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DE102005008059A1 - Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus einer Stickstoff-enthaltenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion - Google Patents

Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus einer Stickstoff-enthaltenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion Download PDF

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DE102005008059A1
DE102005008059A1 DE200510008059 DE102005008059A DE102005008059A1 DE 102005008059 A1 DE102005008059 A1 DE 102005008059A1 DE 200510008059 DE200510008059 DE 200510008059 DE 102005008059 A DE102005008059 A DE 102005008059A DE 102005008059 A1 DE102005008059 A1 DE 102005008059A1
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DE
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nitrogen
hydrocarbon
warmed
rich fraction
fractions
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DE200510008059
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English (en)
Inventor
Heinz Dr. Bauer
Rainer Sapper
Marc Dr. Schier
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus einer Stickstoff-enthaltenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion beschrieben, wobei die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgekühlt, partiell kondensiert, einem Stickstoff-Anreicherungsprozess, aus dem eine erste, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen und angewärmt wird, und einem Stickstoff-Abtrennprozess zugeführt wird, aus dem eine zweite, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen und angewärmt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß DOLLAR A a) wird zumindest zeitweilig der aus dem Stickstoff-Abtrennprozess (T2) abgezogenen, von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (7, 8) vor ihrer Anwärmung (E4, E3, E1) wenigstens ein Teilstrom (11, 10') der ersten angewärmten (E1) Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion und/oder wenigstens ein Teilstrom (10, 10') der zweiten angewärmten (E4, E3, E1), von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zugemischt, DOLLAR A b) wobei der bzw. die zurückgeführten Teilströme (10, 10', 11) vor ihrer Zumischung in dem- oder denjenigen Wärmetauschern (E4, E3, E1) abgekühlt werden, in dem bzw. in denen die von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (7, 8) angewärmt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus einer Stickstoffenthaltenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, wobei die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgekühlt, partiell kondensiert, einem Stickstoff-Anreicherungsprozess, aus dem eine erste, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen und angewärmt wird, und einem Stickstoff-Abtrennprozess zugeführt wird, aus dem eine zweite, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen und angewärmt wird.
  • Die Abtrennung von Stickstoff aus einer Stickstoff-enthaltenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion – wobei es sich bspw. um Erdgas handeln kann – erfolgt in sog. Nitrogen Rejection Units. Dies sind vergleichsweise kompakte Anlagen, die üblicherweise als sog. Cold Box gebaut werden bzw. ausgeführt sind. Die Bewertung derartiger Anlagen erfolgt hierbei im Regelfall über ihren Energieverbrauch.
  • Stickstoff-Abtrennprozesse – wie vorstehend beschrieben – haben grundsätzlich Probleme mit niedrigen Stickstoff-Konzentrationen in der zu reinigenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion. Dies hat zur Folge, dass oftmals die geforderten Produktreinheiten – also der Stickstoffgehalt des Salesgases sowie der Methangehalt des Stickstoffes – nicht eingehalten werden können.
  • Beträgt der Stickstoffgehalt weniger als 20 bis 25 %, wird dem Stickstoff-Abtrennprozess im Regelfall ein sog. Stickstoff-Anreicherungsprozess in Form einer Anreicherungssäule vorgeschaltet. Dadurch kann die Stickstoff-Konzentration in der dem Stickstoff-Abtrennprozess zugeführten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion auf Werte von mehr als 25 % erhöht werden. Diese Verfahrensweise eignet sich insbesondere für Prozesse, bei denen die Stickstoff-Konzentration im Rohgas nicht variiert. In derartigen Fällen wird der Stickstoff-Abtrennprozess für eine definierte Rohgaszusammensetzung optimiert und ausgelegt.
  • Problematisch ist ferner eine Situation, bei der die Stickstoff-Konzentration über die Zeit im Einsatz- bzw. Rohgas schwankt, insbesondere ansteigt. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn eine Stickstoff-Verpumpung (Enhanced Oil Recovery) einen zeitlichen Anstieg des Stickstoffgehaltes im Erdgas verursacht.
