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DE2932561A1 - Verfahren und vorrichtung zum zerlegen eines gasgemisches - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum zerlegen eines gasgemisches

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DE2932561A1
DE2932561A1 DE19792932561 DE2932561A DE2932561A1 DE 2932561 A1 DE2932561 A1 DE 2932561A1 DE 19792932561 DE19792932561 DE 19792932561 DE 2932561 A DE2932561 A DE 2932561A DE 2932561 A1 DE2932561 A1 DE 2932561A1
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Germany
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rectification column
bottom product
gas mixture
column
fraction
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DE19792932561
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Wolfgang Dipl Phys Foerg
Karl Heinz Dipl Phys D Mueller
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Publication date
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Priority to US06/175,817 priority patent/US4323380A/en
Priority to CA357,800A priority patent/CA1127961A/en
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen eines unter erhöhtem Druck stehenden, mindestens drei Komponenten enthaltenden Gasgemisches, bei dem das Gasgemisch in einer ersten Rektifiziersäule in ein von mindestens einer höher siedenden Komponente weitgehend befreites Kopfprodukt und in ein von mindestens einer tiefer siedenden Komponente weitgehend befreites Sumpfprodukt zerlegt wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Aus der DE-AS 21 22 707 ist ein Verfahren der genannten Art bekannt. Dabei wird ein neben Methan noch beträchtliche Mengen Stickstoff sowie Kohlendioxid und höhere Kohlenwasserstoffe enthaltendes Erdgas zunächst in einer ersten Rektifiziersäule in zwei Fraktionen zerlegt, von denen die leichtere aus Stickstoff und Methan besteht, während das Sumpfprodukt neben der Hauptkomponente Methan nur noch wenig Stickstoff, aber das ganze im Erdgas enthaltene Kohlendioxid sowie alle schwereren Kohlenwasserstoffe enthält. Das Sumpfprodukt wird nach Erwärmung auf Umgebungstemperatur als stickstoffarmes Erdgas in eine Pipeline abgegeben.
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Häufig ist es wünschenswert, aus einem Gasgemisch mehrere Bestandteile mit unterschiedlichem Siedebereich abzutrennen. Beispielsweise besteht häufig Interesse an einer Abtrennung von Äthan und schwereren Kohlenwasserstoffen aus Erdgas, um diese Komponenten zu wertvolleren Produkten, etwa Äthylen umzusetzen. Die Abtrennung einer schweren Fraktion kann auch im Hinblick auf die Gewinnung eines Flüssiggases wünschenswert sein. Daneben ist es bei Erdgasen mit hohem Stickstoffanteil meist erforderlich, den größten Teil des Stickstoffs abzutrennen, um einen gewünschten Heizwert einzustellen.
Zur Abtrennung von Äthan und schwereren Kohlenwasserstoffen sowie von Stickstoff aus Erdgas wurden bisher getrennte Verfahren angewendet, was jedoch unbefriedigend ist, da das Erdgas zweimal von Umgebungstemperatur auf die erforderlichen tiefen Temperaturniveaus abgekühlt werden muß.
Der Erfindung lag deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die Abtrennung einer leichten und schweren Fraktion aus einem Gasgemisch in einem einzigen Prozeßschritt erfolgt.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule verdichtet und nach einem Wärmetausch mit dem Gasgemisch in eine zweite Rektifiziersäule entspannt wird, und daß in der zweiten Rektifiziersäule eine weitere Zerlegung in ein tiefer siedende Komponenten enthaltendes Kopfprodukt und ein höher siedende Komponenten enthaltendes Sumpfprodukt erfolgt.
Damit wird erfindungsgemäß ein Verfahren vorgeschlagen, das es ermöglicht, gleichzeitig leichte und schwere Komponenten aus einem Gasgemisch abzutrennen. Wesentlich ist dabei, daß neben der an sich bekannten Zerlegung
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des Kopfprodukts der ersten Rektifiziersäule, die mittels einer weiteren Rektifikation, wie sie beispielsweise in der DE-AS 21 22 707 beschrieben ist, durchgeführt werden kann, auch das Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule weiter zerlegt wird, ohne daß dieses vorher wieder auf Umgebungstemperatur angewärmt wird. Hierdurch werden Investitionskosten für zusätzliche Wärmetauschflächen, die in zwei getrennten Zerlegungsprozessen benötigt würden,sowie mit zusätzlichen Wärmetauschvorgängen verbundene Exergie-Verluste eingespart.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das verdichtete Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule so weit gegen das Gasgemisch angewärmt, daß eine teilweise Verdampfung erfolgt. Dies hat den Vorteil, daß der verdampfte Anteil des Sumpfproduktes in einer Expansionsmaschine arbeitsleistend entspannt werden kann. Die dabei gewonnene Energie läßt sich beispielsweise innerhalb des Verfahrens zur Verdichtung des Einsatzgases verwenden.
