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Verfahren und Einrichtung zum Verdichten von Erdgas geringen
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Druckes mit Hilfe der Druckenergie von Erdgas hohen Druckes und/oder
eines Beigases
Verfahren und Einrichtung zum Verdichten von Erdgas
geringen Druckes mit Hilfe der Druckenergie von Erdgas hohen Druckes und/oder eines
Beigases Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Einrichtung, die
vorzugsweise ein Wirbelinjektor ist, zum Komprimieren von Erdgas geringen Druckes
mit Hilfe der Druckenergie von Erdgas hohen Druckes und/oder eines Beigases.
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Im Verlauf der modernen Erdgas-Aufbereitung wird jeweils die Druckenergie
des erzeugten Erdgases ausgenutzt. Diese Energie wird zweckmäßig in dem technologischen
Ablauf allgemein verwendet.
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Das rohe Erdgas ist normalerweise "naß" in dem Sinne, daß es eine
kondensierte Phase, d.i. eine Flüssigkeitsphase und eine feste Phase enthält. Aus
dem rohen Erdgas wird bereits vor der Expansion oder bei der Expansion die kondensierte
Phase ausgeschieden. Bei den inkompressiblen Kondensaten ist die Anwendung einer
Kolbenmaschine fast unmöglich. Es wird sogar der Einsatz einer Expansionsturbine
beschränkt, weil die durch die Flüssigkeitstropfen verursachte Erosion nur vermindert,
nicht aber beseitigt werden kann. Obwohl die sogenannten Schrauben-Expansionsmaschinen
in Anwesenheit einer kondensierten Phase betrieben werden können, können sie wirtschaftlich
für einen hohen Druck infolge der Zunahme der
auftretenden Axialkräfte
nicht verwendet werden. Zur Expansion nassen Erdgases hohen Druckes können somit
Arbeitsmaschinen nur im beschränkten Maße angewendet werden.
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Aus diesen Gründen wurden in den letzten Jahren Gasstrahl-Injektoren
entwickelt und verwendet, in welche das Gas eingesaugt wird, welches aus der aus
dem Erdgas ausgeschiedenen Flüssigkeit durch Druckverminderung gewonnen wird. Bei
diesem Verfahren wird der aus dem Injektor austretende Gasstrom, der somit ein Gemisch
aus dem vom rohen Erdgas abgetrennten Gas und dem Gas ist, welches im Flüssigkeitsexpansionsseparator
ausgeschieden wurde, in eine Abscheidungseinrichtung geleitet, in welcher sowohl
das instabile Kohlenwasserstoffkondensat (Gasolin) wie auch die wässrige Phase abgetrennt
werden. Bei den gewöhnlichen Betriebsverhältnissen der Einrichtung enthält die Flüssigkeitsphase
eine bedeutende Menge an Methan, Äthan und gegebenenfalls CO2, die sich in gelöstem
Zustande befinden. Diese Komponenten werden bei der Druckabsenkung der Flüssigkeit
frei. Die Zusammensetzung des freigewordenen Gases ist derart, daß das Gas ohne
Qualitätsverlust in die Fernleitung eingeführt werden kann. Durch den Gasstrahlinjektor
wird dasselbe Gas eingesaugt und auf den Druckwert der Fernleitung verdichtet.
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Zweck der Erfindung ist daher das Komprimieren von Erdgas geringen
Druckes mit Hilfe der Druckenergie von Erdgas hohen Druckes und/oder eines Beigases
oder öls in einfachster und wirtschaftlicher Weise.
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Erfindungsgemäß erfolgt die Expansion des Erdgases in einem Wirbelinjektor
mit einem Erdgasdruck von 3,0 MPa vor der Expansion oder mit einem höheren Erdgasdruck
als 1,0 MPa nach der Expansion oder mit einem Quotienten des Gasdruckes vor und
nach der Expansion von mindestens 1,5. In diesen
Wirbelinjektor
wird das unter der Einwirkung der Druckverminderung aus der aus dem Erdgas ausgeschiedenen
Flüssigkeit und aufgrund einer Wärmezufuhr freigesetzte Gas und/oder das aus Erdöl
ausgeschiedene Gas und/oder das aus der Einblasleitungund/oder aus dem Fackelseparator
stammende Gas eingeleitet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird somit ein Wirbelinjektor
verwendet, durch den die Eigenschaften der eine hohe Strömungsgeschwindigkeit aufweisenden
und entlang einer Schraubenlinienbahn strömenden Gase ausgenützt wird. Bei dem Wirbelinjektor
soll hier nicht der infolge der Wärme entstandene Trenneffekt der wirbelnden Gasströme
sondern der Saugeffekt der Wirbelgasströme ausgenutzt werden.
