DE2336273A1 - Verfahren zum verfluessigen eines tiefsiedenden gases - Google Patents

Verfahren zum verfluessigen eines tiefsiedenden gases

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Description

LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
H 71ο H7V52
La-Kp
9. Juli 1973
Verfahren zum Verflüssigen eines tiefsiedenden Gases
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zumindest teilweisen Verflüssigung eines tiefsiedenden, unter Druck stehenden Gasgemisches, wobei das Gasgemisch im Wärmetausch mit einem verdampfenden Kältemittel vorgekUhlt, im Zuge der VorkUhlung gereinigt und nach der VorkUhlung einer Vorzerlegung unterzogen wird.
Es ist bereits ein Verfahren zum Verflüssigen von Erdgas bekanntgeworden, bei dem die erforderliche Kälte durch die Kombination einer dreistufigen Propankaskade mit einem
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zweistufigen Gemischkreislauf zur Verfügung gestellt wird (Deutsche Offenlegungsschrift 1 960 3ol). Gemäß diesem bekannten Verfahren wird das Erdgas nach Durchströmen der ersten und zweiten Stufe des Sopankreislaufes in einer Waschsäule einer Benzolwäeche zur Abtrennung der höhersiedenden Kohlenwasserstoffe unterzogen. Der RUcklauf fUr die Waschsäule wird durch partielle Kondensation des Kopfproduktes der Säule, die im Wärmetausch mit der dritten Stufe der Propankaskade erfolgt, und anschließender Phasentrennung, erzeugt. Während das noch mit Methan angereicherte Sumpfprodukt der Waschsäule einer Zerlegungseinheit zugefUhrt wird, erfolgt die Verflüssigung der bei der Phasentrennung anfallenden gasförmigen Fraktion im Wärmetausch mit einem zweistufigen Gemischkreislauf. In dem Gemischkreislauf wird das Mehrkomponentengas im Wärmeaustausch mit der Propankaskade gekühlt, teilweise verflüssigt und anschließend einer Phasentrennung unterzogen. Die bei der Phasentrennung anfallende flüssige Fraktion wird unterkühlt, entspannt und daraufhin verdampft, wobei die erzeugte Kälte zur Verflüssigung des vorzerlegten Erdgases, zur Unterkühlung der flüssigen Fraktion und zur Verflüssigung der bei der Phasentrennung anfallenden gasförmigen Fraktion herangezogen wird. Letztere wird ebenfalls in einem weiteren Wärmetauscher unterkühlt, entspannt und verdampft. Die hierbei gewonnene Kälte ist zur Unterkühlung des vorzerlegten Erdgases und der
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bei der Phasentrennung anfallenden gasförmigen Fraktion. Nach der Verdampfung und teilweisen Anwärmung werden beide Fraktionen wieder vereint und erneut dem Kreislaufkompressor zugeführt.
Dsr wesentlichste Nachteil des bekannten Verfahrens liegt in der apparativ aufwendigen Konzeption des Gemischkreislaufes, bedingt durch den erforderlichen Abscheider sowie von mindestens zwei Entspannungsventilen mit fcwei Wärmetauschern mit entsprechendem Verteilungssystem. Hinzu kommt, daß es bei dem bekannten Verfahren das bei der Vorzerlegung des Erdgases anfallende Sumpfprodukt nicht methanfrei ist, so daß in der Zerlegungseinheit, in der die einzelnen Komponenten des Gemischkreislaufes aufbereitet werden, eine zusätzliche Methanabtrennung (Demethanizer) für das Sumpfprodukt erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zum Verflüssigen eines Gasgemisches, Insbesondere von Erdgas, zu entwickeln.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die zumindest teilweise Verflüssigung der bei der Vorzerlegung anfallenden gasförmigen Fraktion im Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Mehrkomponentengas durchgeführt wird, dessen parttielle Ver-
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flUssigung durch VorkUhlung und dessen totale Verflüssigung und Unterkühlung einstufig gegen sich selbst erfolgt.