Besonders günstig ist es bei dieser Verfahrensweise, die arbeitsleistende Entspannung bis ins Naßdampfgebiet durchzuführen und die dabei gebildete Flüssigkeit als Rücklauf für die zweite Rektifiziersäule zu verwenden. Diese Verfahrensweise empfiehlt sich insbesondere dann, wenn das Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule überwiegend Komponenten enthält, die in der zweiten Rektifiziersäule über Kopf abgetrennt werden sollen. So wird beispielsweise bei der Zerlegung von Erdgas das Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule als Hauptkomponente Methan und daneben schwerere Kohlenwasserstoffe in einer Menge von beispielsweise 5 bis 25 Vol-% enthalten. Das in der zweiten Rektifiziersäule über Kopf abzutrennende Methan wird in der bei der partiellen Verdampfung anfallenden gasförmigen Fraktion soweit angereichert sein, daß die bei der Expansion geForm. 5729 7.78
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bildete Flüssigkeit in vielen Fällen als Rücklaufflüssigkeit auf den Kopf der zweiten Rektifiziersäule aufgegeben werden kann, ohne daß das Kopfprodukt mit unerwünscht vielen schwerer siedenden Komponenten verunreinigt wird.
Die bei der arbeitsleistenden Entspannung nicht verflüssigten Anteile können in solchen Fällen entweder gemeinsam mit der gebildeten Flüssigkeit dem Kopf der zweiten Rektifiziersäule zugeführt werden, aus dem sie dann direkt abgeführt werden, oder sie können in einem zwischen- IQ geschalteten Abscheider vollkommen von der zweiten Rektifiziersäule ferngehalten werden.
Falls dagegen das Kopfprodukt der zweiten Rektifiziersäule bei dem eben beschriebenen Vorgehen nicht die gewünschte Reinheit erreicht, können zusätzliche Maßnahmen, wie beispielsweise ein mit Fremdkälte betriebener Kopfkondensator oder Aufgabe einer weiteren Rücklaufflüssigkeit für die gewünschte Reinheit sorgen.
2^ Als günstig kann es sich in einigen Fällen auch erweisen, die arbeitsleistende Entspannung bis auf einen Druck durchzuführen, der unterhalb dem Druck der zweiten Rektifiziersäule liegt. Dies kann beispielsweise dann günstig sein, wenn eine bestimmte Leistungsabgabe der Expansionsmaschine gewünscht wird oder wenn auf diese Weise eine bestimmte Menge an Rücklaufflüssigkeit gebildet werden kann. Vor Einleitung der entspannten Fraktion in die Rektifiziersäule erfolgt in einer solchen Ausgestaltung des Verfahrens zweckmäßig eine Phasentrennung, wonach die gebildete Flüssigkeit durch eine zwischengeschaltete Pumpe auf den Druck der zweiten Rektifiziersäule verdichtet wird, während die gasförmig verbliebene Phase gesondert aus der Anlage herausgeführt
werden kann.
35
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Der bei der Erwärmung des Sumpfprodukts der ersten Rektifiziersäule nicht verdampfte Anteil kann der zweiten Rektifiziersäule an einer von der Zusammensetzung dieser Fraktion und dem Gleichgewichtsverlauf in der zweiten Rektifiziersäule abhängigen geeigneten Stelle nach Entspannung direkt aufgegeben werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird diese Fraktion jedoch vor Einspeisung in die zweite Rektifiziersäule teilweise verdampft, um auf diese Weise die Rektifikationsbedingungen zu verbessern.
Sofern im Gasgemisch Komponenten enthalten sind, die bei Abkühlung auf die Temperaturen der Rektifikation zu Feststoffausfall in den Wärmetauschern oder in der Rektifiziersäule führen, ist eine Abtrennung dieser Komponenten nach ihrer Kondensation erforderlich. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, dieses Kondensat, das entsprechend den jeweiligen Gleichgewichtsbedingungen auch noch geringe Mengen leichter siedender Bestandteile enthält, zur weiteren Verarbeitung der zweiten Rektifiziersäule an einer geeigneten Stelle aufzugeben.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält als wesentliche Merkmale zwei Rektifiziersäulen, eine mit dem Sumpf der ersten Rektifiziersäule verbundene Flüssigkeitspumpe, einen Wärmetauscher zum Erwärmen des verdichteten Sumpfprodukts sowie Mittel zur Entspannung des verdichteten Sumpfprodukts in die zweite Rektifiziersäule. Sofern bei der Erwärmung des Sumpfprodukts der ersten Rektifiziersäule eine Teilverdampfung erfolgt,enthält die Vorrichtung weiterhin vorteilhaft einen den Wärmetauscher nachgeschalteten Abscheider sowie vorteilhaft eine Expansionsmaschine zur Entspannung der im Abscheider anfallenden gasförmigen Fraktion. Darüber hinaus ist es in vielen Fällen günstig,
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nach einem ersten, der Vorkühlung dienenden Wärmetauscher einen Abscheider vorzusehen, der eine zur zweiten Rektifi-. ziersäule führende Kondensatleitung und eine zur ersten Rektifiziersäule führende Leitung zur Abführung der gasförmi-
5 gen Fraktion aufweist.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sind nachfolgend anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels dargestellt.