  • Bei der vorbeschriebenen Stickstoff-Verpumpung kann durch Einbringen des künstlich zugeführten Stickstoffes der Stickstoffgehalt in einem Erdgasstrom kontinuierlich von sehr geringen Werten bis annähernd 50 % ansteigen.
  • In diesen Fällen durchläuft bei konstanter Menge der Einsatzfraktion der flüssige, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Strom, der aus dem Stickstoff-Abtrennprozess abgezogen wird, bei seinem Verdampfen einen Lastbereich, der von einem Wärmetauscher nicht mehr abgedeckt werden kann. Dies hat zur Folge, dass die Strömungsverhältnisse der anzuwärmenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion in dem- bzw. denjenigen Wärmetauschern, in denen sie verdampft wird, nicht mehr stabil sind. Dadurch kann die Betreibbarkeit der Anlage, im Extremfall sogar die mechanische Festigkeit des bzw. der betroffenen Wärmetauscher gefährdet werden. Da bei gattungsgemäßen Verfahren im Regelfall als Wärmetauscher Plattentauscher vorgesehen sind und die Verdampfung von unten nach oben stattfindet, verschärft sich die vorbeschriebene Problematik noch.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus einer Stickstoff-enthaltenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das die vorgenannten Probleme löst.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus einer Stickstoff-enthaltenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • a) zumindest zeitweilig der aus dem Stickstoff-Abtrennprozess abgezogenen, von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor ihrer Anwärmung wenigstens ein Teilstrom der ersten angewärmten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion und/oder wenigstens ein Teilstrom der zweiten angewärmten, von Stickstoff befreite n, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zugemischt wird,
    • b) wobei der bzw. die zurückgeführten Teilströme vor ihrer Zumischung in dem- oder denjenigen Wärmetauschern abgekühlt werden, in dem bzw. in denen die von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion angewärmt wird.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr der aus dem Stickstoff-Abtrennprozess abgezogenen, von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zumindest dann, wenn dies erforderlich ist, ein Teilstrom der ersten und/oder zweiten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zugemischt, wobei der bzw. die zurückgeführten. Teilströme vor der Zumischung durch den- bzw. diejenigen Wärmetauscher geführt werden, in dem bzw. denen die Strömungsverhältnisse der anzuwärmenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion – ohne Zumischung des bzw. der zurückgeführten Teilströme – nicht stabil wäre. Durch die erfindungsgemäße Rückführung und Zumischung können somit Menge und Zusammensetzung des anzuwärmenden Kohlenwasserstoff-reichen Stromes derart eingestellt werden, dass die kritischen Verdampfungspassagen zu jedem Zeitpunkt optimal belastet sind. Im Ergebnis ermöglicht die erfindungsgemäße Verfahrensweise somit zu jedem Zeitpunkt einen optimalen, zumindest jedoch ausreichend guten Betrieb des oder der Wärmetauscher.
  • Welcher der vorgenannten Teilströme für die Rückführung und Zumischung zu der aus dem Stickstoff-Abtrennprozess abgezogenen Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion gewählt wird – oder ob gar die Teilströme beider Fraktionen zurückgeführt und zugemischt werden – ist im Wesentlichen abhängig von der Zusammensetzung des Rohgases, also der von Stickstoff zu befreienden, Kohlenwasserstoff-reichen (Einsatz)Fraktion. Insbesondere ist der Gehalt an denjenigen Kohlenwasserstoffen, die schwerer als Methan sind, von Bedeutung. Sofern dieser Gehalt mehr als 3 Vol.-% beträgt, wird vorzugsweise ein Teilstrom der zweiten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zurückgeführt. Im Falle eines sehr mageren Rohgases, also eines Gases mit einem sehr niedrigen Gehalt an C2+-Kohlenwasserstoffen, wird bevorzugt ein Teilstrom der ersten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion in der beschriebenen Weise zurückgeführt.
    •
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen von Stickstoff aus einer Stickstoff-enthaltenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sind:
    • – Möglichkeit der Variierung der Menge(n) des bzw. der zurückgeführten Teilströme der ersten und/oder der zweiten angewärmten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion.
    • – Ein- oder mehrstufige Verdichtung der zweiten, angewärmten, von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion.