Der wesentlichste Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt in der einfachen Art der Gewinnung und zur Verfügung-Stellung der zumindest zur teilweisen Verflüssigung des bei der Vorzerlegung anfallenden Gasgemisches erforderlichen Kälte. Dadurch, daß die Verflüssigung und Unterkühlung des Mehrkomponentengases einstufig erfolgt, erübrigt sich die aus dem Stand der Technik bekannte aufwendige Phasentrennung des Mehrkomponentengases in einem separaten Abscheider sowie die Anordnung mehrerer Drosselventile und mehrerer Wärmeaustauscher. Außerdem verringert sich die Zahl der im Spitzenkühler, also in dem Wärmeaustauscher, in dem der Wärmeaustausch des Gasgemisches mit dem Mehrkomponentengas erfolgt, erforderlichen Querschnitte und Verteilerböden.
Mit Vorteil erfolgt die Führung des Mehrkomponentengases in einem geschlossenen Kreislauf, wobei das Mehrkomponentengas zunächst in an sich bekannter Weise verdichtet sowie in Wärmetausch mit dem Kältemittel gekühlt und teilweise verflüssigt wird. Die vollständige Verflüssigung und gegebenenfalls Unterkühlung des Mehrkomponentengasee erfolgt daraufhin im Wärmeaustausch mit entspannten und in einem Zug verdampfenden Mehrkomponentengas. Nach der Verdampfung und teilweisen
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AnwSrmung wird das Mehrkomponentengas erneut dem Kreislaufkompressor, der mit Vorteil ein Turbokompressor ist, zugeftlhrt. Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Konzeption des Gemischkreislaufes liegt darin, daß er keine apparativen Puffer, wie z.B. Abscheider, enthält. Auf diese Weise werden permanente Dichtschwankungen innerhalb des Kreislaufgases gemindert, so daß der Einsatz eines einfachen Turbokompressors als KreislaufVerdichter risikolos ermöglicht ist.
Nach seiner zumindest teilweisen Verflüssigung im Wärmeaustausch mit dem Mehrkomponentengas wird das Gasgemisch auf geringen Überdruck entspannt und in einem Abscheider einer weitern Phasentrennung unterzogen. Die im Abscheider gewonnene flüssige Fraktion wird als Produkt unmittelbar In einen unter etwa athmosphärischen Druck stehenden Speicherbehälter oder Zwischenbehälter entspannt, während die gasförmige Fraktion zur partiellen Kondensation des bei der Vorzerlegung anfallenden Gasgemisches herangezogen wird, wobei der geringe Überdruck dieser Fraktion gerade ausreicht, die Druckverluste beim Durchlaufen der Anlage zu kompensieren. Das bei der partiellen Kondensation des Gasgemisches anfallende Kondensat wird als Rücklauf in die Vorzerlegungssäule zurückgeführt. Aufgrund der durch diese Verfahrensweise gewonnenen großen Rücklaufmenge kann der Sumpf der Vorzerlegungssäule sehr stark beheizt werden, mit der Folge, daß in dem aus dem Sumpf
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der Vorserlegungssäule abzuziehenden flüssigen Produkt ausschließlich hochsiedende Bestandteile des Gasgemisches enthalten sind. Im Falle der Verflüssigung von Erdgas bedeutet dies, daß das Sumpfprodukt der Vorzerlegungssäule kein Methan mehr enthält, wodurch die Aufbereitung dieses Sumpf-Produktes in einer Zerlegungseinheit stark vereinfacht wird.
Nach einem weiteren Merkmal erfolgt die Entspannung des im Wärmetausch mit dem Mehrkomponentengas zumindest teilweise verflüssigten Gasgemisches in dem Abscheider mittels eines Ejektors, wobei der Saugseite des Ejektors der Dampf zugeführt wird, der bei der Entspannung der im Abscheider anfallenden flüssigen Phase auf Speicherdruck anfällt. Auf diese Weise gelingt es, ohne die zusätzliche Verwendung eines aufwendigen Kaltgebläses die Kälte des Dampfes der Anlage zur Verfügung zu stellen.
