkühlen.
Weiter kann es von Vorteil sein, wenn der Produktstrom aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne
vor seiner weiteren Verwendung zur Abkühlung der in der Mitteldruckkolonne zu trennenden Komponenten
durch eine Pumpe auf erhöhten Druck gebracht wird und ein Teilstrom wieder auf niedrigeren Druck
abgedrosselt wird, um bei seiner Verdampfung die Abkühlung der Gegenströme zu erleichtern.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine erhebliche Energieeinsparung erzielt, was sich im
McCabe-Thiele-Diagramm daran zeigt, daß die Arbeitslinie der Gleichgewichtsisobaren stark angenähert wird.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist seine gute Anpassungsfähigkeit an verschiedene Rohgasdrücke.
Dies ist zum Beispiel für die Zerlegung von stickstoffhaltigem
Erdgas wichtig. In diesem Fall ist es auch von Vorteil, daß der Druck der Produktströme aus den
Sümpfen der Zerlegungskolonnen dem ieweiligen Pipelinedruck weitgehend angepaßt werden kann.
In allen Fällen ermöglicht es die erfindungsgemäße
Verfahrensweise, die Verdampfungsdrücke in den Wärmetauschern auf optimaler Höhe zu halten. Es
ergeben sich somit gute Q-T-Diagramme, was einem niedrigen Energieverbrauch entspricht Der Kreislauf
ermöglicht es in einfacher Weise, dem Prozeß Energie zuzuführen, so daß Produkte flüssig oder unter Druck
abgezogen werden können.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen
beschrieben. Es zeigt
F i g. 1 eine Schemadarstellung des Verfahrens
F i g. 2 eine Variante des Verfahrens gemäß F i g. 1
F i g. 3 eine weitere Variante des Verfahrens gemäß Fig. 1
Fig.4 eine dritte Variante des Verfahrens gemäß
Fig. 1.
Im folgenden wird ein Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff aus Erdgas beschrieben, welches im wesentlichen
aus 85 Mol.% CH4 und 15 Mol.% N2 zusammengesetzt
ist. Der Rohgasdruck kann zwischen 26 und 80 ata liegen, gegebenenfalls noch höher. Das von Wasser
befreite Rohgas strömt bei dem in F i g. 1 dargestellten Verfahren durch Leitung 1 in die Anlage und wird im
Wärmetauscher 2 und Sumpferhitzer 3 zumindest teilweise verflüssigt.
Danach wird es durch das Drosselventil 4 auf einen Druck von 25 ata in das verlängerte Unterteil 5 der
Mitteldruckkolonne 6 entspannt. Das verlängerte Unterteil 5 kann auch als separate Vorzerlegungskolonne
neben der Mitteldruckkolonne 6 betrieben werden. In dem verlängerten Unterteil 5 erfolgt eine Vorzerlegung
des Rohgases in flüssiges CH* im Kolonnensumpf und eine an N2 angereicherte gasförmige Kopffrakticn.
Als Rücklaufflüssigkeit wird ein Teil des Kreislaufmediums verwendet, welches durch Leitung 7 und Drosselventil
8 entspannt wird. Falls im Rohgas CO2 enthalten ist, so wird es bei der Vorzerlegung in cien Sumpf
gewaschen und verläßt mit der Sumpfflüssigkeit die Anlage, ohne die weitere Stickstoffabtrennung zu
behindern.
Einige Böden über der Rohgasaufgabestelle wird durch Leitung 9 erfindungsgemäß das Kreislaufgemisch
abgezogen, welches CH4 und N2 in mittlerer Konzentration
enthält. Es durchströmt die Wärmetauscher 10 und 2 und wird im Kreislaufverdichter 11 auf etwa 45 ata
verdichtet. Nach Durchströmen des Nachkühlers 12 strömt es durch Leitung 13 und die Wärmeaustauscher
2,3 und 10 zurück, wobei es verflüssigt und tiefgekühlt
wird. Ein Teilstrom strömt, wie bereits beschrieben,
durch Leitung 7 und Drosselventil 8 in das verlängerte Unterteil 5 der Mitteldruckkolonne S und dient dort als
Rücklmfflüssigkeit für die Vorzerlegung. Der Rest strömt weiter durch Leitung J4 und wird erneut
aufgeteilt Ein Teil wird Ober Leitung 15 und Drosselventil 16 erfindungsgemäß an einer Stelle
■ο mittlerer Konzentration auf die Mitteldruckkolonne 6
aufgegeben. Der andere Teil strömt durch Leitung 17, wird im Wärmeaustauscher 20 weiter abgekühlt und
gelangt schließlich durch das Drosselventil 18 in die Niederdruckkolonne 19, ebenfalls an einer Stelle
mittlerer Konzentration.
Vom Sumpf des verlängerten Unterteils 5 der Mitteldruckkolonne 6 wird durch Leitung 21 stickstofffreies
flüssiges Methan abgezogen. Ein Teil strömt durch Leitung 22 und den Sumpferhitzer 3 in den Sumpf
zurück. Der Rest wird durch die Pumpe 24 auf höheren Druck verdichtet bevor der im Wärmeaustauscher 2
verdampft wird und durch Leitung 23 die Anlage als Produktstrom verläßt Die Druckerhöhung in der
Pumpe 24 hängt vom Rohgasdruck ab. Ein Rohgasdruck von 42 ata erlaubt z. B. eine Druckerhöhung vom
Kolonnendruck 25 ata auf etwa 32 ata.
