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DE102007010032A1 - Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus verflüssigtem Erdgas - Google Patents

Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus verflüssigtem Erdgas Download PDF

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DE102007010032A1
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rich fraction
stripping column
natural gas
nitrogen
partial stream
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Withdrawn
Application number
DE102007010032A
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English (en)
Inventor
Heinz Dr. Bauer
Hubert Dr. Franke
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
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Publication date
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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen einer N<SUB>2</SUB>-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere aus verflüssigtem Erdgas, beschrieben, bei dem die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion nach ihrer Verflüssigung und Unterkühlung einer Stripkolonne, der der Abtrennung der N<SUB>2</SUB>-reichen Fraktion dient, zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird ein erster Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (2, 2') der Stripkolonne (S) als Rücklauf aufgegeben, während ein zweiter Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3, 3') dem Sumpf der Stripkolonne (S) zugeführt wird, wobei der zweite Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3, 3') eine höhere Temperatur als der erste Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (2, 2') aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen einer N2-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere aus verflüssigtem Erdgas, wobei die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion nach ihrer Verflüssigung und Unterkühlung einer Stripkolonne, die der Abtrennung der N2-reichen Fraktion dient, zugeführt wird.
  • Gattungsgemäße Verfahren zum Abtrennen einer N2-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion kommen insbesondere bei der Verflüssigung von Erdgas zur Anwendung. Das mittels zum Stand der Technik zählender Verflüssigungsverfahren gewonnene verflüssigte Erdgas (LNG) darf typischerweise nur einen Stickstoff-Gehalt von maximal 1 Vol.-% aufweisen. Liegt der Stickstoff-Gehalt über diesem Grenzwert, ist im Regelfall ein Abtrennen der in dem verflüssigten Erdgas unzulässigen Stickstoffmenge erforderlich.
  • Diese Stickstoff-Abtrennung erfolgt üblicherweise durch eine Druckentlastung des unter Druck verflüssigten Erdgases, wobei durch eine im Hinblick auf die Temperatur und den Druck des verflüssigten Erdgases geeignete Wahl des Ausgangszustandes vor der Entspannung und des Druckes nach der Entspannung eine gezielte Ausgasung des verflüssigten Erdgases erreicht wird. Über die dabei entstehende Gasphase wird der in der Flüssigphase – bei dieser handelt es sich um das gewünschte LNG-Produkt – unerwünschte Stickstoff abgeführt.
  • Bei dieser Verfahrensweise besteht jedoch das Problem, dass abhängig vom Siedegleichgewicht die mit dem zu entfernenden Stickstoff ausgasende Methan-Menge unerwünscht hoch ist. Um diesen Nachteil zu vermeiden, kommen gattungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff aus verflüssigtem Erdgas zur Anwendung, bei denen durch das Vorsehen einer Stripkolonne Stickstoff selektiver abgereichert werden kann und gleichzeitig die unerwünschten Verluste an Methan in die abzureichernde Stickstoff-reiche Fraktion verringert werden können. Ein derartiges gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen einer Stickstoff-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion ist beispielsweise dem US-Patent 5,893,274 zu entnehmen.
  • Bei der vorgenannten Verfahrensweise wird die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion nach ihrer Entspannung zweiphasig auf den Kopf der Stripkolonne aufgegeben. Der Sumpf der Stripkolonne wird mit der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor ihrer Entspannung im indirekten Wärmetausch über einen Reboiler bzw. Aufkocher beheizt. Die im Sumpf der Stripkolonne anfallende Flüssigfraktion stellt das gewünschte LNG-Produkt dar, während die am Kopf der Stripkolonne abgezogene Stickstoff-reiche Gasfraktion in der Regel nurmehr als Brenngas Verwendung findet.
  • Von Nachteil bei dieser Verfahrensweise ist jedoch, dass ein Wärmetauscher bzw. Reboiler, der die Beheizung des Sumpfes der Stripkolonne dient, benötigt wird. Dieser ist insbesondere bei instationären Bedingungen, wie Anfahren des Stripprozesses oder Anlagenausfall, hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Kommt es zu einem Versagen dieses Bauteiles führt dies im Regelfall zu einem vollständigen Anlagenstillstand, der sich über einen inakzeptablen langen Zeitraum – bis hin zu einigen Wochen – hinziehen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen einer N2-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion anzugeben, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen einer N2-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein erster Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion der Stripkolonne als Rücklauf aufgegeben wird, während ein zweiter Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion dem Sumpf der Stripkolonne zugeführt wird, wobei der zweite Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion bei Verflüssigungsdruck eine höhere Temperatur als der erste Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoffreichen Fraktion aufweist.