Falls aus den im Wärmeaustausch mit dem Mehrkomponentengas zumindest teilweise verflüssigten Gasgemisch ein unerwünschter tiefsiedender Bestandteil, bei Erdgas ist dies z.B. Stickstoff, abgetrennt werden soll, kann dieses in eine unter geringem Überdruck stehende Rektifiziersäule entspannt werden, wobei dann das im Kopf dieser Säule anfallende Restgas zur partiellen Kondensation des bei der Vorzerlegung anfallenden Gasgemisches herangezogen wird. Die weitere
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Anwärmung des Restgases auf etwa Umgebungstemperatur erfolgt in den Wärmeaustauschern der VorkUhlstufe. Auch hier ist der Überdruck der zusätzlichen Rektifiziersäule so bemessen, daß er gerade ausreicht, den Druckabfall des Restgases beim Durchströmen der verschiedenen Wärmeaustauscherquerschnitte zu kompensieren.
Das gewünschte verflüssigte Gasgemisch wird in diesem Fall als Produkt aus dem Sumpf der Rektifiziersäule abgezogen und nach seiner Entspannung auf Speicherdruck einem separaten Speichelthalter zugeführt. Damit auch die Kälte des bei dieser Entspannung anfallenden Dampfes ohne die aufwendige Verwendung eines zusätzlichen Kaltgebläses der Anlage zur Verfügung festeilt werden kann, erfolgt nach einem weiteren Merkmal der Erfindung die Entspannung des zu zerlegenden zumindest teilweise verflüssigten Gasgemisches in die Rektifiziersäule mittels eines Ejektors, wobei dann der Saugseite des Ejektors der bei der Entspannung des Sumpfproduktee der Säule auf Speicherdruck anfallende Dampf, der z.B. in einem zwischen der Rektifiziersäule und einem Speicherbehälter gesohalteten Abscheider von der flüssigen Phase getrennt wird, zugeführt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sioh besonders vorteilhaft zur Gewinnung eines flüssigen, im wesentlichen aus
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Methan bestehenden Bestandteiles aus Erdgas.
Weitere Erläuterungen zu der Erfindung sind den in den Figuren schematisch dargestellten AusfUhrungsbeispielen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 das Schema eines Verfahrens zum Verflüssigen von stickstoffreiem Erdgasj
Fig. 2 das Schema eines Verfahrens zur Verflüssigung von stickstoffhaltigem Erdgas.
Gemäß Fig. 1 wird zu verflüssigendes, auf etwa 44 ata verdichtetes Erdgas, das in diesem Beispiel im wesentlichen aus Methan, Äthan, Propan und höhereiedenden Kohlenwasserstoffen besteht, über die Leitung 1 der Anlage zugeführt, in der Reinigungsvorrichtung 2 einer CO«-Abtrennung unterzogen, im Wärmeaustauscher 3 gekühlt. In der Reinigungsvorrichtung 4 einer H2O-Abtrennung unterzogen und In den Wärmetauschern 5 und 6 teilweise verflüssigt. Die zur teilweisen Verflüssigung des einziehenden Erdgases erforderllohe KKlte wird durch ein In den WHrmeaustausoherquersohnitten T, 8 und 9 verdampfendes Kältemittel zur Verfügung gestellt. Mit Vorteil ist dieses KAIte-
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mittel Propan, das in einer dreistufigen Kaskade geführt wird. Die Wärmeaustaushherquerschnitte 7, 8 und 9 entsprechen in diesem Fall den einzelnen Kälteniveaus der Kaskade. Anstatt der Propankaskade können jedoch auch andere Kältekreisläufe, z.B. auoh ein Gemischkreislauf, herangezogen werden.
