DE2309067A1

DE2309067A1 - Verfahren zur reinigung von erdgas

Info

Publication number: DE2309067A1
Application number: DE19732309067
Authority: DE
Inventors: John Joseph Templeman
Original assignee: British Gas Corp
Current assignee: British Gas Corp
Priority date: 1972-03-03
Filing date: 1973-02-23
Publication date: 1973-09-27
Also published as: GB1419380A; JPS529201B2; FR2174879B1; FR2174879A1; US3841058A; JPS48103601A

Description

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Patentanmeldung

Verfahren zur Reinigung von Erdgas

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung von Erdgas.

Wenn Erdgas von den Verteilerstationen, an die es von den Quellen gelangt, verteilt wird, enthält es kleine Mengen an Kohlendioxid und Wasser- bzw. Methanoldampf, wobei die zuletzt genannten Substanzen zugesetzt wurden, um eine Kohlenwasserstoff-Hydrat-Bildung zu vermeiden.

Die Verflüssigung des Erdgases wird als bequemes Mittel zu seiner Lagerung durchgeführt. Als Voraussetzung müssen die Konzentrationen an Kohlendioxid, Wasser und Methanol ausreichend herabgesetzt werden, um die Bildung von festen Abscheidungen beim Abkühlen zu vermeiden. Diese Abscheidungen würden sich auf den Wärmeaustauscherflächen in der Verflüssigungsanlage ansammeln, wodurch Verstopfungen eintreten würden,

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Die derzeit übliche Reinigungspraxis ist in Figur 1 dargestellt. Die Verunreinigungen werden in einem Bett aus

hat einem Molekularsieb absorbiert; man/die Auswahl zwischen mehreren geeigneten Molekularsieben.

Insbesondere wird das Erdgas bei Raumtemperatur, d.h. bei etwa 15⁰C und bei einem Druck von bis zu etwa 70 at (1000 psi) in die Hauptverteilerleitung eingespeist. Vor der Verflüssigung des Gases wird der Druck auf beispielsweise etwa 37 at (550 psi) reduziert. Die Verunreinigungen sind beispielsweise in folgenden Mengen vorhanden:

CO₂ 1000 v.p.m.

H₂O 80 v.p.m.

CH₅OH 50 v.p.m.

Es gibt Anzeichen dafür, daß sich die Kohlendioxid-Konzentration in Zukunft möglicherweise auf das fünffache erhöhen wird.

Das Erdgas wird über die Leitung 10 in ein Bett aus einem Molekularsieb A geleitet, worin Wasser, Methanol und Kohlendioxid entfernt werden. Das so gereinigte Erdgas wird dann über das Rohr 11 in eine Verflüssigungsanlage geleitet.

Die Sättigung des Absorptionsvermögens des Bettes aus dem Molekularsieb wird durch Überwachung des austretenden Gases und durch Nachweis des auftretenden Kohlendioxids festgestellt. Dann wird nach Bedarf ein frisches Bett eingeschaltet, und das gesättigte Bett wird regeneriert.

Die Regenerierung erfolgt dadurch, daß ein heißer Strom von bereits gereinigtem Erdgas durch das Bett geleitet wird; zur Desorption und Entfernung des Wassers und des Methanols ist eine Temperatur von ungefähr 300 C erforderlich,

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während das Kohlendioxid leichter entfernt wird und bereits beim Aufheizen des Bettes abgegeben wird. Üblicherweise wird das ganze Bett auf 30O⁰C erhitzt, und das heiße Gas wird noch etwa 20 Minuten hindurchgeleitet, nachdem das Austrittsende diese Temperatur erreicht hat, bevor das Bett in einem Strom von kaltem, gereinigtem Erdgas abkühlen gelassen wird. Zu diesem Zweck kann beispielsweise ein Viertel des aus dem Molekularsieb-Bett A austretenden Erdgases verwendet werden, welches über das Rohr 12 durch den Wärmeaustauscher C geleitet wird, um die Temperatur des Erdgases auf die erwünschten 300 C zu erhöhen. Das erhitzte Erdgas wird dann über die Leitung 13 durch das Molekularsieb-Bett B geleitet, wobei das Molekularsieb

Erdgas

regeneriert wird. Dann wird das/aus dem Molekularsieb-Bett B über die Leitung 14 zu einem Wärmeaustauscher D geleitet, worin es auf 15⁰C abgekühlt wird; anschließend wird es bei einem Druck von etwa 36 at über die Leitung in eine örtliche Hauptversorgungsleitung geleitet. Dieses Verfahren hat eine Reihe von schwerwiegenden Nachteilen.