  • Erfindungsgemäß dient nunmehr ein Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoffreichen Fraktion selbst als Sumpfheizung für die Stripkolonne. Dies macht das Vorsehen eines zusätzlichen Wärmetauschers bzw. Reboilers, wie er im Stand der Technik erforderlich ist, überflüssig. Sämtliche mit diesem Bauteil verbundenen Nachteile entfallen folglich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren. Von Nachteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist jedoch, dass der Energieverbrauch des gewählten Verflüssigungsprozesses geringfügig ansteigt.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen einer N2-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, die Gegenstand der abhängigen Patentansprüche sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – der erste und/oder der zweite Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoffreichen Fraktion vor der Zuführung in die Stripkolonne einer Entspannung, vorzugsweise einer Entspannung in einem Flüssigkeitsexpander unterworfen wird bzw. werden,
    • – die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion vor der Entspannung auf den Druck der Stripkolonne zwischen 40 und 100°C, vorzugsweise zwischen 60 und 80°C beträgt,
    • – der der Stripkolonne als Rücklauf aufgegebene erste Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion einen Gasanteil von höchstens 80 Vol.-% aufweist, typischerweise einen Dampfanteil nach der Entspannung von 20 Vol.-%, vorzugsweise 10 Vol.-% aufweist,
    • – das Mengenverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrom der der Stripkolonne zugeführten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion veränderbar ist und
    • – zusätzlich zu dem zweiten Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoffreichen Fraktion wenigstens ein weiterer Methan- oder Stickstoff-reicher Strom dem Sumpf der Stripkolonne zugeführt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen einer N2-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Verfahrensbeispieles näher erläutert.
  • Der zu verflüssigende Kohlenwasserstoff-reiche Strom – im Folgenden nunmehr als Erdgas(strom) bezeichnet –, der unter einem Druck zwischen 30 und 120 bar vorliegt, wird über Leitung 1 einem Verflüssigungsprozess zugeführt. Dieser Verflüssigungsprozess ist in der Figur lediglich in schematisierter Form dargestellt, und zwar in Form zweier Wärmetauscherbereiche E1 und E2 sowie einer Black-Box R, die für die Bestandteile eines oder mehrerer Kältemittel- und/oder Kältemittelgemischkreisläufe stehe. Die erfindungsgemäße Verfahrensweise ist grundsätzlich mit allen bekannten Verflüssigungsverfahren kombinierbar.
  • Bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt im Wärmetauscher E1 eine Verflüssigung sowie ggf. eine geringfügige Unterkühlung des zu verflüssigenden Erdgasstromes gegen einen Kältemittel(gemisch)Strom, der über Leitung 4 durch den Wärmetauscher E1 geführt wird. Sofern das Erdgas überkritisch vorliegt – dies ist in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Erdgases ab ca. 60 bar der Fall – erfolgt jedoch streng genommen keine Verflüssigung und Unterkühlung mehr, sondern vielmehr eine Dichteerhöhung mittels Abkühlung.
  • Der verflüssigte und ggf. leicht unterkühlte Erdgasstrom wird über Leitung 1' aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen und in zwei Teilströme 2 und 3 aufgeteilt.
  • Der erste Teilstrom wird im Wärmetauscher E2 gegen den über Leitung 5 durch den Wärmetauscher E2 geführten Kältemittel(gemisch)Strom 5 unterkühlt, im Flüssigkeitsexpander X1 kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung 2' der Stripkolonne S an deren Kopf als Rücklauf aufgegeben. Die Stripkolonne S wird üblicherweise in einem Druckbereich zwischen 1,0 und 2,0 bar, vorzugsweise zwischen 1,0 und 1,3 bar, betrieben.
  • Der zweite Teilstrom des verflüssigten und ggf. geringfügig unterkühlten Erdgases wird über Leitung 3 einem Flüssigkeitsexpander X2 zugeführt, in diesem kälteleistend entspannt und anschließend über Leitung 3' in den Sumpf der Stripkolonne S geführt. Der vorgenannte Expander X2 kann ggf. als so genannter Zweiphasenexpander ausgeführt werden, bei dem das Fluid am Austritt zweiphasig vorliegt.
  • Die vorgenannten Expander X1 und X2 können optional vorgesehen werden. Sind sie oder ist einer dieser Expander nicht vorgesehen, kommen im Regelfall Entspannungsventile a und b, mittels derer die der Stripkolonne S zugeführten Teilströme auf den Druck der Stripkolonne S entspannt werden, in den Leitungen 2 und 3 zum Einsatz. Ein Verzicht auf diese Entspannungsventile a und b – bei einem gleichzeitigen Verzicht auf die vorgenannten Expander X1 und X2 – wäre dann denkbar, wenn die über die Leitungen 2 und 3 der Stripkolonne S zugeführten Teilströme bereits unter dem in der Stripkolonne S herrschenden Druck vorlägen.
  • Die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrom des der Stripkolonne S zugeführten Erdgasstromes beträgt vor deren Entspannung zwischen 40 und 100°C, vorzugsweise zwischen 60 und 80°C. Die Parameter Druck und Temperatur des der Stripkolonne S in deren Sumpf zugeführten zweiten Erdgas-Teilstromes sind so zu wählen, dass dieser Teilstrom nach der Entspannung auf den Druck der Stripkolonne S zweiphasig vorliegt. Dadurch kann die Gasphase als Stripdampf für die Stripkolonne S verwendet werden.