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Bei der Aufbereitung von Erdgas beträgt die Menge des expandierten
rohen Erdgases in der Regel das Vielfache, nämlich das 50-100-fache, der aus der
Aufarbeitung der Flüssigkeit erhaltenen Gasmenge. In der Praxis bedeutet es viel,
daß der adiabatische Wirkungsgrad bei der Anwendung eines Wirbelinjektors sehr günstig
ist. Es werden nämlich zwei Vorgänge verwirklicht und zwar die Umwandlung der Druckenergie
des rohen Erdgases und seiner inneren Energie in kinetische Energie (an der Einblasdüse
des Wirbelinjektors) und die Umwandlung der kinetischen Energie des wirbelnden Gasstromes
in Druckenergie (im Dralldiffusor), wobei die erhaltene Druckverminderung dadurch
begünstigt wird, daß der Gasstrom entlang einer Bahn mit kleinem Krümmungsradius
geführt wird. Dadurch wird ein radialer Druckunterschied hervorgerufen, unter dessen
Einwirkung die Entspannung gesteigert wird. Auf diese Weise kann die in dem Wirbelinjektor
auftretende Erscheinung eines Druckgradienten vorteilhaft im Vorgang der Erdgas
aufbereitung ausgenützt werden, und zwar dort, wo der Methan-, Äthan- und gegebenenfalls
der
Propan-Buthan-Gehalt des aus dem Erdgas ausgeschiedenen Kondensats durch Druckverminderung
und durch Wärmezufuhr ausgetrieben wird. Die Anwendung des Wirbelinjektors in der
erfindungsgemäßen Weise wird auch dadurch begünstigt, daß das Erdöl und das Erdgas
häufig auf der gleichen Lagerstätte vorkommen und somit im gleichen Betrieb aufgearbeitet
werden, so daß die bei der Erdölaufbereitung ausgetriebenen Gase geringen Druckes
in den Wirbelinjektor eingeleitet und dort vermittelt der Druckenergie des Erdgases
hohen Druckes verdichtet werden können.
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Es ist bekannt, daß das aus gesättigten Flüssigkeiten gelöste Gas
mit dem größten Wirkungsgrad ausgetrieben werden kann, wenn der Druck des Gases
in mehreren Stufen vermindert und das in den einzelnen Stufen freigewordene Gas
jeweils abgeleitet wird. In der Praxis ist jedoch die Anzahl der Stufen dadurch
beschränkt, daß die Investitionskosten mit der Vergrößerung der Abscheideeinrichtungen
und der Kompressoren unverhältnismäßig zunehmen. Daher wird im allgemeinen eine
zweistufige Entgasung vorgenommen.
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Beim Abtrennen von öl besteht ein ähnliches Gesetz: bei einem geringeren
Druck bleibt weniger gelöstes Gas im Erdöl, gleichzeitig aber kann eine selektivere
Trennung durchgeführt werden, weil die Flüchtigkeit der Gemischkomponenten relativ
zueinander zunimmt. Entsprechend der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Druckverminderung
der aus dem Erdgas ausgeschiedenen Flüssigkeit höchstens in fünf Stufen durchgeführt
wird und wenigstens das aus der zweiten und dritten Stufe erhaltene Gas in einen
ersten, gegebenenfalls auch in einen zweiten Wirbelinjektor koaxial eingeleitet
wird.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen,
in einen Wirbelinjektor höchstens fünf Gase unterschiedlichen Druckes einzuleiten,
und zwar derart, daß der Druck der eingeleiteten Gase in der Wirbelkammer des Wirbelinjektors
radial von innen nach außen entsprechend dem im Wirbelinjektor vorhandenen radialen
Druckgradienten größer wird.