    • – Pumpen der aus dem Stickstoff-Abtrennprozess abgezogenen, von Stickstoff befreiten, zweiten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, vorzugsweise vor deren Anwärmung.
    • – Aufteilen der zweiten, von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor deren Anwärmung und Anwärmen und Verdampfen der Teilströme bei unterschiedlichen Drücken; anschließendes Zuspeisen der Teilströme während der Verdichtung auf einem passendem bzw. auf passenden Zwischendrücken.
    • – Pumpen der ersten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, vorzugsweise vor deren Anwärmung.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren sowie weitere Ausgestaltungen desselben, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, seien anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die über Leitung 1 herangeführte Stickstoff-enthaltende, Kohlenwasserstoff-reiche Einsatzfraktion, die ggf. vorbehandelt und einer Verdichtung unterworfen wurde, wird im Wärmetauscher E1 gegen anzuwärmende Verfahrensströme, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, abgekühlt. Im Wärmetauscher E2 erfolgt eine weitere Abkühlung der Einsatzfraktion gegen den Heizstrom 12 der Stickstoff-Anreicherungskolonne T. Über Leitung 1' wird die Einsatzfraktion anschließend dem Wärmetauscher E3 zugeführt, in diesem weiter abgekühlt, dabei partiell kondensiert und über Leitung 2 und Entspannungsventil a der Stickstoff-Anreicherungskolonne T zugeführt.
  • Aus dem Sumpf der Stickstoff-Anreicherungskolonne T wird über Leitung 9 eine erste flüssige von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion – nachfolgend als erste Salesgasfraktion bezeichnet – abgezogen, mittels einer sog. "kalten Pumpe" P1 auf den gewünschten Abgabedruck gepumpt und anschließend im Wärmetauscher E1 gegen die abzukühlende Einsatzfraktion angewärmt und verdampft. Die verdampfte erste Salesgasfraktion wird sodann über Leitung 9' der zweiten Salesgasfraktion, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, in Leitung 8' zugeführt. Die so vereinigten Salesgasfraktionen werden nach einer Verdichtung V2 auf den gewünschten Abgabedruck über Leitung 8'' als Salesgas aus dem Prozess abgegeben.
  • Am Kopf der Stickstoff-Anreicherungskolonne T wird über Leitung 3 eine gasförmige, Stickstoff-enthaltende, C1-reiche Fraktion abgezogen, im Wärmetauscher E4 weiter abgekühlt und anschließend über Leitung 3' und Entspannungsventil b in die Hochdruckkolonne T1 der Doppelkolonne T1/T2 eingespeist.
  • Aus dem Sumpf der Hochdruckkolonne T1 wird über Leitung 4 eine N2/C1-reiche Fraktion abgezogen und nach einer Abkühlung im Wärmetauscher E4 über Leitung 4' und Entspannungsventil c der Niederdruckkolonne T2 aufgegeben. Am Kopf der Hochdruckkolonne T1 wird über Leitung 5 eine N2-reiche Fraktion abgezogen, im Wärmetauscher E5 gegen die über Leitung 6 aus dem Kopf der Niederdruckkolonne T2 abgezogene Stickstoff-Fraktion abgekühlt, zumindest teilweise verflüssigt und anschließend über Leitung 5' und Ventil d in den oberen Bereich der Niederdruckkolonne T2 entspannt.
  • Die bereits erwähnte, über Leitung 6 aus dem Kopf der Niederdruckkolonne T2 abgezogene Stickstoff-reiche Fraktion wird in den Wärmetauschern E5, E4, E3 und E1 gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und anschließend über Leitung 6' aus dem Prozess abgezogen.
  • Aus dem unteren Bereich der Niederdruckkolonne T2 wird über Leitung 7 eine zweite, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion – nachfolgend als zweite Salesgasfraktion bezeichnet – abgezogen und mittels der Pumpe P2 auf einen Druck, den der Temperaturverlauf in den Wärmetauschern E4, E3 und E1 erlaubt, gepumpt. Nach ihrer Anwärmung und Verdampfung in den Wärmetauschern E4, E3 und E1 wird die zweite Salesgasfraktion einer ein- oder mehrstufigen Verdichtung V1 unterworfen und – wie bereits erläutert – mit der ersten Salesgasfraktion vereinigt.
