DE2155366C2

DE2155366C2 - Verfahren zum Trennen einer vorwiegend Stickstoff und Methan enthaltenden hochgespannten Erdgas-Beschickungsmischung

Info

Publication number: DE2155366C2
Application number: DE2155366A
Authority: DE
Inventors: Reginald Gordon San Marino Calif. Spear; Richard Ripley Pasadena Calif. Tracy
Original assignee: Tioga Wells Corp
Current assignee: Tioga Wells Corp
Priority date: 1970-11-09
Filing date: 1971-11-08
Publication date: 1984-05-24
Also published as: FR2112543A1; DE2155366A1; NL7115357A; NL173884C; FR2112543B1; GB1353967A; US3791157A; NL173884B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Trennen einer vorwiegend Stickstoff und Methan enthaltenden hochgespannten Erdgas-Beschickungsmischung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Die Anwesenheit beträchtlicher Anteile von nicht brennbaren Bestandteilen in natürlichen, geförderten Kohlenwasserstoffgasen aus Bohrlochköpfen oder anderen Quellen kann diese Gase wirtschaftlich wertlos machen, da der Verunreinigungsgehalt den Heizwert der Gase für Gasvertriebsgesellschaften unter das für Heizzwecke akzeptierbare Minimum drückt. In den Vereinigten Staaten von Amerika und anderen Ländern sind die bekannten Vorkormnen ves» Gaslagerstätten, die weitgehend unabgebaut sind, da die Erdgasvorkommen große Mengen Stickstoff, \m allgemeinen um etwa 20 Vol.-% oder mehr, enthalten, ein Beweis für das Bedürfnis nach einem wirtschaftlichen und wirksamen Verfahren zur Reinigung von derartigen Erdgasen, um den wirtschaftlichen Anforderungen für ihre Verwertung als Brennstoff zu genügen.

Aus der US-PS 22 65 558 ist ein Verfahren zur Trennung eines Erdgasgemisches, das insbesondere aus Methan besteht, bekannt Dabei wird das Erdgasgemisch in zwei Produktströme geteilt, und es werden zwei Abscheider verwendet, wobei vom ersten zum zweiten Abscheider eine kohlenwassersvoffreiche Flüssigkeit geführt wird.

Das als Beispiel beschriebene Verfahren bezieht sich auf die Trennung eines Kohlenwasserstoffgemisches, das keinen Stickstoff enthält, wobei jedoch gemäß der allgemeinen Beschreibung das bekannte Verfahren auch bei anderen mageren Kohlenwasserstoff-Gasgemischen verwendet werden kann. Dabei wird das Gemisch gewöhnlich bereits mit einem hohen Druck angeliefert, so daß keine Kompressoren verwendet zu werden brauchen.

Neben Raffineriegasen könncr. auch ähnliche Gase von anderen Quellen mit dem bekannten Verfahren behandelt werden, wobei die Gasgemische gewöhnlich unter höherem Druck stehen. Dieses bekannte Verfahren wird jedoch insbesondere der Aufbereitung von kleineren Erdgasvorkommen mit starker Stickstoff-Verunreinigung nicht in wirtschaftlicher Weise gerecht.
Aufgabe der Erfindung ist es, ausgehend von diesem Stand der Technik t-in Verfahren zum Trennen einer vorwiegend Stickstoff und Methan enthaltenden hochgespannten Erdgas-Beschickungsmischung zu entwickeln, das geeignet ist, stark mit Stickstoff verunreinigte Erdgasvorkommen nutzen zu können, die insbesondere in mobilen Trennanlagen fernab von Siedlungen oder industriellen Zentren wirtschaftlich aufzubereiten sind. Dabei soll ein solches Verfahren weitestgehend ohne Fremdenergie auskommen, die in abgelegenen Gegenden allenfalls unter erheblichen Kosten zur Verfügung gestellt werden kann. Ferner soll ein solches Verfahren aus den gleichen Gründen ohne eine herkömmliche Fraktionierung auskommen. All dies hat sich dem Ziel unterzuordnen, auf wirtschaftliche Weise den Heizwert eines solchen Erdgases zu erhöhen und damit dieses Erdgas nutzen zu können.