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Die in dem Hochgeschwindigkeits-Wirbel hervorgerufenen, sehr großen
Druckgradienten können dazu ausgenutzt werden, daß zumindestens ein Teil des Gases,
welches bisher auf den Fackelseparator oder in die Abblaser geleitet war, nutzbar
gemacht wird. Bisher konnte man solche Gase nicht ausnutzen, weil die Gasmenge zwischen
extremen Grenzen sich ändert und die zur Ableitung erforderliche Druckerhöhung weder
mittels klassischer Mittel noch durch Kompressoren oder Injektoren erreicht werden
konnte. Beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch ist der Druck im Zentrum des Wirbelinjektors
hinreichend klein, um auch solche Gase absaugen zu können.
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Die Erfindung schafft auch einen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens dienenden Wirbelinjektor, in welchen stirnseitig zwei oder mehr, jedoch
höchstens fünf gaseinleitende Rohre hineinragen. Die Rohre sind vorzugsweise konzentrisch
und koaxial zur Wirbelachse angeordnet und haben vorzugsweise die Form von Rotationskörpern.
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Ihre Länge innerhalb des Wirbelinjektors, gemessen von dessen Wand,
folgt vorzugsweise dem folgenden Zusammenhang:
wobei durch die Rohre mit zunehmend größer werdender Indexzahl
entsprechend
zugeordnete Gase mit kleiner werdendem Druck eingeleitet werden.
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Mit Vorzug werden zwischen radial aufeinander folgende Rohre drallgebende
Leitschaufeln angeordnet, die außer zur Strömungslenkung auch zur Versteifung der
Rohranordnung dienen.
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Die das Erdgas hohen Druckes zuführenden Einlaufdüsen sind vorzugsweise
an einem Kegelmantel angeordnet, dessen öffnungswinkel größer oder gleich 700 und
kleiner oder gleich 900 ist und dessen Achse mit der der Wirbelkammer übereinstimmt.
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Durch diese Anordnung wird bei der Einführung des Erdgases hohen Drucks
die Vergrößerung der axialen Geschwindigkeitskomponente gewährleistet. Dadurch vermindert
sich der Unterschied zwischen der tangentialen Geschwindigkeit des die Arbeit ausführenden
Gases und der des zu beschleunigenden Gases. Dadurch werden die Verluste, die auf
einen gerichteten Impulsstrom, d.i. eine Reibung, zwischen den Schichten zurückzuführen
sind, verringert oder beseitigt.
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Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn der eintretende Gas strom
in einem Dralldiffusor zur Drehbewegung gezwungen wird und so in die Wirbelkammer
strömt. Ein weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, daß der Dralldiffusor
und/oder Drallkonfusor einen äußeren Mantel hat, der aus zwei oder mehreren, exzentrisch
angeordneten Zylindermantelsegmenten besteht.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele und der zugehörigen Zeichnung ersichtlich.
In der Zeichnung zeigt: Fig. 1 ein Verfahrensschema gemäß der Erfindung,
Fig.
2 den prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Wirbelinjektors im Längsschnitt,
Fig. 3 eine abgewandelte Ausführungsform des Wirbelinjektors aus Fig. 2, Fig. 4
einen weiteren Wirbelinjektor mit als Spiralgehäuse ausgeführtem Austrittsdiffusor
im Vertikalschnitt senkrecht zur Achse des Wirbelinjektors und Fig. 5 den Schnitt
V-V aus Fig. 4.
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Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird im Verlauf des erfindungsgemäßen
Verfahrens das rohe Erdgas aus einem Rohr 1 in einen Separator 2 geleitet, in welchem
der Wasser- und Gasolinanteil des Gases separiert werden. Das Wasser wird von dem
Wasserraum des Separators 2 durch eine Rohrleitung 13 in eine Reinigungsanlage weitergeleitet.