  • Über die Regelung des Mengenverhältnisses zwischen den beiden Erdgas-Teilströmen 2/2' und 3/3' sowie deren Dampfanteile nach ihrer Entspannung auf den Druck der Stripkolonne S kann die gewünschte Stickstoff-Strippung aus dem im Sumpf der Stripkolonne S anfallenden LNG-Produkt erreicht werden. Gleichzeitig kann mittels dieser Verfahrensweise wie bisher der Methan-Gehalt des Kopfproduktes der Stripkolonne S geregelt bzw. eingestellt werden.
  • Das LNG-Produkt wird aus dem Sumpf der Stripkolonne S über Leitung 6 abgezogen und beispielsweise einem LNG-Speicher T zugeführt. Aus diesem kann es mittels der Pumpe P über Leitung 7 einem LNG-Carrier C zugeführt werden.
  • Die am Kopf der Stripkolonne S über Leitung 9 abgezogene Stickstoff-reiche Fraktion wird üblicherweise ein- oder mehrstufig auf den gewünschten Abgabedruck verdichtet und über Leitung 10 ihrer weiteren Verwendung, beispielsweise als Brenngas, zugeführt.
  • Die Verdichtung V wird vorzugsweise mittels eines kaltansaugenden Verdichters realisiert. Die Verwendung eines kaltansaugenden Verdichters ermöglicht es, den Druck in der Stripkolonne S nahe an den Atmosphärendruck zu legen, ohne dass dabei ein sog. Sauerstoff-Einbruch in die über Leitung 9 abgezogene Stickstoff-reiche Fraktion riskiert werden muss, was bei einem Anwärmen der über Leitung 9 abgezogenen Stickstoff-reichen Fraktion aufgrund eines Druckverlustes zu befürchten wäre.
  • In vorteilhafter Weise weist der für die Verdichtung verwendete Verdichter V verstellbare Einlass-Schaufeln auf. Diese ermöglichen einen hohen Lastbereich, ohne dass es einer über die Leitung 11 realisierbaren Gasrückführung bedarf. Die über Leitung 11 dem Sumpf der Stripkolonne S zugeführte Stickstoff-reiche Fraktion stellt die sog. Pumpverhütungsfraktion dar.
  • Das bei der Beladung des LNG-Carriers C anfallende Boil-off-Gas kann über Leitung 12 ebenfalls dem Sumpf der Stripkolonne S zugeführt und/oder über die Leitungen 12 und 8 in den LNG-Speicher T zurückgeführt werden. Ferner kann das im LNG-Speicher T anfallende Boil-off-Gas über die Leitungen 8 und 12 dem Sumpf der Stripkolonne S zugeführt werden kann. Somit können auch die vorgenannten, dem Sumpf der Stripkolonne S zugeführten Fraktionen – gemeinsam mit dem zweiten Teilstrom des verflüssigten Erdgasstromes – dem Stripprozess dienen.
  • Üblicherweise muss in der Leitung 8 ein in der Figur gestrichelt gezeichnetes Gebläse G, mittels dessen das im LNG-Speicher T anfallende Boil-off-Gas dem Sumpf der Stripkolonne S zugeführt wird, vorgesehen sein. Ein Verzicht auf ein derartiges Gebläse ist dann möglich, wenn die Stripkolonne S hinreichend hoch über dem LNG-Speicher T aufgestellt werden kann, so dass der Druck im LNG-Speicher T zwar höher als im Sumpf der Stripkolonne S sein kann, das Vorsehen einer Pumpe in der Leitung 6 jedoch nicht erforderlich ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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Claims (6)

  1. Verfahren zum Abtrennen einer N2-reichen Fraktion aus einer verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion, insbesondere aus verflüssigtem Erdgas, wobei die verflüssigte Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion nach ihrer Verflüssigung und Unterkühlung einer Stripkolonne, die der Abtrennung der N2-reichen Fraktion dient, zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (2, 2') der Stripkolonne (S) als Rücklauf aufgegeben wird, während ein zweiter Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3, 3') dem Sumpf der Stripkolonne (S) zugeführt wird, wobei der zweite Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoffreichen Fraktion (3, 3') eine höhere Temperatur als der erste Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (2, 2') aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (2, 2') und/oder der zweite Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3, 3') vor der Zuführung in die Stripkolonne (S) einer Entspannung (a, b, X1, X2), vorzugsweise einer Entspannung in einem Flüssigkeitsexpander (X1, X2) unterworfen wird bzw. werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturdifferenz zwischen dem ersten (2, 2') und dem zweiten Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3, 3') zwischen 40 und 100°C, vorzugsweise zwischen 60 und 80°C beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der der Stripkolonne (S) als Rücklauf aufgegebene erste Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (2, 2') einen Gasanteil von höchstens 80 Vol.-% aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Mengenverhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Teilstrom der der Stripkolonne (S) zugeführten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (2, 2', 3, 3') veränderbar ist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem zweiten Teilstrom der verflüssigten Kohlenwasserstoff-reichen Fraktion (3, 3') wenigstens ein weiterer Methan- oder Stickstoff-reicher Strom (8, 11, 12) dem Sumpf der Stripkolonne (S) zugeführt wird.
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