Gelöst wird diese Aufgabe in vorteilhafter Weise durch die im Kennzeichen des Hauptanspruches angegebenen Merkmalen.

bo Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, das in bezug auf Bedienungs- und Vorrichtungskosten wirtschaftlich ist und dennoch die Reinigung von hochgespannten, verunreinigten Kohlenwasser· stoffgasen in dem Maße gestattet, daß diese Gase verkaufsfähig gemacht werden. Dabei wird das hochgespannte, verunreinigte Erdgas in zwei aufeinanderfolgenden Kühlstufen gekühlt, um mindestens einen wesentlichen Anteil des Gasstroms zu kondensieren, indem der Gasstrom einen indirekten Wärmeaustausch in einer ersten

h5 Kühlstiife mit zunächst mindestens zwei getrennten Produktströmen und dann in einer zweiten Kühlstufe mit einer siedenden Flüssigkeit ausgesetzt wird. Die gekühlte Beschickungsmischung wird dann auf etwa Atmosphärendruck expandiert, um eine kohlenwasserstoffreiche flüssige Phase und eine an Verunreinigungen reiche Dampfphase zu bilden. Die Flüssigphase und die Dampfphase werden in einer ersten Trennzone gelrennt. Die

lüssigkeit wird durch teilweise Verdampfung im Wärmeaustausch mit Erdgas in der zweiten Kühlstufe, die ben genannt ist, weiter angereichert. Der teilweise verdampfte Strom aus der ersten Trennstufe ergibt so eine weite kohlenwasserstoffreiche FlOssigphase und eine zweite an Verunreinigungen reiche Dampfphase in einer weiten Trennstufe. Diese Phasen werden ihrerseits getrennt. Die zweite Dampfphase wird gekühlt und der rsten Trennstufe wiedeir zugeführt. Die Flüssigkeit aus der zweiten Trennstufe und der Dampf aus der ersten /erden dann getrennt als Ströme verwendet, die die Beschickungsmischung durch indirekten Wärmeaustausch η der ersten Kühlstufe kühlen, bevor sie als erster und zweiter Produktstrom aus dem Prozeß abgezogen verden.

Das erfmdnngsgemäße Verfahren zeigt, daß eine wirksamere Trennung der Bestandteile des Erdgases mögich ist, ohne eine herkömmliche Fraktionierung und ohne einen zusätzlichen Energieverbrauch. Diese wirksamere Trennung wird erreicht, indem eine zweite Trennung der Flüssigphase, die aus der ersten Trennung ibgezogen wird, in einer zweiten Trennstufe durchgeführt wird, und zwar im Anschluß an Heizen und teilweises Verdampfen der Flüssigkeit durch indirekten Wärmeaustausch mit dem kalten Beschickungsstrom in einem Kühler. Die Dampfphase dieser zweiten Trennung weist wegen der höheren Temperatur von Flüssigkeit und Dampf in der zweiten Trennzone einen wesentlich höheren Kohlenwasserstoffgehalt auf als die Dampfphase der ersten Trennung. Jedoch geht dieser Kohlenwasserstoffgehah nicht verloren. Vielmehr wird er durch eine weitere Kühlung der Dampfphase aus der zweiten Trennung in einem Zwischenkühler und anschließende Rückführung in die erste Trennzone zurückgewonnen.

Die verunreinigte Beschickungsmischung wird zusätzlich gekühlt, bevor sie expandiert wird, da sie in der zweiten Kühlstufe durch den Kühler geleitet wird, in welchem die Flüssigphase aus der ersten Trennstufe zur Kälteerzeugung teilweise verdampft wird. Es wurde gefunden, daß diese zusätzliche Kühlung ,-.-sreicht, um die Beschickungsmischung nach der Expansion zurr, teilweisen Kondensieren der Dampfphase tus der zweiten Trennstufe in dem Zwischenkühler zu verwenden.

Der Kohlenwasserstoffgehalt der Dampfphase aus der ersten Trennung ist geringer als der aus der zweiten Trennung, wie oben beschrieben. Daher haben die Flüssigphase aus der zweiten Trennung und die Dampfphase aus der ersten Trennung den jeweils höchsten bzw. niedrigsten Y ohlenwasserstoffgehalt. Diese Phasen werden als Verfahrensprodukte abgetrennt. Damit wird die Trennwirksamkeit über diejenige hinaus gesteigert, die erreicht wird, wenn die Flüssigphasen und die Dampfphasen aus einer einzigen Trennung als getrennte Produkte abgezogen werden.

Unter »hochgespannt« in Verbindung mit verunreinigtem Gas, das gereinigt werden soll, wird Gas von solchem Druck verstanden, wie es normalerweise bei aus Bohrungen gefördertem Erdgas oder bei Erdgas, das vorübergehend in Transportsystemen aufbewahrt ht, auftritt. Diese Drücke stellen jedoch keine kritischen Grenzen für das Verfahren dar. Vielmehr können Beschickungsgase von höherem oder niedrigerem Druck bis zu mindestens mehreren Atmosphären herab verwendet werden. Obgleich das Verfahren auf verschiedenartige Verunreinigungen anwendbar ist, wird es im folgenden mit besonderer Hervorhebung von Stickstoff als Verunreinigung beschrieben. Stickstoff ist ein nicht brennbarer Bestandteil in vielen Kohlenwasserstofflagerstätten. Unter »Reinigung« wird verstanden, daß eine ausreichende Menge von Verunreinigung entfernt wird, um das Kohlenwasserstoffgas unter den örtlichen Bedingungen verkaufsfähig zu machen.