Dieser ersten Verfahrensstufe, die mit der Reinigung und Vorkühlung des Erdgases im wesentlichen abgeschlossen ist, schließt sich In einer zweiten Verfahrensstufe die Vorzerlegung des Erdgases an. Hierzu wird das teilweise verflUseigte Erdgas in eine Vorzerlegungssäule Io eingespeist, in der höher als Methan siedende Bestandteile des Erdgases abgetrennt und zur Aufbereitung über Leitung 11 einer nicht dargestellten Zerlegungseinheit zugeführt werden. Das im wesentlichen nur noch aus Methan, Äthan sowie geringen Mengen Propan und Buton bestehende Kopfprodukt der Vorzerlegungssäule wird über Leitung 12 abgezogen, im Wärmeaustauscher 13 partiell kondensiert und im Abscheider 14- einer Phasentrennung unterzogen. Die im Abscheider 14 anfallende flüssige Fraktion strömt über Leitung 15 als Rücklauf in die Vorzerlegungssäule zurüok. Die im Wärmeaustauscher 13 zur partiellen Kondensation dee KopfProduktes erforderliche Kälte wird, wie später noch im einzelnen beschrieben, durch kalten Dampf aus der Tieftemperaturstufe des Verfahrens zur Verfügung gestellt. Dadurch, daß
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im Wärmeaustauscher 13 eine relativ große Kältemenge auf einen tiefen Temperaturniveau zur Verfügung steht, gelingt es, eine relativ große Menge Rücklauf für die Vorzerlegungssäule zu erzeugen, mit der Folge, daß der Sumpf der Vorzerlegungssäule mittels der Heizung 16 sehr stark aufgeheizt werden kann. Hierdurch wird das im Sumpf gelöste Methan weitgehend ausgetrieben, wodurch sich der große Vorteil ergibt, daß in der Zerlegungseinheit, in der die Komponenten dee hochsiedenden Sumpfproduktes aufbereitet werden, keine zusätzliche Methanabtrennung mehr erforderlich ist.
An die zweite, durch die Vorzerlegung des Erdgases charakterisierte Stufe des Verfahrens schließt sich als dritte die Tieftemperaturstufe an, in der die Verfltiesigung der im Abscheider 14 gasförmig anfallenden im wesentlichen aus Methan tfind geringen Mengen Äthan bestehenden Phase erfolgt. Diese im Abscheider 14 anfallende gasförmige Fraktion wird über Leitung 17 abgezogen und im Wärmeaustauscher 18 im Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Mehrkomponentengas weitgehend verflüssigt bzw. bei Bedarf auch total verflüssigt und unterktlhlt und daraufhin in einen unter geringem überdruck stehenden Abscheider 19 entspannt. Die im Abscheider 19 anfallende flüssige Phase wird Über Leitung 2o als flüssiges Produkt abgezogen und über das Ventil 21 unmittelbar in einen unter etwa
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atmosphärischen Druck stehenden Speicherbehälter 22 entspannt. Die im Abscheider 19 gewonnene gasförmige Phase wird Über Leitung 23 abgezogen, im Wärmeaustauscher 13 im Wärmeaustausch mit kondensierendem Kopfprodukt der Vorzerlegungssäule Io angewärmt und nach weiterer Anwärmung in den Wärmeaustauschern 6, 5 und 3 auf etwa Umgebungstemperatur aus der Anlage abgeführt und kann z.B. als Regeneriergas fUr Adsorber herangezogen werden. Der Überdruck im Abscheider 19 reicht gerade aus, um den Druckabfall, der in diesen anfallenden Dampffraktion beim Durchströmen der einzelnen Wärmeaustauscherquerschnitte zu kompensieren. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Entspannung des im Wärmeaustauscher 1.8 verflüssigten Erdgases in den Abscheider 19 mittels eines Ejektors 24 durchzuführen und die Saufjseite des Ejektors 24 über eine Leitung 25 mit dem Dampfraum des Speicherbehälters 22 zu verbinden. Auf diese Weise gelingt es, die Kälte des bei der Entspannung der im Abscheider 19 gewonnenen flüssigen Fraktion anfallenden Dampfes ohne die aufwendige Verwendung eines zusätzlichen Kaltgebläses, bei dem ein Teil der Kälte vernichtet wird, der Anlage zur Verfügung zu stellen.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Verflüssigung des Erdgases im Wärmeaustauscher 18 im Wärmeaustausch mit einem verdampfenden