  • In der Figur nicht dargestellt ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die vorbeschriebene zweite, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion in zwei Teilströme aufgeteilt wird und diese in den Wärmetauschern E4, E3 und E1 bei unterschiedlichen Drücken angewärmt und verdampft werden. Anschließend werden diese Teilströme vorzugsweise während der Verdichtung auf einem passendem bzw. auf passenden Zwischendrücken wieder vereinigt.
  • Erfindungsgemäß wird nunmehr zumindest zeitweilig ein Teilstrom der ersten Salesgasfraktion – über die Leitungsabschnitte 11 und 10' – oder ein Teilstrom der zweiten Salesgasfraktion – über die Leitungsabschnitte 10 und 10' – der aus dem unteren Bereich der Niederdruckkolonne T2 über Leitung 7 abgezogenen, von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zugeführt. Denkbar ist selbstverständlich auch, dass der letztgenannten Fraktion eine Kombination aus den Teilströmen beider Salesgasfraktionen zugeführt wird.
  • Im Leitungsabschnitt 10' ist ein Entspannungsventil e, in dem die zurückgeführte(n) Salesgasfraktion(en) auf den in der Leitung 7 herrschenden Druck entspannt wird/werden, vorgesehen. Der bzw. die zurückzuführenden Teilströme werden erfindungsgemäß in den Wärmetauschern E1, E3 und E4, in denen die über Leitung 7 abgezogene Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion angewärmt und verdampft wird, abgekühlt und partiell kondensiert.
  • Durch das Vorsehen von in der Figur nicht dargestellten Regelventilen in den Leitungsabschnitten 10 und 11 können die Mengenströme der zurückgeführten Salesgasteilströme entsprechend den Anforderungen eingestellt und geregelt werden.
  • Durch die Rückführung und Zumischung des Teilstromes wenigstens einer Salesgasfraktion kann der Mengenstrom der in den Wärmetauschern E4, E3 und E1 zu verdampfenden Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion im Wesentlichen konstant gehalten werden, so dass die eingangs erläuterten Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können.

Claims (7)

  1. Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus einer Stickstoff-enthaltenden, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, wobei die Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgekühlt, partiell kondensiert, einem Stickstoff-Anreicherungsprozess, aus dem eine erste, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen und angewärmt wird, und einem Stickstoff-Abtrennprozess zugeführt wird, aus dem eine zweite, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen und angewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass a) zumindest zeitweilig der aus dem Stickstoff-Abtrennprozess (T2) abgezogenen, von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (7, 8) vor ihrer Anwärmung (E4, E3, E1) wenigstens ein Teilstrom (11, 10') der ersten angewärmten (E1) Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion und/oder wenigstens ein Teilstrom (10, 10') der zweiten angewärmten (E4, E3, E1), von Stickstoff befreiten, Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion zugemischt wird, b) wobei der bzw. die zurückgeführten Teilströme (10, 10', 11) vor ihrer Zumischung in dem- oder denjenigen Wärmetauschern (E4, E3, E1) abgekühlt werden, in dem bzw. in denen die von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (7, 8) angewärmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge(n) des bzw. der zurückgeführten Teilströme (10, 10', 11) der ersten und/oder der zweiten angewärmten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion variierbar sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite, angewärmte (E4, E3, E1), von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion ein- oder mehrstufig verdichtet wird (V1, V2).
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem Stickstoff-Abtrennprozess (T2) abgezogene, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (7, 8) gepumpt wird (P2).
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Stickstoff-Abtrennprozess (T2) abgezogene, von Stickstoff befreite, Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (7, 8) auf wenigstens zwei Teilströme aufgeteilt wird und diese bei unterschiedlichen Drücken angewärmt und verdampft werden (E4, E3, E1).
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei unterschiedlichen Drücken angewärmten und verdampften Teilströme während der Verdichtung (V1, V2) auf einem passendem bzw. auf passenden Zwischendrücken vereinigt werden.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (9) gepumpt wird (P1).
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