Das Verfahren soll anhand der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt F i g. ι ein Verfahrensschema einer Ausführungsform der Erfindung;

F i g. 2 eine isobare Kurve.die eine Methan-Stickstoff-Phnsentrennung bei 3,5 kp/cm² zeigt.

Wie in Fig. 1 gezeigt, wird eine hochgespannte Erdgasmischung, die einen großen Anteil Stickstoff enthält, z. B. 60 Vol.-°/o, und die von einem Bohrlochkopf 9 unter hohem Druck, insbesondere über 98 bar abgezogen wird, zunächst durch ein Beschickungsgas-Reinigungssystem 10 geleitet, das im oberen Teil der F i e. 1 dargestellt ist. Darauf wird das Gas durch ein System mit zwei Trennstufen geleitet, das im unteren Teil von F i g. 1 dargestellt ist, wobei das Verfahren beide Aspekte umfaßt.

Das Beschickungsgas-Reinigungssystem 10 besteht aus einer Trennvorrichtung 11, in der freie Flüssigkeit, von dem gewonnenen Gas abgetrennt wird. In einem Druckregler 12 wird der Druck des Beschickungsgases vermindert, falls nötig. Die Trennvorrichtung 11 kann auch eine Heizvorrichtung enthalten, so daß die Temperatur des Beschickungügases nach einer Druckverminderung im Druckregler 12 oberhalb der Hydratbildungstemperatur von zwischen etwa 7°C und 18° C bleibt. Ein Kühler 13 kann vorgesehen sein, um das Beschickungsgas in den fällen zu kühlen, in denen die Temperatur nach Durchlaufen des Reglers 12 beträchtlich höher als die Hydratbildungstemperatur ist. In dem Kühler 13 wird das Beschickungsgas durch einen der Produktströme gekühlt, wie durch den stickstoffreichen Strom in F i g. 1 gezeigt wird, der in den Kühler 13 bei Bezugszeichen 41 eintritt und bei Bezugszeichen 42 austritt. Suspendiertes Wasser und Kohlenwasserstoffe, die aus dem Beschikkungsgas in dem Kühler 13 kondensiert sind, werden in einer Filtertrennvorrichtung 14 abgetrennt. Das Beschikkungsgas wird durch eine Trockenvorrichtung 15 geschickt, um verdampftes Wasser und störende schwere Kohlenwasserstoffe abzutrennen. Die Trockenvorrichtung 15 enthält insbesondere Füllungen aus Trockenmittel oder Molekularsiebe, sowie Aktivkohle, die von Zeit zu Zeit regeneriert wurden müssen, indem heißes, trockenem Gas, das durch Gas oder elektrische Heizvorrichtungen der Trockenvorrichtung 15 erhitzt ist, verwendet wird. Zu diesem Zweck zu verwendendes Gas kann aus dem stickstoffreichen Produktstrom über eine Leitung 39 abgezogen und aus der Trockenvorrichtung 15 über eine Leitung 40 abgezogen werden.

Das Beschickungsgas-Reinigungssystem 10 stabilisiert Druck und Temperatur der Beschickungsgasmischung und trennt unerwünschte Anteile ab, die bei der weiteren Behandlung ausfrieren könnten.

Die vorbeirndelte Beschickungsgasmischung verläßt das Reinigungssvs'.em 10 über eine Leitung 16 und tritt in einen Wärmeaustauscher 17 ein. Dieser besteht aus mindestens einer Einheit, die so angeordnet ist, daß sie die Wärmekapazitäte·:! des kohlenwasserstoffreichen Produktes und des stickstoffreichen Produktes voll ausnützt, wobei diese Produktströme aufgewärmt werden, wie unten beschrieben wird. Vorzugsweise passiert der Be-

40 45' 50

60

h5

schickungsgasstrom in parallelem Gegenstrom unter Wärmeaustausch jeden der Produktströme, die ihrerseits z. B. in getrennten Leitungen durch getrennte Wärmeaustauschereinheiten fließen.

Die gekühlte Beschickungsgasmischung gelangt durch eine Leitung 18 in einen Kühler 19, in dem sie durch Wärmeaustausch mit einem Strom einer bei niedriger Temperatur siedenden Flüssigkeit, die von dem Trenngefäß der ersten Stufe abgezogen wird, weiter abgekühlt wird. Der Kühler 19 ist vorzugsweise ein Rohrbündel-Wärmeaustauscher, durch den der gekühlte Beschickungsstrom in gewundenen Rohren im Gegenstrom mit der siedenden Flüssigkeit indem Gehäuse passiert.