Das wiederholte Erhitzen auf 300 C und die Abkühlung des Materials des Molekularsiebes führt zu einem Abfall des Absorptionsvermögens je Durchgang; Versuche haben gezeigt, daß das Absorptionsvermögen für Kohlendioxid nach 30 Zyklen um die Hälfte sinken kann.

Ein hoher Anteil, d.h. etwa 25 $> des in einem Gefäß gereinigten Gases wird zur Regenerierung des Molekularsiebes in einem anderen Gefäß verwendet. Der einzige Ausgang des auf diese Weise zur Regenerierung verwendeten Gases ist das örtliche Abgabe- und Verteilersystem, und der Bedarf nach einem System mit einer ausreichenden Kapazität kann einen Einfluß auf die Lage der Verflüssigungs- und Lagerungsanlage haben.

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Die Erfindung beruht auf der Beobachtung, daß Wasser und Methanol durch Molekularsiebe weit stärker absorbiert werden als Kohlendioxid, obwohl dieses in weit höheren Konzentrationen vorliegt, wobei Wasser und Methanol vorzugsweise am Eingangsende der Säule absorbiert werden. Eine weitere Folge dieses unterschiedlichen Absorptionsvermögens besteht darin, daß Kohlendioxid bei Raumtemperatur aus dem gesättigten Bett entfernt werden kann, indem der Druck vermindert wird; nur zur Entfernung des Wassers und Methanols ist eine Erhitzung erforderlich.

Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zur Reinigung von Erdgas oder dergleichen, damit es für die Verflüssigung geeignet ist; das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man aus einem Strom von Erdgas oder einem ähnlichen Gas, das Wasser, Methanol und Kohlendioxid enthält, zunächst Wasser und Methanol in einem ersten Bett eines Absorptionsmittels absorbiert, worauf man das Kohlendioxid in einem zweiten Bett eines Absorptionsmittels, z.B. eines Molekularsiebes, absorbiert, das Absorptionsmittel des ersten Bettes dadurch regeneriert, daß man ein Gas mit einer erhöhten Temperatur, vorzugsweise von 250 - 35O⁰C hindurchleitet, worauf man das Absorptionsmittel des zweiten Bettes bei einer Temperatur von nicht mehr als etwa 100 C regeneriert und das Erdgas dann unter Verwendung der regenerierten Materialien reinigt, um daraus Wasser, Methanol und Kohlendioxid zu entfernen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein nach dem Verfahren gemäß der Erfindung gereinigtes Gas sowie ein daraus hergestelltes verflüssigtes Gas.

Das in der ersten Stufe zur Entfernung von Wasser und Methanol verwendete Absorptionsmittel kann ein Molekularsieb seinj es kann aber auch eiii gewöhnliches Trocknungsmittel sein, das nach dem angegebenen Verfahren regeneriert werden kann.

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Obgleich jedes geeignete Gas zur Regenerierung des ersten Bettes verwendet werden kann, zieht man es, vor, zu diesem Zweck Erdgas zu verwenden, da es ohne weiteres zur Verfugung steht und da bei seiner Verwendung die Gefäße nicht ausgespült zu werden brauchen, wenn sie von Reinigungsbetrieb auf Regenerierung umgeschaltet werden und umgekehrt.

Die Regenerierung des zweiten Bettes wird vorzugsweise durch Anlegen eines Unterdruckes an das Bett durchgeführt, wobei das Kohlendioxid bei vermindertem Druck desorbiert wird; diese Regenerierung kann zweckmäßig dadurch gefördert werden, daß man einen Gasstrom, vorzugsweise Erdgas, durch das Bett leitet. Dieses Gas wird vorzugsweise als Träger zur Zufuhr von Wärme in das Bett während der Regenerierung verwendet, wenn diese Arbeitsweise gewählt wird. Die Regeneriertemperatur liegt vorzugsweise weit unterhalb 10O⁰C; man kann beispielsweise bei Raumtemperatur oder sogar noch darunter arbeiten.

Figur 2 der Zeichnung erläutert das Verfahren gemäß der Erfindung und die dafür verwendeten Vorrichtungen. Das Erdgas wird bei einem Druck von etwa 37 at und bei Raumtemperatur (etwa 15⁰C) über die Leitung 20 durch die beiden Gefäße A und A geleitet, die jeweils ein Molekularsiebmaterial enthalten. Die Mengen an Verunreinigungen im Erdgas sind etwa wie folgt:

COp 1000 v.p.m.

HpO 80 v.p.m.

CH₃OH 50 v.p.m.

