DE2932561C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Zerlegen eines Gasgemisches - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Zerlegen eines Gasgemisches

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen eines unter erhöhtem Druck stehenden Gasgemisches, beispielsweise eines Erdgases mit Stickstoff, Methan und C&sub2;+-Kohlenwasserstoffen, bei dem das Gas nach Abtrennung eines bei der Vorkühlung anfallenden Kondensats in einer ersten Trennstufe in ein von mindestens einer höhersiedenden Komponente weitgehend befreites Kopfprodukt und in ein von mindestens einer tiefersiedenden Komponente weitgehend befreites Sumpfprodukt zerlegt wird, wobei das Sumpfprodukt der ersten Trennstufe in der flüssigen Phase verdichtet und nach einem Wärmeaustausch mit dem Gasgemisch, bei dem ein Teil des Sumpfprodukts verdampft wird, mindestens teilweise in eine zweite Trennstufe mit einer Rektifiziersäule entspannt wird, und wobei in der zweiten Trennstufe eine weitere Zerlegung des Sumpfprodukts erfolgt. Ferner betrifft die Erfindung eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
  • Aus der US-PS 41 15 086 ist ein Verfahren der genannten Art bekannt. Dabei kommt Raffineriegas, aus dem leichte Kohlenwasserstoffe zurückgewonnen werden sollen, zum Einsatz. Nach Abtrennung eines an C&sub4;- und C&sub5;-Kohlenwasserstoffen reichen Kondensats, das in einer ersten Kühlstufe gebildet wird, wird das Gas einer zweistufigen partiellen Kondensation unterzogen, wobei zwischen den Kondensationsstufen eine Entspannungsturbine vorgesehen ist. Nach der partiellen Kondensation liegt eine leichte Fraktion vor, die im wesentlichen Wasserstoff, Inertgas, Methan und C&sub2;-Kohlenwasserstoffe enthält, sowie im wesentlichen wasserstoff-freie Kondensate. Die Kondensate werden mittels Pumpen auf den Druck einer nachfolgenden Rektifiziersäule gefördert und anschließend, vor Einspeisung in die Rektifiziersäule, gegen einen Teilstrom des zu zerlegenden Raffineriegases angewärmt.
  • Ferner ist aus der DE-AS 21 22 707 ein Verfahren zum Zerlegen von Erdgas bekannt, bei dem ein neben Methan noch beträchtliche Mengen Stickstoff sowie Kohlendioxid und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltendes Erdgas zunächst in einer ersten Rektifiziersäule in zwei Fraktionen zerlegt wird, von denen die leichtere aus Stickstoff und Methan besteht, während das Sumpfprodukt neben der Hauptkomponente Methan nur noch wenig Stickstoff, aber das ganze im Erdgas enthaltene Kohlendioxid sowie alle schwereren Kohlenwasserstoffe enthält. Das Sumpfprodukt wird nach Erwärmung auf Umgebungstemperatur als stickstoffarmes Erdgas in eine Pipeline abgegeben.
  • Häufig ist es wünschenswert, aus einem Gasgemisch mehrere Bestandteile mit unterschiedlichem Siedebereich abzutrennen. Beispielsweise besteht häufig Interesse an einer Abtrennung von Äthan und schwereren Kohlenwasserstoffen aus Erdgas, um diese Komponenten zu wertvolleren Produkten, etwa Äthylen umzusetzen. Die Abtrennung einer schweren Fraktion kann auch im Hinblick auf die Gewinnung eines Flüssiggases wünschenswert sein. Daneben ist es bei Erdgasen mit hohem Stickstoffanteil meist erforderlich, den größten Teil des Stickstoffs abzutrennen, um einen gewünschten Heizwert einzustellen.
  • Zur Abtrennung von Äthan und schwereren Kohlenwasserstoffen sowie von Stickstoff aus Erdgas wurden bisher getrennte Verfahren angewendet, was jedoch unbefriedigend ist, da das Erdgas zweimal von Umgebungstemperatur auf die erforderlichen tiefen Temperaturen abgekühlt werden muß.
  • Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Abtrennung einer leichten und schweren Fraktion aus einem Gasgemisch in energetisch günstiger Weise unter Erzielung einer erhöhten Kälteleistung bei der arbeitsleistenden Entspannung erfolgen kann.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Gasgemisch in der ersten Trennstufe durch Rektifikation zerlegt wird, daß der beim Wärmetausch verdampfende Teil des Sumpfprodukts arbeitsleistend entspannt wird, und daß die bei der arbeitsleistenden Entspannung gebildete Flüssigkeit am Kopf der zweiten Trennstufe als Rücklaufflüssigkeit aufgegeben wird.
  • Damit wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, das es ermöglicht, gleichzeitig leichte und schwere Komponenten in energetisch günstiger Weise aus einem Gasgemisch abzutrennen. Wesentlich ist dabei, daß neben der an sich bekannten Zerlegung des Kopfprodukts der ersten Trennstufe, die mittels einer weiteren Rektifikation, wie sie beispielsweise in der DE-AS 21 22 707 beschrieben ist, durchgeführt werden kann, das Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule in einer speziellen Weise weiter zerlegt wird, ohne daß dieses vorher wieder auf Umgebungstemperatur angewärmt wird. Hierdurch werden Investitionskosten für zusätzliche Wärmetauschflächen, die in zwei getrennten Zerlegungsprozessen benötigt würden, sowie mit zusätzlichen Wärmeaustauschvorgängen verbundene Energieverluste eingespart.
  • Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das verdichtete Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule so weit gegen das Gasgemisch angewärmt, daß eine teilweise Verdampfung erfolgt. Dadurch kann der verdampfte Anteil des Sumpfprodukts in einer Expansionsmaschine arbeitsleistend entspannt werden. Die dabei gewonnene Energie läßt sich beispielsweise innerhalb des Verfahrens zur Verdichtung des Einsatzgases verwenden.
  • Gemäß einem Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die arbeitsleistende Entspannung bis ins Naßdampfgebiet durchgeführt und die dabei gebildete Flüssigkeit als Rücklauf für die zweite Rektifiziersäule verwendet. Diese Verfahrensweise ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule überwiegend Komponenten enthält, die in der zweiten Rektifiziersäule über Kopf abgetrennt werden sollen. So wird beispielsweise bei der Zerlegung von Erdgas das Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule als Hauptkomponente Methan und daneben schwere Kohlenwasserstoffe in einer Menge von beispielsweise 5 bis 25 Vol-% enthalten. Das in der zweiten Rektifiziersäule über Kopf abzutrennende Methan ist in der bei der partiellen Verdampfung anfallenden gasförmigen Fraktion soweit angereichert, daß die bei der Expansion gebildete Flüssigkeit als Rücklaufflüssigkeit auf den Kopf der zweiten Rektifiziersäule aufgegeben werden kann, ohne daß das Kopfprodukt mit unerwünscht vielen schwerer siedenden Komponenten verunreinigt wird. Die bei der arbeitsleistenden Entspannung nicht verflüssigten Anteile können in solchen Fällen entweder gemeinsam mit der gebildeten Flüssigkeit dem Kopf der zweiten Rektifiziersäule zugeführt werden, aus dem sie dann direkt abgeführt werden, oder sie können in einem zwischengeschalteten Abscheider vollkommen von der zweiten Rektifiziersäule ferngehalten werden.
  • Falls dagegen das Kopfprodukt der zweiten Rektifiziersäule bei dem eben beschriebenen Vorgehen nicht die gewünschte Reinheit erreicht, können zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise ein mit Fremdkälte betriebener Kopfkondensator oder Aufgabe einer weiteren Rücklaufflüssigkeit für die gewünschte Reinheit sorgen.