Die so gekühlte Beschickungsmischung verläßt den Kühler 19 durch eine Leitung 20 und hat noch immer einen

wesentlichen Teil ihres ursprünglichen Drucks, der durch den Druckregler 12 kontrolliert wird. Der geringe

iü Druckverlust tritt durch den Druckabfall in jeder der Einheiten in dem Beschickungsgas-Reinigungssystem 10 und durch die Rohre des Wärmeaustauschers 17 und des Kühlers 19 ein. Der Beschickungsgasstrom wird im allgemeinen bei einem Druck gekühlt, der oberhalb des kritischen Druckes liegt, wobei dieser Strom abgekühlt wird, ohne ein Zweiphasenstadium zu durchlaufen. Im Fall einer Beschickungsmischung mit einem Druck unterhalb ihres kritischen Drucks kann jedoch die gekühlte Beschickungsmischung des Kühlers 19 entweder eine Flüssigkeit oder eine Zweiphasenmischung sein, je nach Druck und anderen Verfahrensbedingungen.

Die gekühlte Beschickungsmischung wird durch eine Expandiervorrichtung 21 auf einen Druck entspannt, der so nahe bei Atmosphärendruck liegt wie möglich und wie es mit den Ausgestaltungen der verschiedenen Teile des Systems vereinbar ist. In dem typischen, hier behandelten Fall (siehe Tabelle I) beträgt der Druck nach der abschließenden Expansion etwa 2.4 bar. Wie unten im einzelnen beschrieben ist, ist die Wahl eines Trenndruckes ein Kompromiß zwischen verbesserter Systemwirksamkeit, die durch Drücke gefördert wird, die nahe an oder gerade unter dem Atmosphärendruck liegen, und der Verkleinerung von Rohren, Ventilen. Gefäßen und Wärmeaustauschern, die benötigt werden, um das verminderte Volumen der Gasströme des Verfahrens bei Drucken von mehreren Atmosphären zu handhaben. Ein weiterer Vorteil eines relativ hohen Trenndrucks ist, daß das Gas unter erhöhtem Druck, unter dem das stickstoffreiche Produkt nach Durchgang durch den Wärmeaustauscher 17 anfällt, eine geeignete Quelle für Trockengas zur Regenerierung der Trockenvorrichtung 15 darstellt.

Die Expandiervorrichtung 21 ist vorzugsweise ein Drosselventil, das eine Joule-Thompson oder isenthalpe Expansion bewirkt. Es kann aber auch eine Expansionsmaschine oder Turbine verwendet werden, um eine annähernd isentrope Expansion zu erzielen, die im Rahmen des Verfahrens liegt und eine stärkere Kühlung ermöglicht. Eine solche isentrope Expansionsvorrichtung bringt eine verbesserte Kühlung der gekühlten Erdgasmischung durch Energieentzug zur äußeren Arbeitsleistung mit sich. Die expandierte Beschickungsmischung gelangt aus der Expandiervorrichtung 21 durch eine Leitung 22 in einen Zwischenkühler 23, in dem ein Teil ihrer Kühlkapazität dazu verwendet wird, den Gasstrom zu kühlen, der von dem zweiten Trenngefäß zur ersten Tiennstufe zurückströmt. Der Zwischenkühler 23 enthält eine Vorrichtung für einen wirksamen Wärmeübergang zwischen diesen Strömen.

Der expandierte Beschickungsstrom und der zurückgeführte Zwischenstufengasstrom aus der zweiten Trennstufe erreichen beim Austritt aus dem Zwischenkühler 23 etwa thermisches Gleichgewicht. Sie werden jeweils durch Leitungen 30 und 29 in ein erstes Trenngefäß 24 geleitet. Die Ströme können vor dem Eintritt in das Trenngefäß 24 gemischt werden, oder in dem Zwischenkühler gemischt werden, um das erstrebte thermische Gleichgewicht durch direkten Wärmeaustausch zu erzielen.

Die zwei Ströme treten in das Trenngefäß 24 ein und werden in eine Flüssigphase und eine Gasphase getrennt, die sich bei dem verminderten Trenndruck dem thermischen Gleichgewicht nähern. Der Anteil Stickstoff in der Flüssigphase und in der Gasphase hängt ausschließlich vom Druck und der Temperatur der zwei Phasen ab. So wird bei einem vorgegebenen konstanten Druck in dem ersten Trenngefäß 24 die Zusammensetzung der zwei Phasen allein durch die Temperatur bestimmt. Da der zweite Produktstrom, der vorwiegend Stickstoff enthält,

■15 aus der Dampfphase in dem ersten Trenngefäß 24 stammt, sind die Kohlenwasserstoffe, die mit dem Stickstoff reichen zweiten Produktstrom abgeführt werden, und damit auch die gesamte Verfahrenswirksamkeit direkt durch den G rad der Abkühlung der zwei Ströme abhängig, die in die erste Trennstufe eingeführt werden.