Was als Gns nicht als Kreislaufgemisch entnommen wurde, strömt weiter in den oberen, kälteren Teil der
Mitteldruckkolonne 6. Die sich in der Mitteldruckkolon-Ji;
ne 6 bildenden methanreiche Flüssigkeit wird oberhalb der Kreislaufentnahmestelle durch Leitung 25 abgezogen,
im Wärmeaustauscher 20 tiefgekühlt und durch das Drosselventil 26 als Rohmethan in die Niederdruckkolonne
19 auf etwa 1,5 ata entspannt.
i^ Vom Kopf der Mitteldruckkolonne 6 wird durch
Leitung 27 gasförmiger 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
w Leitung 29 in den Wärmeaustauscher 20 und in den Stickstoff-Tiefkühler 30, wonach er durch das Drosselventil
31 als Waschflüssigkeit in den Kopf der Niederdruckkolonne 19 aufgegeben wird.
Durch Leitung 32 wird vom Kopf der Niederdruckko-4i
lonne 19 gasförmiger Produktstickstoff abgezogen, in den Wärmeaustauscher 30,20,10 und 2 auf Umgebungstemperatur
angewärmt und aus der Anlage entfernt. Das sich im Sumpf der Niederdruckkolonne 19
sammelnde flüssige Methan wird durch Leitung 33 ίο 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
■;■-> Wärmeaustauscher 20, 10 und 2 wird er anschließend
verdampft und auf Umgebungstemperatur angewärmt. Die Energiezufuhr und die Verbesserung der Rektifikationsbedingungen
durch den Kreislauf ermöglicht es, das Produktmethan durch Leitung 35 flüssig abzuziehen
mi und seinem Druck durch die Pumpe 36 zu erhöhen. Die
Flüssigkeit ist danach unterkühlt. In der F i g. 2 und 3 ist dargestellt, wie diese Kälte vorteilhaft der Mitteldruckkolonne
6 zur Verfügung gestellt werden kann. Bei der Verfahrensweise nach F i g. 2 wird der durch die Pumpe
i. 36 auf erhöhten Druck gebrachte unterkühlte Produktstrom
durch einen Zwischenkühler 37 im Oberteil der Mitteldruckkolonne 6 geleitet. Bei der Verfahrensweise
nach F i g. 3 wird mit dem unterkühlten Produktstrom in
einem besonderen Wärmeaustauscher 38 der Kreislaufteil weiter abgekühlt, der in die Mitteldruckkolonne 6
geleitet wird. In beiden Fällen werden dadurch die Arbeitsbedingungen für die Rektifikation verbessert.
In F i g. 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, ii
denen dieser Teilstrom verdampft und angeordnet wird Der nichtgedrosselte Teilstrom in Leitung 39 ströml
nach Passieren der Wärmeaustauscher 20 und 10, in dii aus dem verlängerten Unterteil 5 der Mitteldruckkolon
ne 6 abgezogene Flüssigkeit in Leitung 23. Auf dies« Weise kann die Menge der durch Leitung 21
abgezogenen Druckfraktion vergrößert und somit dei Aufwand für eine eventuell erforderliche Nachverdich
tung der Produktströme verringert werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. 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 tiefsiedenden Komponente, nach dem Doppelsäulenverfahren in einer Mitteldruckkolonne
und einer Niederdruckkolonne, bei dem ein Teil der höhersiedenden Komponente durch eine
Vorabtrennung im verlängerten Unterteil der Mitteldruckkolonne gewonnen wird und bei dem aus
den Kolonnensümpfen und vom Kopf der Niederdruckkolonne Produktströme abgezogen werden,
dadurch gekennzeichnet, daß aus der Mitteldruckkolonne ein Prozeßstrom (9) mit mittlerer
Konzentration der zu zerlegenden Komponenten als Kreislauf abgezogen, verdichtet, abgekühlt,
verflüssigt und teils in die Mitteldruckkolonne und/oder Niederdruckkolonne an Stellen mittlerer
Konzentration entspannt wird, teils als Rücklaufflüssigkeit (7) für die Vorabtrennung in das verlängerte
Unterteil der Mitteldruckkolonne entspannt wird und der aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne
abgezogene Produktstrom zur Abkühlung der in der Mitteldruckkolonne zu trennenden Komponenten
verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom aus dem Sumpf der
Niederdruckkolonne vor seiner weiteren Verwendung zur Abkühlung der in der Mitteldruckkolonne
zu trennenden Komponenten durch eine Pumpe auf erhöhten Druck gebracht und durch einen Zwischenkühler
im Oberteil der Mitteldruckkolonne geleitet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Kreislaufmedium in die Mitteldruckkolonne entspannt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne vor seiner
weiteren Verwendung zur Abkühlung der in der Mitteldruckkolonne zu trennenden Komponenten
durch eine Pumpe auf erhöhten Druck gebracht wird und den Kreislaufstrom vor seiner Entspannung in
die Mitteldruckkolonne tiefkühlt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Produktstrom aus
dem Sumpf der Niederdruckkolonne vor seiner weiteren Verwendung zur Abkühlung der in der
Mitteldruckkolonne zu trennenden Komponenten durch eine Pumpe auf erhöhten Druck gebracht wird
und ein Teilstram wieder auf niedrigeren Druck abgedrosselt wird, um bei seiner Verdampfung die
Abkühlung der Gegenströme zu erleichtern.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712131341 DE2131341C3 (de) | 1971-06-24 | 1971-06-24 | Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen |
DE19712154965 DE2154965A1 (de) | 1971-06-24 | 1971-11-05 | Verfahren zur zerlegung von gasgemischen |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19712131341 DE2131341C3 (de) | 1971-06-24 | 1971-06-24 | Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
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