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DE2849344C2 - Verfahren zur Abtrennung einer C↓2↓↓+↓-Kohlenwasserstoff-Fraktion aus Erdgas - Google Patents

Verfahren zur Abtrennung einer C↓2↓↓+↓-Kohlenwasserstoff-Fraktion aus Erdgas

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DE2849344C2
DE2849344C2 DE2849344A DE2849344A DE2849344C2 DE 2849344 C2 DE2849344 C2 DE 2849344C2 DE 2849344 A DE2849344 A DE 2849344A DE 2849344 A DE2849344 A DE 2849344A DE 2849344 C2 DE2849344 C2 DE 2849344C2
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung einer C2+-Kohlenwasserstoff-Fraktion aus unter erhöhtem Druck stehendem Erdgas mittels Rektifikation, wobei die für die Rektifikation erforderlichen Werte der Temperatur und des Druckes durch Wärmetausch und arbeitsleistende Entspannung erzielt und wobei dabei anfalleneden Kondensate einer Rektifziersäule aufgegeben werden.
  • Ein Verfahren der genannten Art ist bereits aus der US-PS 32 92 380 bekannt. Dabei wird das Erdgas zunächst durch Wärmetausch abgekühlt, wobei leicht kondensierbare Bestandteile flüssig anfallen und zu einem Teil nach Entspannung in die Rektifiziersäule geführt werden. Die beim Wärmetausch gasförmig verbleibenden Bestandteile des Erdgases werden anschließend in einer Expansionsturbine arbeitsleistend auf den Druck der nachfolgenden Rektifiziersäule entspannt.
  • Bei kohlendioxidhaltigem Erdgas erweist sich dieses Verfahren als ungünstig, denn das Kohlendioxid muß in einem besonderen vorgeschalteten Verfahrensschritt abgetrennt werden. Anderenfalls bestünde nämlich die Gefahr, daß es in den bei tiefen Temperaturen betriebenen Anlagenteilen zu Feststoffausfall und gegebenenfalls sogar zu einer Blockierung der Anlage käme. Hinsichtlich des Feststoffausfalls sind naturgemäß die Anlagenteile besonders gefährdet, an denen die niedrigen Temperaturen auftreten oder an denen das Kohlendioxid konzentriert wird. Bei dem erwähnten bekannten Verfahren liegt diese besonders gefährdete Stelle im Kopf der Rektifiziersäule, da die Kohlendioxidkonzentration in der Rücklaufflüssigkeit der Rektifiziersäule im allgemeinen höher ist als in der Flüssigkeit am Turbinenaustritt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das es gestattet, auch bei Erdgasen mit etwas höheren Kohlendioxidkonzentration auf eine Kohlendioxid-Abtrennung zu verzichten und das darüber hinaus hinsichtlich Investitions- und Energiekosten günstig ist.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das bei der arbeitsleistenden Entspannung nicht verflüssigte Erdgas durch Wärmetausch mit dem Kopfprodukt der Rektifiziersäule nach dessen arbeitsleistender Entspannung teilweise verflüssigt und in die Rektifiziersäule eingespeist wird.
  • Während beim bekannten Verfahren der tiefste Druck durch die Turbinenentspannung erzielt wird, die gleichzeitig die Spitzenkalte für die Rektifikation liefert, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Erzeugung der Spitzenkälte und die Einstellung des Säulendruckes voneinander zu trennen. Dabei wird die erste Turbinenentspannung soweit geführt, daß in der Rektifiziersäule die Gefahr des Feststoffausfalls vermieden wird, ohne daß dabei bereits die erforderliche Kopftemperatur erreicht wird. Diese Spitzenkälte wird vielmehr erst durch eine arbeitsleistende Entspannung des am Kopf der Rektifiziersäule abgezogenen Restgases erzeugt.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Restgas vor seiner arbeitsleistenden Entspannung soweit angewärmt, daß bei der arbeitsleistenden Entspannung keine Kondensatbildung erfolgt. Auf diese Weise wird nämlich sichergestellt, daß auch beim erfindungsgemäßen Verfahren ein Ausfall von festem Kohlendioxid am Austritt der zweiten Turbine nicht erfolgen kann. Ob diese Erwärmung des Restgases im speziellen Einzelfall zur Vermeidung von Feststoffausfall erforderlich ist, hängt von den jeweiligen Rektifikationsbedingungen und der Zusammensetzung des Erdgases ab, da sie die Verteilung des im Erdgas ursprünglich enthaltenen Kohlendioxids auf das Restgas und auf das Sumpfprodukt der Rektifikation im wesentlichen bestimmen. Vorteilhaft ist diese Erwärmung jedoch auch dann, wenn die Gefahr des Feststoffausfalls bei einer Kondensatbildung nicht besteht, da durch die Anwärmung des Restgases vor der zweiten Turbine die Austauschverluste beim Wärmetausch gegen das in die Rektifiziersäule einzuführende Erdgas verringert werden können.