Die in der ersten Trennstufe abgetrennte stickstoffreiche Gasphase wird durch eine Leitung 35 abgezogen und durch getrennte Leitungen des Wärmeaustauschers 17 geleitet, in denen sie bis annähernd auf die Tempera-

V) tür des vorbehandelten Beschickungsgases erwärmt wird. Darauf wird sie durch die Leitungen 36 und 41 dem Kühler 13 und dem Druckregler 37 zugeführt. Der Druckregler 37 hält einen kontrollierten, annähernd konr' inten Druck im ersten Trenngefäß 24 aufrecht und bewirkt einen Druck, bei dem das stickstoffreiche Gas über die Leitung 39 dem Trockner 15 zugeführt werden kann.
Die in der ersten Trennstufe abgetrennte kohlenwasserstoffreiche Flüssigphase bildet einen ersten Zwischen-Stufenstrom, der durch eine Leitung 25 abgezogen wird. Der Zwischenstufenstrom wird in dem Kühler 19 durch wärmeaustauschendes Passieren des relativ wärmeren Beschickungsstroms, der in den Kühler 19 eintritt, teilweise verdampft und darauf als Zweiphasenmischung in ein zweites Trenngefäß 27 durch eine Leitung 2€ gebracht. Wie im Fall der ersten Stufe wird die Zweiphasenmischung in eine zweite kohlenwasserstoffreiche Flüssigphase und in eine zweite einheitliche stickstoffreiche Gasphase getrennt, die annähernd in thermischerr Gleichgewicht stehen. Die Flüssigphase ist reicher an Kohlenwasserstoffen als der erste Zwischenstufenstrom aus dem sie gewonnen wurde. Wie dargelegt, hängt der Stickstoffgehalt der Flüssigphase und der Dampfphase bei gegebenem kontrolliertem Druck lediglich von der Temperatur ab. Wie im Zusammenhang mit dem Phasen diagramm der F i g. 2 erläutert werden wird, hängt folglich die Reinheit des kohlenwasserstoffreichen erster Produktstroms aus der Flüssigphase im zweiten Trenngefäß 27 von dem Grad der Erwärmung des erster

f;5 Zwischensuifenstroms beim Durchgang durch den Kühler 19 vor dem Eintritt in das zweite Trenngefäß 27 ab.

Die im zweiten Trenngefäß 27 abgetrennte Gasphase bildet einen zweiten Zwischenstufenstrom und gelang durch eine Leitung 28 in den Zwischenkühler 23 und darauf zurück in das erste Trenngefäß 24, wie ober beschrieben.

Die durch eine Leitung 31 aus dem zweiten Trenngefäü 27 abgezogene Flüssigkeit stellt den t'.ohlenwasserstoffreichen ersten Produktstrom dar. Soll die Abgabe dieses Produktstroms bei einem Druck erfolgen, der oberhalb des Trenndruckes liegt, so kann der Produktstrom vorzugsweise durch eine Pumpe 32 auf seinen Enddruck gebracht werden, wobei der Produktstrom noch immer in flüssigem Zustand vorliegt. Die Energie, die nötig ist, um den ersten Produktstrom als Flüssigkeit unter Druck zu setzen, ist viele Male geringer als die, um das Produkt im Gaszustand zu verdichten.

Der unter Druck gesetzte erste Produktstrom wird durch eine Leitung in getrennte Leitungen des Wärmeaustauschers 17 geleitet, in denen er verdampft und annähernd auf die Temperatur der eintretenden vorbehandelten Bescnickungsgasmischung gebracht wird. Der gasförmige, kohlenwasserstoffreiche erste Produktstrom wird dann durch eine Leitung 34 bei einem durch die Pumpe 32 bewerkstelligten Abgabedruck abgepumpt, wobei der Druck durch den Druckabfall im Wärmeaustauscher 17 und in den zugehörigen Leitungen 33 und 34 leicht vermindert wird.

Im Fall einer Erdgasmischung mit etwa 60 Vol.-% Stickstoffverunreinigung und einer Abgabe 1 410 000 000 l/h Beschickungsgas vom Reinigungssystem 10 an das Trennsystem liefert das Verfahren ein kohlenwasserstoffreiches Produkt von z. B. weniger als 7% Stickstoff in einer Menge von etwa 508 000 000 l/h.

