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Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Propan und Butan in flüssiger Form aus Gasgemischen.
Neuere Forschungen haben die Brauchbarkeit und den Wert von Propan und Butan. sei es vermischt, sei es getrennt voneinander, erwiesen, sofern diese Stoffe im wesentlichen von andern gasförmigen Bestandteilen frei sind. Die bisher vorgeschlagenen Verfahren zur Gewinnung der genannten Stoffe sind aber mangelhaft, unter anderem wegen der hohen Betriebskosten, wegen der verhältnismässig geringen Ausbeuten, die pro Einheit des behandelten Gases erzielbar sind und auch wegen der praktischen Unmöglichkeit, die einzelnen Stoffe getrennt zu halten.
Der Hauptzweck der Erfindung liegt darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, mittels deren aus Erdgas oder sonstigen Gasgemischen im wesentlichen der gesamte Gehalt an Propan und Butan in flüssiger Form und praktisch frei von den sonstigen Bestandteilen des Gases gewonnen werden kann. Dieses Verfahren beseitigt die praktischen Schwierigkeiten und wirtschaftlichen Nachteile der bisher für diesen Zweck üblichen oder vorgeschlagenen Verfahren. Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt darin, die genannten Stoffe getrennt und in technisch reiner Form zu erhalten.
Erdgas, wie es hier in Frage kommt, ist ein aus Kohlenwasserstoffen bestehendes Gas, das aus Erdlöchern entweder von selbst ausströmt oder aus ihnen herausgepumpt wird, gleichviel, ob die betreffenden Quellen nur Gas allein oder Gas und Öl liefern. Dieses Gas besteht aus einer jeweils verschieden zusammengesetzten Mischung von Methan, Äthan, Propan, Butan, Pentan, Hexan. Heptan und Oktan. Die beiden ersteren aufgezählten Stoffe sind im wesentlichen unter praktischen und zulässigen Arbeitsbedingungenwniit Hilfe von Temperatur und Druck nicht kondensierbare Gase. Sie können daher unter solchen Bedingungen in verdichtetem Zustande nicht sicher aufgespeichert werden. Auch haben sie weniger Heizkraft als die nächst schwereren Bestandteile des Gases, nämlich Propan und Butan.
Die beiden letzteren Stoffe sind bei atmosphärischem Druck und gewöhnlicher Temperatur gasförmig, können aber bequem kondensiert und in flüssiger Form sicher aufgespeichert werden. Die weiteren aufgezählten vier Bestandteile des Erdgases, nämlich Pentan, Hexan, Heptan und Oktan, sind bei atmosphärischer Temperatur und atmosphärischem Druck flüssig und sind daher für die mit der Erfindung verfolgten Zwecke wertlos, welche auf die Gewinnung solcher Stoffe aus Erdgas hinzielen, die bequem kondensiert und in flüssiger Form sicher aufgespeichert werden können, um bei Nachlassen des Druckes in Gasform benutzt werden zu können.
Nach der Erfindung wird das Erdgas oder ein sonstiges Gasgemisch unter Druck der Einwirkung eines absorbierenden Lösungsmittels stufenweise ausgesetzt, um das Propan und Butan aus dem Gas abzuscheiden. Das Lösungsmittel wird dann einer Destillation bei einer Temperatur und einem Druck unterworfen, wo das absorbierte Propan und Butan in Form von Dampf abgetrieben wird, der schliesslich wieder kondensiert wird. Die Erfindung betrifft auch die fraktionierte Destillation der von der Destillation des Lösungsmittels herrührenden Mischung von Propan und Butan oder einer ähnlichen in geeigneter Weise erhaltenen Mischung. um daraus die Bestandteile in handelsüblich reiner Form zu gewinnen.
Bevor auf das Verfahren näher eingegangen wird, soll eine Einrichtung zur Ausführung desselben beschrieben werden, die auf der Zeichnung in zwei Ausführungsbeispielen dargestellt
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ist. Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer vollständigen Einrichtung in Aufriss. Fig. 2 ist ein Aufriss einer abgeänderten Ausführungsform eines Destillierapparates, der an Stelle desjenigen nach Fig. 1 Verwendung finden kann. Fig. 3 ist ein Grundriss einer Kammer zur fraktionierten Kondensation der durch die Destillierapparate erhaltenen Mischung.
Das Gas aus einer oder mehreren Quellen wird, falls es nicht unter genügendem Druck steht, durch einen Kompressor 2 verdichtet und im Bedarfsfälle dann durch einen Kühler 3 mittels geeigneter Rohrleitungen geschickt. Um das Gas dem absorbierenden Lösungsmittel auszusetzen, sind zwei Behälter 4 und 5 übereinander angeordnet. Das Gas tritt in den Behälter 4 durch ein Rohr 6, das innerhalb des Behälters durchlocht ist. um das Gas austreten. und durch die Masse des Lösungsmittels hindurchströmen zu lassen. Das Gas, welches durch das Lösungsmittel nicht absorbiert wurde, wird in einer Haube 7 aufgefangen und durch ein Rohr 8 zu einem durchlochten Rohr 9 im unteren Teile des Behälters 5 geführt, um durch das in diesem Behälter enthaltene Lösungsmittel hindurchzufliessen.