  • Eine günstige Weiterbildung dieser Verfahrensführung ist darin zu sehen, daß die Anwärmung des Restgases durch Wärmetausch mit dem Erdgas durchgeführt wird, das bei der ersten arbeitsleistenden Entspannung vor der Rektifikation nicht verflüssigt wurde. Auf diese Weise wird nämlich auch die Kälte des Restgases genutzt, die diesem durch die Erwärmung vor der Entspannung entzogen wird.
  • In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens können die erwähnten Austauschverluste weiter vermindert werden, wenn ein Teil des Wärmeinhalts des nach der ersten arbeitsleistenden Entspannung anfallenden gasförmigen Stromes für Zwischenheizungen der Rektifiziersäule verwendet wird. Dabei erreicht man besonders gute Anpassungen der T-Verläufe zwischen dem abzukühlenden und dem wieder zu erwärmenden Gasstrom, wenn mehrere Zwischenheizungen verwendet werden.
  • Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung schematisch dargestellt ist, näher erläutert.
  • Über Leitungen 1 wird Rohgas unter einem Druck von 40bar und bei einer Temperatur von 292 K zugeführt. Es handelt sich um ein Erdgas, das sich aus 1,01 Mol.-% Stickstoff, 81,74 Mol.-% Methan, 6,70 Mol-% Athan, 6,88 Mol.-% Propan, 2,41 Mol.-% Butan, 0,76 Mol.-% Pentan, 0,25 Mol.-% Hexan, 0,07 Mol.-% C 7+-Kohlenwasserstoffe und 0,18 Mol.-% Kohlendioxid zusammensetzt. Der größte Teil dieses Rohgases wird über Leitung 2 in einem ersten Wärmetauscher 3 gegen sich erwärmendes Restgas gekühlt, während ein kleinerer Teil über Leitung 4 abgezweigt und zur Sumpfheizung der Rektifiziersäule 5 verwendet wird. Der sich dabei abkühlende Teilstrom wird über Leitung 6 dem Hauptstrom in Leitung 2 wieder zugemischt, wonach der gesamte Rohgasstrom im Wärmetauscher 7 auf 242 K abgekühlt wird. Dabei kondensieren bereits einige höhersiedende Komponenten, die jedoch entsprechend den Gleichgewichtsbedingungen auch noch leichtsiedende Bestandteile enthalten. Das Kondensat wird in einem Abscheider 8 abgetrennt, über Leitung 9 abgezogen, im Drosselventil 10 auf den Druck der Rektifiziersäule 5 entspannt und einem weiteren Abscheider 11 zugeführt. Die bei der Entspannung gebildeten Flashgase werden über Leitung 12 direkt der Rektifiziersäule 5 zugeleitet. Die Einspeisung dieser und der anderen nachfolgend noch erwähnten einzuspeisenden Fraktionen erfolgt an Stellen, die den Gleichgewichtsverhältnissen in in der Rektifiziersäule 5 und der jeweiligen Zusammensetzungen der ein einzuspeisenden Fraktionen angepaßt sind.
  • Die bei der Drosselung 10 flüssig gebliebenen Bestandteile werden über Leitung 13 aus dem Abscheider 11 abgezogen und zur Verbesserung der Rektifikation im Wärmetauscher 7 gegen Rohgas teilweise wieder verdampft, bevor sie in die Rektifiziersäule 5 eintreten.
  • Die gasförmige Fraktion aus dem Abscheider 8 wird über Leitung 14 einer Expansionsturbine 15 zugeführt, in der sie auf einen Druck von 16,3 bar entspannt wird. Dabei kühlt sich das Gas auf 208 K ab und es bilden sich ein Kondensat, das im Abscheider 16 abgetrennt und über Leitung 17 der Rektifiziersäule 5 als Rücklaufflüssigkeit aufgegeben wird. Das entspannte Gas wird über Leitung 18 einem weiteren Wämetauscher 19 zugeführt und dort weiter abgekühlt, wobei sich wiederum ein Kondensat bildet. Dabei ist darauf zu achten, daß die Abkühlung stets soweit geführt wird, daß die gewünschte Ausbeute an C2+-Kohlenwasserstoffen in den Kondensatoren der Abscheider 8 und 16 sowie in dem im Wärmetauscher 19 kondensierten Teil des Gases enthalten sein muß. Hieraus bestimmt sich die Temperatur, die in Abhängigkeit des bei der Entspannung 15 erreichten Druckes, das Gas am Ausgang des Wärmetauschers 19 annehmen muß. Im vorliegenden Beispiel wird ein 90%ige Abtrennung des Athans angestrebt. Dazu ist es erforderlich, das Gas im Wärmetauscher 19 auf 166 K abzukühlen. Das sich dabei bildende Zweiphasengemisch wird über Leitung 20 in den oberen Bereich der Rektifiziersäule 5 eingespeist.