Die Tabelle zeigt den ungefähren Druck, die Temperatur, den Stickstoffgehalt und Daten für den Massenstrom an verschiedenen Stellen in dem Verfahrenssystem bei Betrieb unter typischen, kontrollierten Bedingungen.

Tabelle

Meßstelle in F i g. 1 Druck

Leitung 16

Leitung 18

Leitung 20

Leitung 22

Leitung 29 und 30 kombiniert Leitung 25

b tung26

Leitung 28

Leitung 31

Leitung 33

Leitung 34

Leitung 35

Leitung 36

Leitung 42

Temperatur	Slickstoff-Aiileil	Massenstrom
C	(Vol.-o/o)	(χ 453.5 g/s)
+ 18	60	8.00
-119	60	8.00
-159	60	8,00
-176	60	8.00
-173	60	10,62
-173	30	4,70
-156	30	4,70
-156	55	2,62
-156	6,5	2,08
-153	6,5	2,08
+ 2,0	6,5	2.08
-173	90	5,92
+ 1,5	90	5,92
+ 5,5	SO	5,92

Die verschiedenen Temperaturen in der ersten und zweiten Trennstufe, wie z. B. beim Abziehen der ersten Zwischenstufenflüssigkeit durch die Leitung 25 bei — 173°C und beim Abziehen des zweiten Zwischenstufendampfes durch die Leitung 28 bei — 156°C bedeuten einen Temperaturunterschied von 17°C zwischen diesen Trennstufen. Bei diesem Temperaturunterschied werden die zwei Trennungen durchgeführt und daraus resultiert die verbesserte Wirksamkeit der Trennung. Das gezeigte Beispiel ist keine Einschränkung, vielmehr ein typischer Fall. Der Stickstoffgehalt des kohlenwasserstoff reichen Produkts (Leitungen 31,33 und 34) kann höher oder niedriger liegen als dies vom Gasverbraucher verlangt wird. Eine solche Variation geht Hand in Hand mit tieferer oder höherer Temperatur in dem zweiten Trenngefäß 27. Entsprechend kann der verbleibende Methangehalt des stickstoffreichen Produkts variiert werden. Zum Beispiel vermindert eine zunehmende Kühler-Wärmeübertragungskapazität die Temperatur des gekühlten Beschickungsgases in der Leitung 20, wodurch sich eine tiefere Temperatur in dem ersten Trenngefäß 24 und eine entsprechende Verminderung von Methan im Dampf ergibt, der die erste Trennstufe durch die Leitung 35 und das Verfahrenssystem durch die Leitung 36 verläßt.

Es wurde gefunden, daß der Kohlenwasserstoffgehalt des Dampfes aus der ersten Trennstufe und der Flüssigkeit aus der zweiten Trennstufe fast unabhängig über einen weiten, praktisch nützlichen Bereich von Werten kontrolliert werden kann, wenn die Temperatur in jeder der Trennzonen so unabhängig wie möglich kontrolliert wird, wie unten beschrieben wird. Eine theoretische Grenze für diese sonst fast unabhängige Kontrolle der zwei Trenntemperaturen ist erreicht, wenn der Kohlenwasserstoffgehalt der Flüssigphase der ersten Trennstufe dem der Dampfphase der zweiten Trennstufe gleich ist Diese Grenze kann durch F i g. 2 verständlich gemacht werden. F i g. 2 zeigt eine Isobare des Methan-Stickstoff-Systems mit einer durch Kurve 50 gegebenen Dampfzusammensetzung im Gleichgewicht mit Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur. Die Zusammensetzung der Flüssigkeit in Abhängigkeit der Temperaturen ist durch Kurve 51 gegeben. In jedem speziellen Fall wird die methanreiche Produktzusammensetzung als spezifiziert angenommen, so daß der Punkt 53 auf der Kurve der Flüssigkeitszusammensetzung fixiert ist. Entsprechend ist die Temperatur T₂ der zweiten Trennstufe bestimmt und damit die Dampfzusammensetzung der zweiten Stufe bei 54. Entsprechend ergibt sich, daß eine Verminderung des Methangehalts des Dampfes der ersten Stufe, gekennzeichnet durch den Punkt 56, eine Verminderung der Trenntemperatur T₁ der ersten Stufe und eine gleichzeitige Zunahme des Stickstoffgehalts der Flüssigkeit der ersten Stufe, gekennzeichnet durch den Punkt 55, erfordert. Eine Bilanz der Massenströme und der Einzelkomponenten zeigt klar, daß, wenn die Zusammensetzung der Flüssigkeit der ersten Stufe. Punkt 55, und des Dampfes der zweiten Stufe, Punkt 54, identisch sind, die gesamte Zwischenstufenflüssigkeit aus der