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Mit gestrichelter Linie 14 ist eine Leitung gezeigt, welche eine Möglichkeit
zur Aufbereitung des Gasolins darstellt, bei welcher das rohe Gasolin in einen kalten
Separator 5 geführt wird.
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Das Gas aus dem Separator 2 wird in einen Wärmetauscher 3 geleitet,
in welchem das Gas durch einen aus dem kalten Separator 5 durch ein Rohr 6 zugeführtes
trockenes Wasserstoffgas abgekühlt wird. Aus dem Wärmetauscher 3 wird das nasse
Erdgas in die Wirbelkammer des Wirbelinjektors 4 geleitet, in welchem das Gas durch
schraubenförmige, tangential angeordnete Düsen - die jedoch eine gradlinige Achse
haben können - in den Wirbelinjektor 4 strömt, in welchem es an dessen Wand in eine
schraubenlinienförmige Bahn gezwungen wird.
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In den Innenraum des horizontalen Wirbelinjektors 4 ragen stirnseitig
Saugrohre 10, 11 hinein, die konzentrisch angeordnet sind. Das Gemisch des in dem
Wirbelinjektor 4 expandierten Erdgases und des eingesaugten Gases wird in dem kalten
Separator 5 von dem Gasolin und der wässrigen, inhibitorischen Phase separiert (in
der Figur nicht dargestellt).
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Das rohe Gasolin wird in dem kalten Separator 5 abgeschieden.
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Unter Einwirkung der Druckverminderung und gegebenenfalls vermittels
Wärme wird das so freigewordene Gas in einem sogenannten Flüssigkeits-Expansions-Separator
8 separiert.
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Aus diesem Separator 8 wird das Gas durch das Saugrohr 11 in den Achsenbereich
des Wirbelinjektors 4 geleitet, während das teilweise entgaste Gasolin in den oberen
Raum einer Austreibsäule 9 geleitet wird. Die Austreibsäule 9 wird durch einen Wärmetauscher
15 geheizt. Die Austreibsäule 9 ist im allgemeinen als eine ohne Reflux betriebene
Rektifiziereinrichtung ausgebildet, deren Druck einen kleineren Wert hat, als der
des Flüssigkeitsexpansionsseparators 8.
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Das aus der Austreibsäule 9 ausströmende Gas wird durch ein Saugrohr
10 in den Achsenbereich des Wirbelinjektors 4 geleitet.
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Die entgaste Flüssigkeit gelangt zu dem Verbraucher aus der Austreibsäule
9 durch die Rohrleitung 12. Parallel zu dem Wirbelinjektor 4 ist ein weiterer horizontaler
Wirbelinjektor 18 in Betrieb, in welchen durch das Rohr 17 das Gas zum ölseparieren
geleitet wird.
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Wenn zu dem Fackelseparator 23 ein Gasstrom größerer Menge durch den
Separator 24 strömt und dadurch der Druck im Sammelrohr 26 steigt, wird ein Wirbelinjektor
20 verwendet.
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In diesem Fall werden die Armaturen 25, 19, 22 geöffnet und das Gas
strömt unter dem Druck im Sammelrohr 26 durch das Rohr 21 zum Achsenbereich des
horizontalen Wirbelinjektors 20.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist wirksamer als die bisher bekannten
Verfahren, weil mit Hilfe der horizontalen Wirbelinjektoren, 4, 18, 20 ein Kompressionsverhältnis
erreicht werden kann, das durch einen Gasstrahlinjektor nicht mehr verwirklicht
werden kann.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist die Flüssigkeitskonzentration
im Gas geringer. Außerdem werden die Herstellungskosten der Einrichtung durch das
Trennen bei kleinem Druck bedeutend geringer, weil eine Einrichtung mit kleineren
Druckstufen verwendet werden kann.
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Aus Fig. 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Wirbelinjektors
ersichtlich, in dessen Stirnwand zwei konzentrische Saugrohre 10, 11 hineinragen.