10
Das Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und zur Gewinnung einer Fraktion von Äthan und schwereren Kohlenwasserstoffen aus einem Erdgas, das folgende Zusammensetzung aufweist: 15
N2 9.06 Vol-%
CH4 75.37 VoI-%
C2H6 6.77 Vol-%
C3H8 4.76 Vol-%
C4 + 4.04 Vol-%.
Dieses Gasgemisch wird im Verdichter 1 auf 50 bar komprimiert und anschließend über Leitung 2 im Wärmetauscher 3 gegen kalte Produktströme 22, 28, 29 und einen Vorkühlkreislauf 4 abgekühlt. Die bei der Vorkühlung kondensierten Bestandteile werden im Abscheider 5 abgetrennt und über Leitung 6 und Drosselventil 7 in die Rektifiziersäule 8 entspannt. Der Hauptteil des Gasgemisches wird aus Abscheider 5 über Leitung 9 dem Wärmetauscher 10 zugeführt, in dem eine weitere Abkühlung erfolgt und wird dann durch den Wärmetauscher 11 im Sumpf der Rektifiziersäule 12 geführt. Schließlich wird diese Fraktion im Wärmetauscher 13 nochmals gegen kalte Produktströme gekühlt und nach Entspannung im Drosselventil 14 in die Rektifiziersäule 12
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10 35
eingespeist. Die Rektifiziersäule 12 wird unter solchen Bedingungen betrieben, daß im Sumpf eine weitgehend von Stickstoff befreite Fraktion anfällt, während über Kopf eine nur noch Stickstoff (37,70 Vol-%) und Methan (62,30 Vol-%) enthaltende Fraktion abgezogen wird. Das Sumpfprodukt wird über Leitung 15 abgezogen und hat folgende Zusammensetzung:
N2 2.37 Vol-%
CH4 78.43 Vol^%
G2H6 8.35 Vol-%
C3H8 5.87 Vol-%
C4 + 4.98 Vol-%
15
Diese Fraktion wird in der Flüssigkeitspumpe 16 verdichtet und dann im Wärmetauscher 10 angewärmt. Das Sumpfprodukt wird soweit verdichtet, wie es thermodynamisch möglich ist, d.h. soweit, daß am warmen Ende des Wärmetauscher 10 noch ein Temperaturgefälle zwischen dem Sumpfprodukt in Leitung 15 und dem Rohgas in Leitung 9 vorliegt. Die im Wärmetauscher 10 wieder verdampften Bestandteile des Sumpfprodukte werden im Abscheider 17 abgetrennt und über Leitung 18 einer Expansionsturbine zugeführt, in der eine Entspannung auf den Druck der Rektifiziersäule 8 durchgeführt wird. Die über Leitung aus dem Abscheider 17 abgezogene Flüssigkeit wird im Ventil 21 entspannt und nach partieller Wiederverdampfung im Wärmetauscher 10 in die Rektifiziersäule 8 eingespeist. Aus der Rektifiziersäule 8 wird über Leitung 22 ein Kopfprodukt abgezogen, das folgende Zusammensetzung aufweist:
N2 2.88 Vol-%
CH4 94.99 Vol-% 4
130009/0403
C2H6 2.02 Vol-% C3Hg 0.11 Vol-% .
Dieses Kopfprodukt wird kältegewinnend in den Wärmetauschern 13, 10 und 3 wieder angewärmt und beispielsweise an eine Pipeline abgegeben. Sofern der Abgabedruck nicht durch den Druck der Rektifiziersäule 8 vorgegeben ist, erfolgt noch eine in der Figur nicht dargestellte Verdichtung des Kopfprodukts.
Aus dem Sumpf der Rektifiziersäule 8 wird die abgetrennte C2+-Fraktion abgezogen. Sie weist folgende Zusammensetzung auf:
CH4 1.00 Vol-%
C2H6 '37.89 Vol-%
C3H8 32.83 Vol-%
C4+ 28.28 Vol-% .
Um den im Sumpfprodukt der Rektifiziersäule 8 enthaltenen Methangehalt zu begrenzen, erfolgt eine Beheizung 24 des Sumpfes durch Teilströme aus dem Rohgas und/oder durch
Kreislaufmedien.