ersten Stufe in der zweiten Stufe verdampft werden muß und nur methanreiches Flüssigprodukt aus dem System erhältlich ist. Um die oben erwähnte Grenze zu erreichen, würde der Stickstoffgehalt der Flüssigkeit der ersten Trennstufe von 30 auf 55% erhöht (wobei angenommen wird, daß die Reinheit des kohlenwasserstoffreichen Produkts unverändert bleibt). Dieser Grenzfall würde eine zusätzliche Kühlung der Beschickungsgasmischung 5 erfordern, so daß die Temperatur der vereinigten Ströme aus den Leitungen 29 und 30, die in die erste Trennzone eintreten, etwa -178°C betragen würde, also etwa 5,5⁰C niedriger als die Temperatur, unter den gezeigten Bedingungen, und der Methangehalt des stickstoffreichen Dampfprodukts aus der ersten Phase würde etwa 4% betragen.

Es ist zu ersehen, daß, solange die obige Grenze nicht zu nahe erreicht ist, es möglich ist, den Kohlenwasser-H) Stoffanteil, der mit dem stickstoffreichen Strom abgezogen wird, fast unabhängig von der Zusammensetzung des methanreichen Produkts durch Einstellung der Leistung des Wärmeaustauschers und des Kühlers zu kontrollieren, sowie durch Vergrößerung der Vorrichtungen für die ersten und zweiten Zwischenstufenströme, um die '■': ■ größeren Zwischenstufenflußraien handhaben zu können. Bei Anwendung der Erfindung, bei der eine größere Trennwirksamkeit die größere Vorrichtungskapazität rechtfertigt, kann diese Änderung auf einfache Weise r> vorgesehen werden. Es zeigt sich ferner, daß diese annähernd unabhängige Kontrolle der Zusammensetzung des ■-'· methanreichen Produkts und des stickstoffreichen Produkts zu dem Ergebnis führt, daß die Trennwirksamkeit

relativ unempfindlich gegenüber dem Trenndruck ist, solange das Phasentrennungsverhalten eine ziemlich ■ scharfe Trennung wie in Fig.2 gezeigt, ergibt. In der Praxis gestattet dies die Herstellung eines gereinigten

"^: kohlcnwasscrstcffreichep. Produkts, da* nur wenige Prozent Verunreinigungen enthält, während der abgetrenn-

j: 20 te stickstoffhaltige Strom einen verhältnismäßig niedrigen Prozentsatz Kohlenwasserstoffe bei Trenndrucken : im Bereich von bis zu mehreren absoluten Atmosphären enthält.

¹ In dem Beispiel gemäß der Tabelle herrscht in beiden Trenngefäßen 24 und 27 ein Druck von etwa 3,4 bar,

,]':■ wobei im zweiten Trenngefäß 27 ein geringfügig höherer Druck herrscht. Dies kann durch Verwendung einer

. .·' Flüssigkeitssäule erreicht werden, die durch die Leitung 25, das Kühlergehäuse 19 und die Leitung 26 gebildet

,g 25 wird, um in dem unteren Trenngefäß 27 einen geringen Überdruck aufrecht zu halten. Es kann aber auch eine

':■'! Flüssigkeitspumpe in der Leitung 25 zu demselben Zweck verwendet werden, oder eine Gaspumpe kann dazu

•λ verwendet werden, um Gas durch die Leitung 28, den Kühler 23, die Leitung 29 in das erste Trenngefäß 24 zu

j,; pumpen. In letzterem Fall herrscht in dem zweiten Trenngefäß 27 ein niedrigerer Druck als in dem ersten

''A₁ Trenngefäß 24. Solche Veränderungen können im Rahmen der Erfindung durchgeführt werden.

jif 30 In gleicher Weise sind das erste Trenngefäß 24, der Zwischenkühler 23, das zweite Trenngefäß 27 und der

ti Kühler 19 jeweils als getrennte Bestandteile dargestellt, während der Wärmeaustauscher 17 als einzelne Einheit

ι dargestellt ist. Im Bereich der Erfindung sind andere Anordnungen dieser Funktionselemente möglich, wobei

■if ζ. B. der Kühler 19 und das zweite Trenngefäß 27 vorteilhaft in einer einzigen Einheit zusammengefaßt werden

vi können. Der Zwischenkühler 23 und das erste Trenngefäß können ebenfalls zu einer Einheit zusammengefaßt

i|j 35 werden. Der Wärmeaustauscher 17 kann aus getrennten ersten und zweiten Wärmeaustauschern bestehen, in

$! denen zwei Ströme von Beschickungsgasmischung jeweils getrennt durch den kohlenwasserstoffreichen ersten

^ Produktstrom und den stickstoffreichen zweiten Produktstrom gekühlt werden.

