DE3531307A1 - Verfahren zur abtrennung von c(pfeil abwaerts)2(pfeil abwaerts)(pfeil abwaerts)+(pfeil abwaerts)-kohlenwasserstoffen aus erdgas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von C_{2 +}-Kohlenwasserstoffen aus unten erhöhtem Druck stehen­ dem Erdgas, bei dem das Erdgas abgekühlt, partiell kondensiert und in eine flüssige sowie eine gasförmige Fraktion getrennt wird und die flüssige Fraktion unter­ kühlt und dann in den oberen Bereich einer Rektifizier­ säule entspannt sowie die gasförmige Fraktion nach einer arbeitsleistenden Entspannung ebenfalls in die Rekti­ fiziersäule geführt wird und bei der Rektifikation ein im wesentlichen C_{2 +}-Kohlenwasserstoffe enthaltender Pro­ duktstrom sowie ein überwiegend leichter siedende Kompo­ nenten enthaltendes Restgas, das durch Wärmetausch mit abzukühlendem Erdgas wieder erwärmt wird, gewonnen wird.

Bei einem derartigen Expanderverfahren zur C₂₊-Abtren­ nung aus Erdgas wird die für die Erreichung einer hohen Aus­ beute an C₂₊-Kohlenwasserstoffe benötigte Spitzenkälte dadurch erzeugt, daß die nach der partiellen Konden­ sation des Erdgases verbleibende Gasphase arbeits­ leistend entspannt wird. Dabei tritt zwangsläufig eine große Temperaturdifferenz zwischen dem Eintritt und dem Aus­ tritt der Turbine am kalten Ende des Zerlegungsprozesses auf. Günstige Verfahrensführungen liegen deshalb dann vor, wenn die große Temperaturdifferenz, die durch die kälte­ leistende Entspannung erzeugt wird, dort wirksam eingesetzt wird, wo sie eine optimale Ausbeuteerhöhung verursacht.

In der US-PS 41 40 504 ist ein Verfahren der eingangs ge­ nannten Art beschrieben, bei dem ein Teil der nach der partiellen Kondensation verbleibenden Gasphase nicht kälte­ leistend entspannt wird, sondern der flüssigen Phase wie­ der zugemischt wird und mit dieser zusammen weiter gegen kalte Gase abgekühlt wird. Dadurch wird der Flüssiganteil des auf den Kopf der Rektifiziersäule als Rücklauf aufge­ gebenen Stroms erhöht, wodurch in der Rektifiziersäule relativ mehr Lösungsmittel für C_{2 +}-Kohlenwasserstoffe zur Verfügung stehen. Nachteilig an dieser Schaltung ist je­ doch, daß der in der Expansionsturbine arbeitsleistend entspannte Strom und damit die gewonnene Gesamtarbeit verringert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß eine hohe C_{2 +}-Ausbeute bei gleichzeitiger hoher Arbeitslei­ stung durch die Entspannung der gasförmigen Fraktion erreicht wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Restgas vor dem Wärmetausch mit dem abzukühlenden Erdgas in Wärme­ tausch mit der nach der partiellen Kondensation an­ fallenden gasförmigen Fraktion tritt und die dabei aus der gasförmigen Fraktion zusätzlich auskondensierenden Komponenten vor der arbeitsleistenden Entspannung der gasförmigen Fraktion abgetrennt werden.

Im Gegensatz zu dem aus der US-PS 41 40 504 bekannten Ver­ fahren wird damit erfindungsgemäß auf die Rückmischung eines Teils der gasförmigen Fraktion mit der flüssigen Fraktion verzichtet. Die Kondensation der C_{2 +}-Kohlen­ wasserstoffe aus der gasförmigen Fraktion wird nicht durch Erhöhung der spezifischen Lösungsmittelmenge, son­ dern durch einen zusätzlichen Wärmetausch bewirkt. In diesem Wärmetausch wird die bei der arbeitsleistenden Entspannung erzeugte Temperaturdifferenz zum vorwiegen­ den Teil wirksam. Durch sie wird eine rektifikatorische Vortrennung betrieben, die die C_{2 +}-Menge in der Flüssig­ zuspeisung zur Rektifiziersäule erhöht und/oder die C_1--Menge entsprechend erniedrigt.

In einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Wärmetausch des Restgases mit der gasförmigen Fraktion innerhalb des Abscheiders, in dem der bei der Vorkühlung kondensierte Teil des Erdgases von der gasförmig verbliebenen Fraktion getrennt wird, durchgeführt. Dieser Abscheider ist dann als eine einfache Kolonne mit mindestens zwei Gleichgewichts­ stufen ausgebildet, wobei das partiell kondensierte Erdgas in den unteren Bereich der Kolonne eingespeist und der Wärmetausch zwischen dem Restgas und der gas­ förmigen Fraktion im oberen Bereich der Kolonne er­ folgt. Bei einer solchen Verfahrensführung ist gegen­ über einem üblichen Verfahren lediglich ein zusätz­ licher Wärmetauscher im oberen Bereich des Abscheiders erforderlich, gegenüber dem aus der US-PS 41 40 504 bekannten Verfahren entfallen jedoch eine Verteilungs­ einrichtung für die gasförmige Fraktion aus dem Ab­ scheider und eine Zweisphasenzuspeisung für den Wärme­ tauscher, in dem die flüssige Fraktion mit dem zuge­ mischten Teil der gasförmigen Fraktion verflüssigt und unterkühlt wird.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Restgas vor dem Wärmetausch mit der gasförmigen Fraktion gegen die zu unterkühlende flüssige Fraktion an­ gewärmt. Damit gibt das bei der tiefsten Verfahrens­ temperatur am Kopf der Rektifiziersäule austretende Rest­ gas seine Spitzenkälte zunächst zur Unterkühlung der flüssigen Fraktion ab und wird danach zur Kondensation weiterer C_{2 +}-Komponenten aus der gasförmigen Fraktion herangezogen, bevor es in Wärmetausch mit partiell zu kondensierendem Erdgas tritt. Die am kalten Ende des Wärmetauschers für die partielle Kondensation des Erd­ gases auftretenden Temperaturdifferenzen und damit die Kälteverluste des Verfahrens sind dadurch besonders gering.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die gasförmige Fraktion, nachdem sie in Wärmetausch mit dem Restgas getreten ist, vor ihrer arbeitsleisten­ den Entspannung gegen abzukühlendes Erdgas teilweise wieder angewärmt. Die auf den Druck der Rektifizier­ säule entspannte gasförmige Fraktion wird dann an einer Stelle in die Rektifiziersäule eingeführt, die unterhalb der Einspeisestelle für die entspannte unterkühlte flüssige Fraktion liegt.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens wird das Restgas nach dem Wärmetausch mit der gasförmigen Fraktion durch Wärme­ tausch mit abzukühlendem Erdgas bis auf etwa die Eintrittstemperatur des Erdgases angewärmt, dann zur Deckung des Kältebedarfs in der Vorkühlung arbeits­ leistend entspannt und erneut gegen abzukühlendes Erdgas bis auf etwa die Eintrittstemperatur des zu zerlegenden Erdgases angewärmt. Nachdem das arbeits­ leistend entspannte Restgas so zur Deckung des für die Vorkühlung benötigten Kältebedarfs beigetragen hat, kann es bei Bedarf auf einen erhöhten Abgabedruck ver­ dichtet werden, wozu beispielsweise auf die bei der arbeitsleistenden Entspannung des Restgases selbst und/ oder der gasförmigen Fraktion gewonnene Energie zurück­ gegriffen werden kann.

Eine Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens enthält im wesentlichen mindestens einen Wärme­ tauscher zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Erdgases gegen anzuwärmende Verfahrensströme, einen Abscheider zur Kondensationstrennung, eine Expansions­ turbine zur Entspannung der gasförmigen Fraktion, einen Wärmetauscher zur Unterkühlung der flüssigen Fraktion sowie eine Rektifiziersäule zur Zerlegung der gasför­ migen und der unterkühlten flüssigen Fraktionen und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheider im unte­ ren Bereich eine Zuführungsleitung für partielle konden­ siertes Erdgas und im oberen Bereich einen Wärme­ tauscher aufweist, der einerseits mit einer vom Kopf der Rektifiziersäule kommenden Restgasleitung und andererseits mit einer zum Austrittsende des für die partielle Kondensation eingesetzten Wärmetauschers führende Leitung verbunden ist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.