Schliesslich wird das übrigbleibende, nicht absorbierte Gas, das so gut wie vollständig aus Methan und Äthan besteht, in einer Haube 10 abgefangen und strömt durch ein Rohr 11 zu einer Gasleitung, die es beliebiger Verwendung zuführt.
Während das Gas so durch die Behälter 4 und 5 in Reihenschaltung hindurchfliesst, strömt das Lösungsmittel durch diese Behälter ebenfalls in Reihenschaltung, aber in umgekehrter Richtung. Das Lösungsmittel tritt durch ein Rohr 12 am rechten Ende des Behälters 5 ein. strömt vom linken Ende desselben durch ein Rohr 13 zum linken Ende des Behälters 4 und fliesst schliesslich in ein Rohr 14 am rechten Ende des letzteren Behälters. Damit die Menge des Lösungsmittels in jedem Behälter stets die gleiche bleibt, sind geeignete Stauwände oder Wehre 15 und 16 an den Enden der Behälter vorgesehen. Bei der Gegenstromanordnung wird das an Propan und Butan reichere Gas im Behälter 4 mit einem Lösungsmittel behandelt, das vorher im Behälter 5 bereits eine bestimmte Menge dieser Bestandteile aus einem an eben diesen Bestandteilen ärmeren Gas aufgenommen hat.
Um das Lösungsmittel zwecks Abtreibung des in den Behältern 4 und 5 absorbierten Propans und Butans zu destillieren, werden bei der neuen Einrichtung zwei hintereinander geschaltete Destillierapparate 17 und 18 verwendet. Diese stehen tiefer als der Absorptionsbehälter 4, so dass keine Pumpe nötig ist, um das Lösungsmittel in die Destillierapparate zu bringen. Hiebei sind Mittel vorgesehen, um zu verhindern, dass das Gas aus dem Behälter 4 in den Destillierapparat 17 fliesst und dass die Dämpfe aus dem Destillierapparat zum Behälter 4 strömen.
Zu diesem Zweck ist in der Leitung 14 ein Syphonrohr 19 vorgesehen. dessen wirksame senkrechte Länge so bemessen ist, dass eine genügend hohe Säule von flüssigem Lösungsmittel stehen bleibt, um jeden zulässigen oder praktisch überhaupt möglichen Druckunterschied zwischen dem Behälter 4 und dem Destillierapparat 17 unschädlich zu machen.
Der obere Teil des Destillierapparates 17 ist mit einem durchlochten Anschlussstück : 20 versehen, aus welchem das Lösungsmittel über die durch Dampf od. dgl. geheizte Oberfläche im Destillierapparat fliesst. Vom Boden dieses Destillierapparates strömt das Lösungsmittel durch ein Rohr 21 zum linken Ende des Destillierapparates 18, durch den es in geschlängeltem Wege vermöge Anordnung der Prellplatten 22 zu einem Rohre 23 fliesst, das zu einer Pumpe 24 führt. Die Destillierapparate können durch Dampf oder heisses Wasser geheizt werden, die durch die Destillierapparate in Reihenschaltung strömen. Wenn diese Art der Heizung gewählt wird, so strömt die Heizflüssigkeit aus einem Zuführungsrohr 25 durch ein
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Abführungsrohr 28.
Manchmal aber ist es erwünscht, den Destillierapparat 17 ebenso oder noch stärker zu heizen wie den Destillierapparat 18. In diesem Falle muss daher jeder der beiden Destillierapparate getrennt geheizt weiden. Zu diesem Zwecke geht ein mit Ventil versehenes Rohr 29 vom Zuführungsrohr 26 zu dem Rohr 27 an einem Punkte, der jenseits eines in dieses Rohr eingeschalteten Ventils 50 liegt. Das Rohr 27 ist mit einem Abflussrohr oder Abführungsrohr 31 versehen. Auf diese Weise kann die Zufuhr von Heizflüssigkeit für jeden
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Wie schon erwähnt, sind die Temperaturen und Drucke in den Destillierapparaten 1'7 und 18 so bemessen, dass das Propan und Butan, die aus dem Erdgas in den Behältern 4 und 5 absorbiert wurden, von dem Lösungsmittel abdestilliert werden. Die in den Destillierapparaten nach Fig. 1 gebildeten Dämpfe fliessen aus den Behältern 17 und 18 durch Rohre 32 und 33 in ein Rohr 34, das zu geeigneten Kondensiervorrichtungen führt. Diese bestehen, so wie dargestellt, aus einem Kompressor 35, einem Kondensator 36 und einem Aufspeiehergjefäss 57 für die Flüssigkeit.