f Die Veränderung der Produkteinheit kann bei diesem Verfahren in einem begrenzten Bereich kontrolliert

ft werden. Dies geschieht durch Änderung der Temperatur, bei der die zweite Trennung bei gegebenem Druck

fs 40 durchgeführt wird. Eine relativ kleine Erhöhung der Temperatur dient dazu, die Reinheit des flüssigen Produkts

:ij zu erhöhen, wie aus der Kurve der F i g. 2 ersichtlich ist. Eine Erhöhung der Produkteinheit erfordert mehr

i'I Heizen der Flüssigkeit der ersten Stufe beim Passieren des Kühlers. Ein praktisches Verfahren zur Erhö.iung des

jj; Heizens im Kühler besteht darin, die Temperatur der gekühlten Beschickungsmischung zu erhöhen, die in den

f| Kühler eintritt. Dies kann durch Umleiten eines Teils eines oder beider Produktströme um den Wärmeaustau-

i,; 45 scher erfolgen. Ein Verfahren zur Kontrolle der Temperatur der kalten Beschickungsmischung besteht darin,

% einen Teil des stickstoffreichen zweiten Produktstromes durch ein Ventil in eine Abgasleitung zu leiten.

',j Ein anderes wichtiges Merkmal des Verfahrens, das nötig ist, um eine weitgehende Kondensation des Beschik-

jjl kungsgasstroms zu erzielen, ist die Maßnahme, den flüssigen Produktstrom als Wärmeaustauschmedium für den

i Beschickungsstrom zu verwenden. Dazu ist es wichtig, von der größtmöglichen Kühlkapazität beider Produkt-

H 50 ströme Gebrauch zu machen. Dies wird erfindungsgemäß durch parallele Gegenstromwärmeaustauscher er-

1 zielt.

H Es versteht sich, daß Instrumente, automatische Kontrollen und andere notwendige Einrichtungen in dem

_t;| Verfahrenssystem vorgesehen sein können.

ψ. Zweck dieses und herkömmlicher Verfahren ist es, die Heizenergie der Kohlenwasserstoffe verwendbar zu

''f\ 55 machen. Das Maß für die Wirksamkeit solcher Verfahren ist die Energie, die über die Energie hinaus verfügbar

1| gemacht wird, welche bei der Verfahrensdurchführung verbraucht wird. d. h. die Nettoenergieproduktion. Es hat

If sich gezeigt, daß bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den genannten Vorkehrungen die

"^rj erzielte Nettoenergieproduktion im wesentlichen gleich der Nettoenergieproduktion von sehr viel komplizier-

;| teren Fraktionierungsverfahren ist, die wesentlich größere Kapitalaufwendungen nötig machen.

|ί t« Die besonderen Merkmale des beschriebenen Verfahrens dienen lediglich zur Erläuterung der Erfindung und

;V; sollen diese nicht einschränken.

^J Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Trennen einer vorwiegend Stickstoff und Methan enthaltenden hochgespannten Erdgas-Beschickungsmischung (16) in einen ersten Produktstrom (31), der einen wesentlich höheren Anteil an Methan als die Beschickungsmischung enthält und in einen zweiten Produktstrom (35), der einen wesentlich höheren Anteil an Stickstoff als die Beschickungsmischung enthält, wobei der zweite Produktstrom in einem ersten, im wesentlichen isothermen Flüssigkeits-Dampf-Trennvorgang (24) bei einer ersten Temperatur als stickstoffreicher Dampf aus der Beschickungsmischung abgetrennt wird, der erste Produktstrom (31) in einem zweiten, im wesentlichen isothermen Flüssigkeits-Dampf-Trennvorgang (27) bei einer zweiten T<;m-

peratur als Flüssigkeit aus der Beschickungsmischung abgetrennt wird, und die bei dem ersten Trennvorgang (24) anfallende Flüssigkeit (25) in dem zweiten Trennvorgang (27) verarbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der im zweiten Trennvorgang (27) gewonnene Dampf (28) in den ersten Trennvorgang (24) zurückgeführt und die zweite Trennung bei einer höheren Temperatur als die erste Trennung durchgeführt wird und daß der erste und der zweite Trennvorgang bei im wesentlichen demselben Druck ablaufen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daB die Temperatur der durch den ersten Trennvorgang (24) gewonnenen Flüssigkeit (25) im Wärmetausch (19) mit der Beschickungsmischung (18) erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im zweiten Trennvorgang (27) gewonnene Dampf (28) im Wärmetausch (23) mit der expandierten Beschickungsmischung (22) abgekühlt wird.

4. Verloren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im zweiten Trennvorgang (27) gewonnene Dampf (28* mit der expandierten Beschickungsmischung (22) gemischt (29, 30) und erst dann dem ersten Trennvorgang (24) zugeführt wird.