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Mehrkomponentengas, das sich im wesentlichen aus Stickstoff, Methan, Äthan und Propan zusammensetzt. Dieses Mehrkomponentengas wird innerhalb eines Kreislaufes im Turbokompressor 26 verdichtet, im WasserkUhler 27 auf etwa Umgebungstemperatur gekühlt, in den Wärmeaustauschern 3,5 und 6 der VorkUhlstufe teilweise verflüssigt und dem Wärmeaustauscher 18 zugeführt. Im Querschnitt 28 des Wärmeaustauschers 18 wird das Mehrkomponentengas verflüssigt, gegebenenfalls unterkühlt, anschließend im Ventil 29 entspannt, im Querschnitt J5o im Wärmeaustausch mit dem im Querschnitt 28 strömenden Mehrkomponentengas sowie mit dem zu verflüssigenden Erdgas verdampft sowie teilweise angewärmt und daraufhin unmittelbar erneut dem Turbokompressor 26 zugeführt. Dieser Gemischkreislauf zur Erzeugung der Spitzenkälte des Verfahrens zeichnet sich insbesondere durch seine Einfaohheit aus. Didurch, daß die vollständige Verflüssigung dee Mehrkomponentengases einstufig erfolgt, erübrigen sich zusätzliche Abscheider und Entspannungsventile sowie zusätzliche Querschnitte im Wärmeaustauscher 18, was insbesondere bei der Verwendung von gewickelten Wärmeaustauschern von großem Vorteil iet. Hinzu kommt, daß der Gemischkreislauf keine zusätzlichen apparativ bedingten Puffervolumina enthält, so dmfl die Leistung des Turbokompresaors, der z.B. Im Hinblick auf duroh solche Puffer bedingte unvermeidliche Diohtesohwankungen des Kreis-
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laufgases sehr empfindlich ist, nicht beeinträchtigt wird.
Zur Anpassung an die am warmen Ende des Wärmeaustauschers 18 vorherrschenden Temperaturverhältnisse wird das zu verflüssigende Erdgas vor Eintritt in den Wärmeaustauscher 18 im Wärmeaustauscher 31 noch einer Zwischenerwärmung im Wärmeaustausch mit. hierbei bereits teilweise kondensierendem Gasgemisch vom Kopf der Vorzerlegungssäule Io unterzogen.
Das AusfUhrungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 durch eine vierte Verfahrensstufe, nämlich eine Stickstoffabtrennung, die dann erforderlich ist, wenn das zu verflüssigende Erdgas verhältnismäßig stark mit Stickstoff angereichert ist. Gleiche Vorriohtungsteile sind in Fig. 2 mit den gleichen Bezugsziffern versehen wie in Fig. 1.
Gemäß Fig. 2 ist der Abscheider 19 nach Fig. 1 durch die Rektifiziersäule 32 ersetzt. Das im Wärmeaustauscher l8 verflüssigte Erdgas wird mittels des Ejektors 24 nunmehr in die Rektifiziersäule 32 entspannt, die ebenfalle unter geringem überdruck betrieben wird, wobBi das Erdgas vor seiner Entspannung im Wärmeaustauscher 33 zunächst noch zur Aufheizung des Sumpfes der Säule 32 herangezogen wird. Dae verflüssigte, im wesentlich aus Methan bestehende Produkt der Säule wird
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Über Leitung J>K aus dem Sumpf abgezogen und mittels dem Ventil 35 in einen unter Speicherdruck, d.h. unter ungefähr atmosphärischem Druck stehenden Abscheider ~*>6 geleitet. Die im Abscheider ~}6 anfallende flüssige Fraktion wird einem hier nicht dargestellten Speichertank zugeführt, während der Dampf Über Leitung J57 von dem Ejektor 24 angesaugt wird. Zur Rücklauferzeugung in der VorzerlegungsaMule Io dient nunmehr das im Kopf der Säule }2 anfallende stickstoffhaltige Restgas. Die Anordnung des zusätzlichen Abscheiders ist dann von Vorteil, wenn der Speicherbehälter für das verflüssigte Erdgas nicht unmittelbar am Orte der Verflüssigung installiert ist.