Das Gehäuse 4a des Wirbelinjektors hat die Form eines zylindrischen Rotationskörpers,
dessen Durchmesser D1 in der Ebene der Einlaufdüsen 4b gemessen ist. Die Düsen 4b,
deren Querschnitt entweder ein Kreis oder ein Viereck oder dergleichen sein kann,
sind in einem Abstand lo vom Ende des Gehäuses gerechnet angeordnet. Die Anzahl
der Düsen 4b ist nicht beschränkt. Sie sind zweckmäßigerweise am Umfang des Gehäuses
gleichmäßig verteilt.
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Das Saugrohr 11 dient zum Einleiten eines Gases, dessen Druck P2 ist.
Seine Länge - von der Wand des Gehäuses 4a gemessen, ist 11. Durch das Saugrohr
10 wird ein Gas eingesaugt, dessen Druck P1 ist. Dieser Druck P1 ist kleiner als
der Druck P2. Das Saugrohr 10 reicht - von der Wand des Gehäuses gemessen - in einer
Länge 12 in das Gehäuse 4a hinein, welche größer ist als die Länge 11 des Saugrohres
11, welches koaxial zum Saugrohr 10 angeordnet ist und dieses umgibt zwischen den
Saugrohren 10, 11 sind Leitschaufeln 4c angeordnet, durch welche die Koaxialität
der
Saugrohre 10, 11 gesichert wird und zugleich die Vibration
des inneren Saugrohres 10 gedämpft wird. Die Leitschaufeln sind derart ausgebildet,
daß das Gas, dessen Druck P2 ist und welches durch das Saugrohr 11 eingeleitet wird,
einen Drall erhält, welcher gleichsinnig ist wie der des Gases, das durch die Einlaufdüsen
4b am Umfang des Wirbel raumes eingeleitet wurde.
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An dem den offenen Enden der Saugrohre 10, 11 zugewendeten Stirnende
der Wirbelkammer 4 ist diese offen und mündet in einen Drall- oder Spiraldiffusor
4d, welcher mit seiner zentralen, kreisscheibenförmigen Wand 4e, die senkrecht zur
Achse des Wirbelinjektors verläuft, die Wirbelkammer abschließt und die Wand 4e
in Form eines Schneckengehäuses umläuft.
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Während bei der Ausführungsform nach Fig. 2 der Wirbelraum bis zum
Einlauf in den Spiraldiffusor 4d zylindrisch gezeigt ist, erweitert sich der Wirbelraum
gemäß Fig. 3 von der Mündungsebene des Saugrohres 11 ab trichterförmig zum Spiraldiffusor
4d hin stetig, so daß also der Austrittsdurchmesser D2 der Wirbelkammer größer ist
als ihr in der Düsenebene gemessener Durchmesser D1. Außerdem ist gemäß Fig. 3 zentral
an der Deckelplatte 4e ein Umlenkkegel 4f ausgebildet, dessen Spitze der Wirbelkammer
zugewendet ist.
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Aus den Fig. 4 und 5 ist ein Ausführungsbeispiel für den Spiraldiffusor
4d ersichtlich, der in Abwandlung seiner torusartigen Form aus den Fig. 2 und 3
einen rechteckigen Strömungsquerschnitt hat. Sein Mantel besteht aus exzentrisch
zueinander angeordneten, ineinander übergehenden Halbzylinderschalen.
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Die Einlaufdüsen 4b des Wirbelinjektors können erfindungsgemäß in
einer zur Längsachse des Wirbelinjektors senkrechten
Ebene, oder
abweichend davon, zweckmäßig entlang eines Kegelmantels angeordnet sein, dessen
Achse mit der der Wirbelkammer übereinstimmt und dessen halber öffnungswinkel gleich
oder größer als 70°, jedoch kleiner oder gleich 90" ist und dessen Spitze dem Spiraldiffusor
zugewendet ist.
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Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit der Druckenergie
des expandierenden Erdgases hohen Drucks das Gas, welches unter Einwirkung einer
Druckverminderung und Wärmezugabe aus der aus dem Erdgas separierten Flüssigkeit
freigeworden ist, auf den Startdruck der Erdgas-Fernleitung verdichtet werden kann.
Ebenso kann auch das aus dem Erdöl ausgeschiedene und/oder aus einer Einblasleitung
und/oder aus einem Fackelseparator stammende Gas auf diesen Startdruckwert gebracht
werden.