  • Die unter einem Druck von 16 bar betriebene Rektifiziersäule 5 wird in einem Temperaturbereich zwischen 166 K am Kopf und 285 K im Sumpf betrieben. Die Sumpftemperatur wird eingestellt durch Beheizung eines Teils der Sumpfflüssigkeit in einem Wärmetauscher 21 gegen den über Leitung 4 abgezweigten Teil des Rohgases. Das erwärmte Sumpfprodukt wird über Leitung 22 wieder in den Bodenbereich der Rektifiziersäule 5 zurückgeführt. Eine weitere Heizung 23 ist im unteren Bereich der Säule 5 vorgesehen. Dabei wird das in Leitung 4 geführte Rohgas weiter abgekühlt. Im oberen Bereich der Rektifiziersäule 5 sind Zwischenheizungen 25 und 26 vorgesehen. Dazu wird Flüssigkeit von einem Kolonnenboden abgezogen und im Wärmetauscher 19gegen das abzukühlende Gas in Leitung 18 erwärmt, bevor es wieder in die Rektifiziersäule 5 eingespeist wird. Die praktisch methanfreie C2+-Fraktion sammelt sich im Sumpf und wird über Leitung 27 in einer Menge von 167 mol je 1000 mol Rohgas abgezogen, während am Kopf über Leitung 28 833 mol Restgase anfallen, die nur noch geringe Bestandteile an Kohlenwasserstoffen mit 2 oder mehr Kohlenstoffatomen enthalten.
  • Das Restgas wird im Wärmetauscher 19 zunächst im Gegenstrom mit dem Rohgas in Leitung 18 auf 189 K erwärmt und dann in einer Expansionsturbine 29 auf 5,5 bar entspannt. Bei dieser Entspannung, bei der aufgrund der vorhergehenden Erwärmung kein Kondensat anfällt, kühlt sich das Gas auf 151 K ab und liefert damit die zur Rektifikation benötigte Spitzenkälte, die nachfolgend im Wärmetauscher 19 an das Rohgas übertragen wird. Das Restgas wird anschließend im Gegenstrom mit Rohgas in den Wärmetauschern 7 und 3 wieder auf 285 K angewärmt und verläßt die Anlage unter einem Druck von 4,5 bar.
  • Die Turbinenleistung der Expansionsturbinen 15 und 29 kann beispielsweise dazu verwendet werden, das Restgas wieder zu verdichten, sofern es unter erhöhtem Druck wieder in eine Pipeline abgegeben werden soll. In anderen Fällen, in denen der Abgabedruck niedrig sein darf und der Anlieferdruck gegegebenenfalls auch gering ist, kann die Turbinenleistung vorteilhaft zur Verdichtung des Rohgases herangezogen werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Abtrennung einer C2+ -Kohlenwaserstoff-Fraktion aus unter erhöhtem Druck stehendem Erdgas mittels Rektifikation, wobei die für die Rektifikation erforderlichen Werte der Temperatur und des Druckes durch Wärmetausch und arbeitsleistende Entspannung erzielt und wobei die dabei anfallenden Kondensate einer Rektifiziersäule aufgegeben werden, dadurch gekennzeichnet, daß das bei der arbeitsleistenden Entspannung nicht verflüssigte Erdgas durch Wärmetausch mit dem Kopfprodukt der Rektifiziersäule nach dessen arbeitsleistender Entspannung teilweise verflüssigt und in die Rektifiziersäule eingespeist wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfprodukt der Rektifiziersäule vor seiner arbeitsleistenden Entspannung soweit angewärmt wird, daß bei der arbeitsleistenden Entspannung keine Kondensatbildung erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfprodukt der Rektifiziersäule gegen das bei der arbeitsleistenden Entspannung des Erdgases nicht verflüssigte Erdgas angewärmt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Wärmeinhalts des arbeitsleistend entspannten Erdgases für Zwischenheizungen der Rektifiziersäule verwendet wird.
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