In der Figur wird über Leitung 1 ein Erdgas, das 85,0% (Prozentangaben beziehen sich jeweils auf Mol-%) Methan, 6,8% Ethan, 5,3% C_{3 +}-Kohlenwasserstoffe, 2,7% Stick­ stoff und 0,2% Kohlendioxid enthält, bei einer Tempera­ tur von 300 K zunächst einem Wärmetauscher 2 zugeführt und einer ersten partiellen Kondensationsstufe unter­ worfen. Das partiell kondensierte Gas wird einem Abschei­ der 3 einem Druck von 50 bar aufgegeben. Das Konden­ sat wird über Leitung 4 abgezogen, im Ventil 5 auf einen Druch von 19 bar entspannt und nach Abwärmung auf 213 K im Wärmetausche 6 gegen abzukühlende Verfahrensströme in den mittleren Bereich einer Rektifiziersäule 7 einge­ speist. Dieses Kondensat enthält 56,0% Methan, 17,9% Ethan, 25,3% C_{3 +}-Kohlenwasserstoffe sowie 0,6% Stickstoff und 0,2% Kohlendioxid. Die Gasphase aus dem Abschneider 3 wird über Leitung 8 abgezogen, im Wärmetauscher 6 auf 199 K abgekühlt, wobei weitere Komponenten kondensieren, und dann in einen zweiten Abscheider 9 eingespeist. Das im Abscheider 9 anfal­ lende Kondensat enthält 87,4% Methan, 8,0% Ethan, 2,5% C_{3 +}-Kohlenwasserstoffe, 1,9% Stickstoff und 0,2% CO. Es wird über Leitung 10 einem Wärmetauscher 11 zugeführt und gegen Kopfprodukt der Rektifiziersäule 7 auf 167 K unterkühlt, danach im Ventil 19 auf 19 bar entspannt und über Leitung 20 als Rücklaufflüssigkeit auf den Kopf der Rektifiziersäule 7 aufgegeben.

Im oberen Bereich des Abscheiders 9 ist ein Wärmetau­ scher 21 vorgesehen, durch den über Leitung 22 vom Kopf der Rektifiziersäule 7 abgezogene Gas, nach­ dem es im Wärmetauscher 11 gegen Kondensat aus dem Abscheider 9 bereits auf 185 K angewärmt wurde, geführt wird und dabei gegen die Gasphase im Abscheider 9 wei­ ter auf 197 K angewärmt wird. Die gasförmige Fraktion aus dem Abscheider 9 wird über Leitung 23 abgezogen, im Wärmetauscher 6 auf 213 K angewärmt, danach über Lei­ tung 24 einer Expansionsturbine 25 zugeführt und darin auf einen Druck von 19 bar entspannt. Dabei kühlt sich das Gas auf 172 K ab, bevor es über Leitung 26 in die Rektifiziersäule 7 eingespeist wird. Dieses Gas enthält 93,4% Methan, 2,4% Ethan, 0,2% C_{3 +}-Kohlenwasserstoffe, 3,9% Stickstoff und 0,1% Kohlendioxid.

Die Rektifiziersäule 7 wird in einem Temperaturbereich zwischen 166 K am Kopf und 281 K im Sumpf betrieben. Die Produktfraktionen werden vom Kopf bzw. vom Sumpf der Säule bei einem Druck von 18 bar abgezogen. Die über Leitung 22 vom Kopf abgezogene C_{1 -}-Fraktion enthält 96,4% Methan, 3,1% Stickstoff und daneben lediglich noch 0,5% Ethan. Nachdem dieses Gas in der schon be­ schriebenen Weise in den Wärmetauschern 11 und 21 auf 197 K angewärmt wurde, wird es weiterhin über Lei­ tung 27 durch den Wärmetauscher 6 geführt, dabei auf 213 K angewärmt und schließlich im Wärmetauscher 2 auf 300 K angewärmt und danach einer Expansionsturbine 28 zugeführt, in der es kälteleistend auf einen Druck von 9 bar entspannt wird. Dieses kalte Gas wird anschließend wieder im Wärmetauscher 2 gegen abzukühlende Verfah­ rensströme auf etwa 300 K angewärmt und wird schließlich über Leitung 29 einem Verdichter 30 sowie danach über Leitung 31 einem weiteren Verdichter 32 zugeführt, um schließlich bei einem Druck von etwa 12,4 bar über Lei­ tung 33 als Produktstrom abgezogen zu werden. Ein Wärme­ tauscher 34 ist für die Abführung der bei der Verdichtung anfallenden Kompressionswärme vorgesehen. Die Verdich­ ter 30 und 32 werden über Wellen 35 bzw. 36 von den Expansionsturbinen 28 bzw. 25 angetrieben, so daß für die Rückverdichtung des methanreichen C_{1 -}-Gases keine zusätz­ liche Energie erforderlich ist.

Im Sumpf der Rektifiziersäule 7 wird über Leitung 37 eine C_{2 +}-Fraktion abgezogen, die 53,4% Methan, 44,6% C_{3 +}- Kohlenwasserstoffe und daneben lediglich 1,0% Methan und 1,0% Kohlendioxid enthält. Dieser Strom enthält 96,5% der über Leitung 1 in den Zerlegungsprozeß eingeführten C_{2 +}-Kohlenwasserstoffe. Der Produktstrom wird durch eine Pumpe 38 auf einen erhöhten Druck von 30 bar gepumpt und dann über Leitung 39 einem Verbraucher zugeführt.