  • Als günstig kann es sich in einigen Fällen erweisen, die arbeitsleistende Entspannung bis auf einen Druck durchzuführen, der unterhalb des Drucks der zweiten Rektifiziersäule liegt. Dies kann beispielsweise dann günstig sein, wenn eine bestimmte Leistungsabgabe der Expansionsmaschine gewünscht wird oder wenn auf diese Weise eine bestimmte Menge an Rücklaufflüssigkeit gebildet werden kann. Vor Einleiten der entspannten Fraktion in die Rektifiziersäule erfolgt in einer solchen Ausgestaltung des Verfahrens zweckmäßig eine Phasentrennung, wonach die gebildete Flüssigkeit durch eine zwischengeschaltete Pumpe auf den Druck der zweiten Rektifiziersäule verdichtet wird, während die gasförmig verbliebene Phase gesondert aus der Anlage herausgeführt werden kann.
  • Der bei der Erwärmung des Sumpfprodukts der ersten Rektifiziersäule nicht verdampfte Anteil kann der zweiten Rektifiziersäule an einer von der Zusammensetzung dieser Fraktion und dem Gleichgewichtsverlauf in der zweiten Rektifiziersäule abhängigen geeigneten Stelle nach der Entspannung direkt aufgegeben werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird diese Fraktion jedoch vor Einspeisung in die zweite Rektifiziersäule teilweise verdampft, um auf diese Weise die Rektifikationsbedingungen zu verbessern.
  • Sofern im Gasgemisch Komponenten enthalten sind, die bei Abkühlung auf die Temperaturen der Rektifikation zu Feststoffausfall in den Wärmetauschern oder in der Rektifiziersäule führen, ist eine Abtrennung dieser Komponenten nach ihrer Kondensation erforderlich. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, dieses Kondensat, das entsprechend den jeweiligen Gleichgewichtsbedingungen auch noch geringe Mengen leichter siedender Bestandteile enthält, zur weiteren Verarbeitung der zweiten Rektifiziersäule an einer geeigneten Stelle aufzugeben.
  • Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält als wesentliches Merkmal einen Vorkühlwärmetauscher, von dem eine Leitung zu einem Kondensatabscheider führt, dessen oberer Bereich über eine Leitung mit einem weiteren Wärmetauscher verbunden ist, sowie mit weiteren, teilweise an sich bekannten Bauteilen und ist gekennzeichnet durch eine dem weiteren Wärmetauscher nachgeschaltete erste Rektifiziersäule, einer mit dem Sumpf der ersten Rektifiziersäule verbundenen Flüssigkeitspumpe, einer von der Flüssigkeitspumpe durch den weiteren Wärmetauscher zu einem weiteren Abscheider führenden Leitung, einer mit einem Entspannungsventil versehenen, aus dem unteren Bereich des weiteren Abscheiders in eine zweite Rektifiziersäule führenden Leitung, einer aus dem oberen Bereich des weiteren Abscheiders zu einer Expansionsturbine führenden Leitung und einer von der Expansionsmaschine in die zweite Rektifiziersäule führenden Leitung.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels dargestellt.
  • Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und zur Gewinnung einer Fraktion von Äthan und schwereren Kohlenwasserstoffen aus einem Erdgas, das folgende Zusammensetzung aufweist:
    • N&sub2; 9,06 Vol.-%
      CH&sub4; 75,37 Vol.-%
      C&sub2;H&sub6; 6,77 Vol.-%
      C&sub3;H&sub8; 4,76 Vol.-%
      C4+ 4,04 Vol.-%

  • Dieses Gasgemisch wird im Verdichter 1 auf 50 bar komprimiert und anschließend über Leitung 2 im Wärmetauscher 3 gegen kalte Produktströme 22, 28, 29 und einen Vorkühlkreislauf 4 abgekühlt. Die bei der Vorkühlung kondensierten Bestandteile werden im Abscheider 5 abgetrennt und über Leitung 6 und Drosselventil 7 in die Rektifiziersäule 8 entspannt. Der Hauptteil des Gasgemisches wird aus Abscheider 5 über Leitung 9 dem Wärmetauscher 10 zugeführt, in dem eine weitere Abkühlung erfolgt und wird dann durch den Wärmetauscher 11 im Sumpf der Rektifiziersäule 12 geführt. Schließlich wird diese Fraktion im Wärmetauscher 13 nochmals gegen kalte Produktströme gekühlt und nach Entspannung im Drosselventil 14 in die Rektifiziersäule 12eingespeist. Die Rektifiziersäule 12 wird unter solchen Bedingungen betrieben, daß im Sumpf eine weitgehend von Stickstoff befreite Fraktion anfällt, während über Kopf eine nur noch Stickstoff (37,70 Vol.-%) und Methan (62,30 Vol.-%) enthaltende Fraktion abgezogen wird. Das Sumpfprodukt wird über Leitung 15 abgezogen und hat folgende Zusammensetzung:
    • N&sub2; 2,37 Vol.-%
      CH&sub4; 78,43 Vol.-%
      C&sub2;H&sub6; 8,35 Vol.-%
      C&sub3;H&sub8; 5,87 Vol.-%
      C4+ 4,98 Vol.-%

  • Diese Fraktion wird in der Flüssigkeitspumpe 16 verdichtet und dann im Wärmetauscher 10 angewärmt. Das Sumpfprodukt wird soweit verdichtet, wie es thermodynamisch möglich ist, d. h. soweit, daß am warmen Ende des Wärmetauscher 10 noch ein Temperaturgefälle zwischen dem Sumpfprodukt in Leitung 15 und dem Rohgas in Leitung 9 vorliegt. Die im Wärmetauscher 10 wieder verdampften Bestandteile des Sumpfprodukts werden im Abscheider 17 abgetrennt und über Leitung 18 einer Expansionsturbine 19 zugeführt, in der eine Entspannung auf den Druck der Rektifiziersäule 8 durchgeführt wird. Die über Leitung 20 aus dem Abscheider 17 abgezogene Flüssigkeit wird im Ventil 21 entspannt und nach partieller Wiederverdampfung im Wärmetauscher 10 in die Rektifiziersäule 8 eingespeist. Aus der Rektifiziersäule 8 wird über Leitung 22 ein Kopfprodukt abgezogen, das folgende Zusammensetzung aufweist:
    • N&sub2; 2,88 Vol.-%
      CH&sub4; 94,99 Vol.-%
      C&sub2;H&sub6; 2,02 Vol.-%
      C&sub3;H&sub8; 0,11 Vol.-%

  • Dieses Kopfprodukt wird kältegewinnend in den Wärmetauschern 13, 10 und 3 wieder angewärmt und beispielsweise an eine Pipeline abgegeben. Sofern der Abgabedruck nicht durch den Druck der Rektifiziersäule 8 vorgegeben ist, erfolgt noch eine in der Figur nicht dargestellte Verdichtung des Kopfprodukts.
  • Aus dem Sumpf der Rektifiziersäule 8 wird die abgetrennte C2+-Fraktion abgezogen. Sie weist folgende Zusammensetzung auf:
    • CH&sub4; 1,00 Vol.-%
      C&sub2;H&sub6; 37,89 Vol.-%
      C&sub3;H&sub8; 32,83 Vol.-%
      C4+ 28,28 Vol.-%

  • Um den im Sumpfprodukt der Rektifiziersäule 8 enthaltenen Methangehalt zu begrenzen, erfolgt eine Beheizung 24 des Sumpfes durch Teilströme aus dem Rohgas und/oder durch Kreislaufmedien.
  • Die Reinheit des Kopfprodukts der Rektifiziersäule 12 wird durch einen mit Kreislaufgas betriebenen Kopfkondensator 25 erreicht. Das über Leitung 26 abgezogene Kopfprodukt wird in einer weiteren Rektifikation 27, die in der Figur nicht näher dargestellt ist, in eine Stickstoff-Fraktion, die lediglich 2 Vol.-% Methan enthält und in eine Methan-Fraktion, die 11,59 Vol.-% Stickstoff enthält, zerlegt. Diese Fraktionen werden über die Leitungen 28 und 29 abgezogen und nach Erwärmung in den Wärmetauschern 13, 10 und 3 aus der Anlage herausgeführt.