Die für die partielle Kondensation des in der Vorzerlegung«- säule Io anfallenden Kopfgases, also für die Rücklauferzeugung der Vorzerlegungssäule, erforderliche Kälte wird zumindest teilweise durch das im Kopf der RektiflziersBule anfallende, mit Stickstoff angereicherte Restgas zur Verfügung gestellt.
Wie insbesondere aus der Beschreibung der AuefUhrungsbeieplele hervorgeht, zeichnet sich das erfindungegemäße Verfahren durch eine große Elastizität aus. So ist es ohne weiteres möglich, die ersten beiden Stufen des Verfahrens, also die Reinigung
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und VorkUhlung sowie die Vorzerlegung ohne die Tieftetnperaturkühlung, also ohne den Gemischkreislauf zu betreiben. Die für die Vorzerlegung erforderliche zusätzliche Kälte wird in diesem Falle durch Entspannen des Erdgase« erzeugt.
6 Patentansprüche
2 Blatt Zeichnungen
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Claims (6)

  1. -16- LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
    H 71o H Υ3/52
    La/Kp
    9. Juli 1973
    Patentansprüche
    l.jVerfahren zur zumindest teilweisen Verflüssigung eines tiefsiedenden und unter Druck stehenden Qasgemisches, wobei das Gasgemisch im Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Kältemittel vorgekUhlt, im Zuge der Vorkühlung gereinigt und nach der VorkUhlung einer Vorzerlegung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest teilweise Verflüssigung der bei der Vorzerlegung anfallenden gasförmigen Fraktion im Wärmeaustausch mit einem verdampfenden Mehrkomponentengas durchgeführt wird, dessen partielle Verflüssigung durch VorkUhlung und dessen totale Verflüssigung und Unterkühlung einstufig gegen sich selbst erfolgt.
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    -I7- LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mehrkomponentengas im Kreislauf zunächst in an sich bekannter Weise verdichtet, sowie im Wärmeaustausch mit dem Kältemittel gekühlt und anschließend vollständig verflüssigt wird, wobei die vollständige Verflüssigung im Wärmeaustausch mit entspanntem und in einem Zug verdampfenden Mehrkomponentengas erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das im Wärmeaustausch mit dem Mehrkomponentengas zumindest teilweise verflüssigte Gasgemisch auf geringen Überdruck entspannt und einer Phasentrennung unterzogen wird, daß die hierbei anfallende Dampffraktion zur partiellen Kondensation des bei der Vorzerlegung anfallenden Gasgemisches herangezogen wird und daß das bei dieser partiellen Kondensation anfallende Kondensat als Rücklauf für die Vorzerlegung zur Verfügung gestellt wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des zumindest teilweise verflüssigten Gasgemisches auf geringen Überdruck mittels eines Ejektors erfolgt und daß der Saugseite des Ejektors der Dampf zugeführt wird, der bei der weiteren Entspannung der bei der Ejektorentspannung anfallenden flüssigen Phase auf Speicherdruck gewonnen wird.
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    18 LINDE AKTIENGESELLSCHAFT
  5. 5. Verfahren nach Anspruch J>, dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des zumindest teilweise verflüssigten Gasgemi.-ches in eine unter geringem überdruck stehende Rektifiü.-.ersäule erfolgt und daß das im Kopf der Rektifiziersäule anfallende Restgas zur partiellen Kondensation des bei der Vorzerlegung anfallenden Gasgemisches
    herangezogen wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Entspannung des zumindest teilweise verflüssigten Gasgemisches in die Rektifiziersäule mittels eines Ejektors erfolgt und daß der Saugseite des Ejektors der Dampf zugeführt wird, der bei der Entspannung (35) des flüssigen Sumpfproduktes der Rektifiziersäule (32) auf etwa Speicherdruck entsteht.
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    AS
    Leerseite
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