Im unteren Bereich der Rektifiziersäule 7 sind zwei Kamin­ böden 40, 41 angeordnet. Oberhalb dieser Böden wird je­ weils Flüssigkeit über Leitung 42 bzw. 43 abgezogen und im Wärmetauscher 2 angewärmt. Die aus dem höheren Kamin­ boden 40 abgezogene Flüssigkeit in Leitung 42 wird dabei durch den kälteren Teil des Wärmetauschers 2 zugeführt, während die über Leitung 43 aus dem tieferliegenden Kaminboden 41 abgezogene Flüssigkeit durch den wärmeren Teil des Wärmetauschers 2 geführt wird. Die angewärmten Flüssigkeiten werden jeweils unterhalb des zugehörigen Kaminbodens wieder in die Rektifiziersäule 7 eingeführt. Dadurch wird die nötige Zwischenheizung der Säule 7 mit der Kälteversorgung für den Wärmetauscher 2 gekoppelt.

Zur Durchführung des Verfahrens wird keine Fremdkälte benötigt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Abtrennung von C_{2 +}-Kohlenwasserstoffen aus unter erhöhtem Druck stehenden Erdgas, bei dem das Erdgas abgekühlt, partiell kondensiert und in eine flüssige sowie eine gasförmige Fraktion getrennt wird und die flüssige Fraktion unterkühlt und dann in den oberen Bereich einer Rektifiziersäule entspannt sowie die gasförmige Fraktion nach einer arbeitsleistenden Entspannung ebenfalls in die Rektifiziersäule ge­ führt wird und bei der Rektifikation ein im wesent­ lichen C_{2 +}-Kohlenwasserstoffe enthaltender Produkt­ strom sowie ein überwiegend leichter siedende Kompo­ nenten enthaltendes Restgas, das durch Wärmeaustausch mit abzukühlendem Erdgas wieder erwärmt wird, gewon­ nen wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Restgas vor dem Wärmetausch mit dem abzukühlenden Erdgas in Wärmetausch mit der nach der partiellen Kondensa­ tion anfallenden gasförmigen Fraktion tritt und die dabei aus der gasförmigen Fraktion zusätzlich aus­ kondensierenden Komponenten vor der arbeitsleistenden Entspannung der gasförmigen Fraktion abgetrennt wer­ den.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetausch zwischen dem Restgas und der gasförmi­ gen Fraktion innerhalb einer Kolonne mit mindestens zwei Gleichgewichtsstufen erfolgt, in der auch die Abtrennung der bei der partiellen Kondensation gebilde­ ten flüssigen Fraktion durchgeführt wird, wobei das partiell kondensierte Erdgas in den unteren Bereich der Kolonne eingespeist und der Wärmetausch zwischen dem Restgas und der gasförmigen Fraktion im oberen Bereich der Kolonne erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Restgas vor dem Wärmetausch mit der gasförmigen Fraktion gegen die zu unterkühlende flüssige Fraktion angewärmt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Fraktion vor ihrer arbeitsleistenden Entspannung gegen abzu­ kühlendes Erdgas teilweise wieder erwärmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Restgas durch den Wärme­ tausch mit abzukühlendem Erdgas bis auf etwa die Eintrittstemperatur des Erdgases angewärmt, dann einer arbeitsleistenden Entspannung unterzogen und danach erneut gegen abzukühlendes Erdgas bis auf etwa die Eintrittstemperatur des zu zerlegenden Erdgases angewärmt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das arbeitsleistend entspannte und wieder erwärmte Restgas durch bei der arbeitsleistenden Entspannung des Restgases und/oder der gasförmigen Fraktion ge­ wonnene Energie auf einen höheren Druck verdichtet wird.

7. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit mindestens einem Wärmetau­ scher zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Erdgases gegen anzuwärmende Verfahrensströme, mit einem Abscheider zur Kondensatabtrennung, einer Expansionsturbine zur Entspannung der gasförmigen Fraktion, einem Wärmetauscher zur Unterkühlung der flüssigen Fraktion sowie einer Rektifiziersäule zur Zerlegung der gasförmigen und der unterkühlten flüssigen Fraktionen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abscheider im unteren Bereich eine Zuführungs­ leitung für partiell kondensiertes Erdgas und im oberen Bereich einen Wärmetauscher aufweist, der einerseits mit einer vom Kopf der Rektifiziersäule kommenden Restgasleitung und andererseits mit einer zum Austrittsende des für die partielle Konden­ sation eingesetzten Wärmetauschers führenden Lei­ tung verbunden ist.