  • Im vorstehend erläuterten Beispiel werden aus stündlich 189 818 Nm³ zugeführtem Erdgas 27 125 Nm³ einer C2+-Fraktion über Leitung 23 abgezogen, daneben fallen in den Leitungen 28 bzw. 29 10 798 Nm³ Stickstoff bzw. 25 105 Nm³ methanreichen Gas an, während über Leitung 22 am Kopf der Rektifiziersäule 8 126 790 Nm³ methanreiches Gas anfallen.
  • Im Falle einer Störung des Stickstoff-Methan-Zerlegungsprozesses in den Rektifikationsstufen 12 bzw. 27 können diese Anlagenteile unter Verwendung der Bypass-Leitung 30 nach Öffnung des Ventils 31 umgangen werden, so daß der Prozeß der Gewinnung der schweren Fraktion in der Rektifiziersäule 8 weiterbetrieben werden kann.

Claims (4)

1. Verfahren zum Zerlegen eines unter erhöhtem Druck stehenden Gasgemisches, beispielsweise eines Erdgases mit Stickstoff, Methan und C&sub2;+-Kohlenwasserstoffen, bei dem das Gas nach Abtrennung eines bei einer Vorkühlung anfallenden Kondensats in einer ersten Trennstufe in ein von mindestens einer höhersiedenden Komponente weitgehend befreites Kopfprodukt und in ein von mindestens einer tiefersiedenden Komponente weitgehend befreites Sumpfprodukt zerlegt wird, wobei das Sumpfprodukt der ersten Trennstufe in der flüssigen Phase verdichtet und nach einem Wärmeaustausch mit dem Gasgemisch, bei dem ein Teil des Sumpfprodukts verdampft wird, mindestens teilweise in eine zweite Trennstufe mit einer Rektifiziersäule entspannt wird, und wobei in der zweiten Trennstufe eine weitere Zerlegung des Sumpfprodukts erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch in der ersten Trennstufe durch Rektifizieren zerlegt wird, daß der beim Wärmetausch verdampfende Teil des Sumpfprodukts arbeitsleistend entspannt wird, und daß die bei der arbeitsleistenden Entspannung gebildete Flüssigkeit am Kopf der zweiten Trennstufe als Rücklaufflüssigkeit aufgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitsleistende Entspannung auf einen unterhalb des Drucks der zweiten Trennstufe liegenden Druck erfolgt und daß nur die dabei gebildete Flüssigkeit nach Rückverdichtung auf den Druck der zweiten Trennstufe in diese eingespeist wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht verdampfte Anteil des Sumpfprodukts der ersten Trennstufe vor Einspeisung in die zweite Trennstufe gegen abzukühlendes Erdgas teilweise verdampft wird.
4. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem Vorkühlwärmetauscher, von dem eine Leitung zu einem Kondensatabscheider führt, dessen oberer Bereich über eine Leitung mit einem weiteren Wärmetauscher verbunden ist, sowie mit weiteren, teilweise an sich bekannten Bauteilen, gekennzeichnet durch eine dem weiteren Wärmetauscher nachgeschaltete erste Rektifiziersäule, eine mit dem Sumpf der ersten Rektifiziersäule verbundene Flüssigkeitspumpe, eine von der Flüssigkeitspumpe durch den weiteren Wärmetauscher zu einem weiteren Abscheider führenden Leitung, einer mit einem Entspannungsventil versehenen, aus dem unteren Bereich des weiteren Abscheiders in eine zweite Rektifiziersäule führenden Leitung, einer aus dem oberen Bereich des weiteren Abscheiders zu einer Expansionsturbine führenden Leitung und einer von der Expansionsmaschine in die zweite Rektifiziersäule führenden Leitung.
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