Das erste Gefäß A enthält ein kleineres Molekularsieb-Bett und dient zur Absorption von Methanol- und Wasserdampf, während das zweite Gefäß A ein größeres Bett zur Absorption des Kohlendioxids enthält. Bei einem Gas mit

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den vorstehend angegeben Konzentrationen an Verunreinigungen kann das kleinere Bett etwa 10 'ß> der gesamten Molekularsieb-Beschickung enthalten. Der Anteil des Molekularsieb-Materials im kleineren Bett, bezogen auf das Gesamtvolumen, hängt von den vermuteten Konzentrationen an Verunreinigungen ab, und ist geringer, wenn die Kohlendioxidkonzentration zunimmt. Steigt die COp-Konzentration auf 5000 v.p„m. und bleiben die Konzentrationen an H₂O und Methanol unverändert, so beträgt der Anteil des kleineren Bettes nur etwa 2 $. In allen praktischen Fällen wird jedoch dieser Anteil kaum mehr als 20 $ betragen. Das gereinigte Erdgas geht dann über die Leitung 21 in eine Verflüssigungsanlage<,

Wenn die Gefäße regeneriert werden müssen, wird ein Anteil von etwa 10 $ (0,1 V) des gereinigten Erdgases auf die Leitungen 22 und 23 aufgeteilt. Der Strom 22 wird beim Durchgang durch einen Wärmeaustauscher C auf eine Temperatur von etwa 300 C erhitzt. Dieser Strom wird dann über die Leitung 24- durch das kleine Bett B mit verbrauchtem Molekularsieb-Material geleitet und wird dort wie zuvor zur Regenerierung (Entfernung von Wasser und Methanol und gegebenenfalls von adsorbiertem Kohlendioxid)verwendet. Der Strom 22 entspricht nur einem kleinen Anteil (etwa 3 $) des gereinigten Stromes, der aus den entsprechenden

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Gefäßen A und A austritt. Das aus dem Gefäß B austretende Erdgas wird über die Leitung 25 in den Wärmeaustauscher D geleitet, worin es auf eine Temperatur in der Nähe von Raumtemperatur abgekühlt wird; es wird dann über die Leitung 26 in eine örtliche Hauptverteilerleitung eingespeist.

Das größere Gefäß B kann in beliebiger Weise durch Verminderung des Druckes regeneriert werden; da jedoch Gas unter hohem Druck zur Verfügung steht, kann auf bequeme Weise

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eine Gasstrahlpumpe E verwendet werden, die durch, ungereinigtes Erdgas betrieben wird. Ein schwacher Strom von vorzugsweise gereinigtem Erdgas wird über die Leitung 23 in das Gefäß B eingeleitet, um das desorbierte Kohlendioxid auszuspülen; es kann erwünscht sein, seine Temperatur etwas zu erhöhen (auf nicht mehr als 10O⁰C, vorzugsweise auf nicht mehr als 50⁰G), um die Deeorptionsgeschwindigkeit des Kohlendioxids zu erhöhen. Das Gas wird dann über die Leitung 27 in eine örtliche Hauptverteilerleitung eingespeist.

Man erkennt, daß jeder Gefäßsatz in seiner Wirkungsweise abwechselt. Wenn ein Gefäßsatz erschöpft ist, wird er regeneriert, wobei vorzugsweise das durch den anderen Gefäßsatz gereinigte Gas zur Regenerierung verwendet wird.

Der Anteil des insgesamt zur Regenerierung verwendeten, gereinigten Erdgases wird mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung stark herabgesetzt; dieser Anteil kann beispielsweise 10 io statt 25 ⁰Io wie nach Figur 1, betragen. Das zur Regenerierung verwendete Gas wird zusammen mit dem ungereinigten Gas zum Antrieb der Gasstrahlpumpe verwendet und in das örtliche Verteilersystem eingespeist. Der gesamte Verbrauch an gereinigtem und ungereinigtem Gas zur Regenerierung ist niedriger als bei bekannten Verfahren, so daß zu seiner Aufnahme ein schwächeres Verteilersystem verwendet werden kann.

Weiterhin ist es nicht unbedingt nötig, daß der-schwache Gasstrom, der zur Regenerierung des Kohlendioxid-Absorbers verwendet wird, vollständig gereinigt wird; er darf lediglich keinen Wasserdampf und kein Methanol enthalten. Weiterhin

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kann eine Einsparung an gereinigtem Gas erzielt werden, wenn zu diesem Zweck ungereinigtes Gas verwendet wird, was aufgrund des niedrigeren Druckes möglich ist.

Erfindungsgemäß können unterschiedliche Molekularsiebe für das größere und das kleinere Bett verwendet werden, wobei die Auswahl von den bevorzugten Absorptionseigenschaften der Materialien abhängt. Diese Auswahl kann auch die relativen Größen der Bett beeinflussen. Erfindungsgemäß können auch abwechselnd ein einfaches Trocknungsmittel, wie Silicagel, anstatt von Molekularsieben verwendet werden, um Wasser- und Methanoldämpfe zu absorbieren.