25
Die Reinheit des Kopfprodukts der Rektifiziersäule 12 wird durch einen mit Kreislaufgas betriebenen Kopfkondensator erreicht. Das über Leitung 26 abgezogene Kopfprodukt wird in einer weiteren Rektifikation 27, die in der Figur nicht
näher dargestellt ist, in eine Stickstoff-Fraktion, die lediglich 2 Vol-% Methan enthält und in eine Methan-Fraktion, die 11,59 Vol-% Stickstoff enthält, zerlegt. Diese Fraktionen werden über die Leitungen 28 und 29 abgezogen und nach Erwärmung -in den Wärmetauschern 13, 10 und 3 aus der Anlage
herausgeführt.
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130009/0403
Im vorstehend erläuterten Beispiel werden aus stündlich 189 818 Nm3 zugeführtem Erdgas 27 125 Nm3 einer C2+-Fraktion über Leitung 23 abgezogen, daneben fallen in den Leitungen 28 bzw. 29 10 798 Nm3 Stickstoff bzw. 25 105 Nm3 methanreiches Gas an, während über Leitung 22 am Kopf der Rektifiziersäule 8 126 790 Nm3 methanreiches Gas anfallen.
Im Falle einer Störung des Stickstoff-Methan-Zerlegungsprozesses in den Rektifikationsstufen 12 bzw. 27 können diese Anlagenteile unter Verwendung der Bypass-Leitung nach öffnung des Ventils 31 umgangen werden, so daß der Prozeß der Gewinnung der schweren Fraktion in der Rektifiziersäule 8 weiterbetrieben werden kann.
Form. 5729 7,78
130009/0403

Claims (10)

  1. (H 906) H 79/66
    Bü/bd
    in ^ *_ «τ. 10.8.79
    ιυ Patentansprüche
    ^5 I 1J Verfahren zum Zerlegen eines unter erhöhtem Druck stehenden, mindestens drei Komponenten enthaltenden Gasgemisches, bei dem das Gasgemisch in einer ersten Rektifiziersäule in ein von mindestens einer höher siedenden Komponente weitgehend befreites Kopfprodukt und in ein von mindestens einer tiefer siedenden Komponente weitgehend befreites Sumpfprodukt zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule verdichtet und nach einem Wärmetausch mit dem Gasgemisch in eine zweite Rektifiziersäule entspannt wird, und daß in der zweiten Rektifiziersäule eine weitere Zerlegung in ein tiefer siedende Komponenten enthaltendes Kopfprodukt und ein höher siedende Komponenten enthaltendes Sumpfprodukt erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das verdichtete Sumpfprodukt der ersten Rektifiziersäule mindestens teilweise verdampft wird und daß die verdampfte Fraktion arbeitsleistend entspannt und mindestens teilweise in die zweite Rektifiziersäule geleitet wird.
    Form. 5729 7.78
    130009y-Q-403
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der arbeitsleistenden Entspannung gebildete Flüssigkeit am Kopf der zweiten Rektifiziersäule als Rücklaufflüssigkeit aufgegeben wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitsleistende Entspannung auf einen unterhalb des Druckes der zweiten Rektifiziersäule liegenden Druck erfolgt und daß nur die dabei gebildete Flüssigkeit nach Rückverdichtung auf den Druck der zweiten Rektifiziersäule in diese eingespeist wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der nicht verdampfte Anteil des Sumpfprodukts der ersten Rektifiziersäule vor Einspeisung in die zweite Rektifiziersäule teilweise verdampft wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß höher siedende Komponenten des Gasgemisches in einer Vorkühlung zumindest teilweise kondensiert und nach Abtrennung von der verbleibenden gasförmigen Fraktion in die zweite Rektifiziersäule eingespeist werden.
  7. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine erste Rektifiziersäule (12), eine zweite Rektifiziersäule (8), eine mit dem Sumpf der ersten Rektifiziersäule (12) verbundene Flüssigkeitspumpe (16),Mittel zur Entspannung (19, 21) des verdichteten Sumpfprodukts in die zweite Rektifiziersäule (8) und einen zwischen die Flüssigkeitspumpe (16) und die Mittel zur Entspannung (19, 21) geschalteten Wärmetauscher (10).
    Form. 5729 7.78
    130009/0403
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen zwischen den Wärmetauscher (10) und die Mittel zur Entspannung (19, 21) des Sumpfproduktes geschalteten Abscheider (17)
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch eine Expansionsmaschine (19) für die Entspannung der gasförmigen Fraktion aus dem Abscheider (17).
  10. 10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekennzeichnet durch einen einer Vorkühlung (3) nachgeschalteten Abscheider (5), der eine zur zweiten Rektifiziersäule (8) führende Leitung (6) zur Abführung von Kondensat und eine zur ersten Rektifiziersäule (12) führende Leitung (9) zur Abführung der gasförmigen Fraktion aufweist.
    Form. 5729 7.78 _.
    130009/0403
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