Neben dem geringeren Verbrauch an gereinigtem Erdgas zur Regenerierung hat das Verfahren gemäß der Erfindung noch folgende Vorteile:

1 . Das zur Absorption des Kohlendioxids verwendete Molekularsieb braucht bei der Regenerierung nicht erhitzt zu werden bzw. es braucht nur auf eine Temperatur erhitzt zu werden, bei der sein Absorptionsvermögen nicht beeinträchtigt wird, so daß die Absorptionszeit in einem Zyklus nicht vermindert und die Betriebsdauer der Beschickung verlängert wird;

2. Die zur Regenerierung erforderliche Wärmemenge ist geringer, da nur ein scnwacher Gasstrom, der in das kleinere Gei'i
den braucht.

kleinere Gefäß geleitet wird, auf 300 C erhitzt zu wer-

In Fällen, in denen die Regenerierung des größeren Bettes in einer kürzeren Zeit als die des kleineren Bettes beendet ist, was besonders dann der Fall ist, wenn das größere Bett langsam erwärmt wird, können erfindungsgemäß mehrere, vorzugsweise zwei, Gefäße mit kleineren Betten für jedes

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größere Bett verwendet werden, so daß das regenerierte größere Bett ohne nennenswerte Verzögerungen wieder für die Reinigung eingesetzt werden kann. Die für diese Arbeitsweise erforderlichen Leitungen und Ventile können von jedem Fachmann auf diesem Gebiet ohne weiteres konstruiert werden.

Nach einer Weiterbildung des Verfahrens gemäß der Erfindung kann das Gas zwischen der ersten und der zweiten Reinigungsstufe gekühlt werden, so daß die Entfernung des Kohlendioxids unterhalb Raumtemperatur, d.h_e im Bereich von etwa 0 bis -50 C, beispielsweise bei etwa -25 C erfolgt. Hierbei wird das höhere Absorptionsvermögen von Molekularsieben bei niedrigeren Temperaturen ausgenützt. Die Regenerierung erfolgt dann vorzugsweise bei oder in der Nähe dieser Temperaturen.

Die Erfindung umfaßt weiterhin Vorrichtungen zur Reinigung von Erdgas nach dein vorstehend beschriebenen Verfahren; die Vorrichtungen sind im wesentlichen wie vorstehend beschrieben ausgebildet und in Figur 2 dargestellte

Die Erfindung ist nicht auf dieEntfernung von Wasser, Methanol und Kohlendioxid aus Erdgas beschränkt; das Verfahren kann auch zur Entfernung von Methanol und/oder Wasser sowie von Kohlendioxid aus jedem beliebigen Gasstrom verwendet werden, der durch die verwendeten Absorptionsmittel praktisch nicht absorbiert wird.

- Patentansprüche

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Claims

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Patentansprüche

1· Verfahren zur Reinigung von Erdgas zum Zwecke der Verflüssigung, wobei Wasser, Methanol und Kohlendioxid aus einem Erdgasstrom, der Wasser, Methanol und Kohlendioxid enthalt, unter Verwendung eines Absorptionsmittels entfernt werden, worauf das Absorptionsmittel durch Hindurchleiten von Gas regeneriert wird, dadurch gekennzeichnet, daß man Wasser und Methanol in einem ersten Bett eines Absorptionsmittels und anschließend Kohlendioxid in einem zweiten Bett eines Absorptionsmittels aus dem Gas entfernt, daß man das Material des ersten Bettes durch Hindurchleiten von Gas bei einer erhöhten Temperatur und das Material des zweiten Bettes bei einer Temperatur von nicht mehr als etwa 100 C regeneriert und daß man das regenerierte Material anschließend wieder zur Reinigung von Erdgas zwecks Entfernung von Wasser, Methanol und Kohlendioxid verwendet.

2ο Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im ersten Absorptionamittel-Bett ein Molekularsieb-Material verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man im ersten Absorptionsmittel-Bett ein Trocknungsmittel verwendet.

4-· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das erste Absorptionsmittel-Bett durch Hindurchleiten von Gas mit einer Temperatur von etwa 250 bis 35O⁰C regeneriert.

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5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man als Gas Erdgas verwendet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man im zweiten Absorptionsmittel-Bett ein Molekularsieb-Material verwendet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man das zweite Absorptionsmittel-Bett durch Anlegen eines Unterdruckes an das Bett regeneriert, um das Kohlendioxid bei vermindertem Druck zu entfernen»

8β Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß man während der Regenerierung einen Gasstrom durch das Bett hindurchleitet.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als Gasstrom Erdgas verwendet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man Gas aus dem ersten Absorptionsmittel-Bett austretende Gas vor dem Hindurchleiten durch das zweite Absorptionsmittel-Bett abkühlt.

rt/hi

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