Falls den Dämpfen von Propan und Butan etwas Äthan beigemischt ist, das bei der Temperatur und dem Druck im Kondensator nicht
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kondensierbar ist. so kann dieses Gas durch ein mit Ventil versehenes Rohr 48 in das Rohr 11 entweichen.
Der Destillierapparat nach Fig. 2 ist der gleiche wie derjenige nach Fig. 1, nur dass bei ersterem Rohrverbindungen vorgesehen sind, um die Dämpfe aus dem Destillierapparat 18a durch den Destillierapparat 17 a zu führen. Das Rohr 33 a ist mit einem Ventil 38 versehen und mit einem Rohr 39 verbunden. Dieses besitzt mehrere Auslässe, die durch den Boden des Destillierapparates 17 (t hindurchragen und sich etwas oberhalb dieses Bodens öffnen. Die Propan-und Butandämpfe aus dem Destillierapparat 18c können dadurch, dass man die Temperatur des Destillierapparates 17 a etwas höher hält als diejenige des Apparates 18a, nach- geheizt werden, um sie von den im Apparat 18 a gebildeten anderen Dämpfen zu trennen.
Die in beiden Destillierapparaten entwickelten Dämpfe von der gewünschten Beschaffenheit fliessen dann durch das einzige Rohr 32a vereint zum Kondensator.
Das Lösungsmittel aus dem Destillierapparat 18 kann unmittelbar durch einen geeigneten Kühler 40 (Fig. 1) und dann durch Rohr 12 in das Absorptionsgefäss 5 gepumpt werden, so dass ein vollständiger und stetiger Kreislauf entsteht oder es kann auch durch ein Rohr 41 zu einem zweiten Destillierapparat zwecks Entfernung seines Naphthagehalts geleitet werden, wie dies in dem Patente Nr. 91371 beschrieben wird.
Als Lösungsmittel kann bei dem neuen Verfahren jede Flüssigkeit benutzt werden, die eine Affinität zu Propan und Butan besitzt. Es hat sich aber gezeigt, dass die besten Ergebnisse bei Verwendung von Petroleum-Kohlenwasserstoffen erzielt werden, deren Beschaffenheit fürs erste von der Art des zu behandelnden Gases abhängt, nämlich davon, ob das Gas trocken oder feucht ist und zweitens, wenn feuchtes Gas zu verarbeiten ist, davon, ob man auch die Naphthabestandteile gewinnen will oder nicht. Trockenes Gas, wie es hier in Frage kommt, ist nach allgemeiner Auffassung ein solches, das nur wenig oder gar keine Naphthabestandteile nämlich Pentan, Hexan, Heptan und Oktan enthält, während feuchtes Gas merkliche Mengen von einem oder mehreren dieser Stoffe enthält.
Unter sonst gleichen Bedingungen hat sich gezeigt, dass die grössten Ausbeuten an Propan und Butan erzielt werden, wenn das absorbierende Öl oder Lösungsmittel nur wenig oder gar keine Absorptionsfähigkeit für Naphtha hat.
Wenn daher trockenes Gas zu verarbeiten ist, so soll das absorbierende Öl praktisch mit Naphtha gesättigt sein. In diesem Falle soll das Absorptionsöl vor Beginn der Absorption ein spezifisches Gewicht von 320 bis 560 Bé bei 16 C besitzen. Wenn das spezifische Gewicht des Öls näher der unteren Grenze des erwähnten Bereichs liegt, was nach den Erfahrungen der Erfindern die besten Ergebnisse zeitigt, kann das Öl in beliebiger Art mit Naphtha gesättigt werden. Öl von höherem spezifischem Gewicht ist aber. für gewöhnlich schon an sich mit Naphtha gesättigt. Falls feuchtes Gas lediglich auf Propan und Butan zu verarbeiten ist, so gelten dieselben Erwägungen hinsichtlich des Lösungsmittels. Es sollte zwecks Erzielung grösster Ausbeuten mit Naphtha gesättigt sein.
Schliesslich werden, wenn feuchtes Gas sowohl auf Naphtha wie auf Propan und Butan verarbeitet werden soll, die besten Ergebnisse durch Anwendung eines Absorptionsöls gezeitigt, dessen spezifisches Gewicht innerhalb des oben erwähnten Bereiches liegt und durch die Absorption des Naphthas um nicht mehr als 60 gesteigert wird.
Aus dem Vorausgegangenen ergibt sich, dass, wenn feuchtes Gas ausschliesslich auf Propan und Butan verarbeitet wird, und dass, wenn trockenes Gas gleichfalls auf diese Stoffe verarbeitet wird, der hier dargestellte Apparat mit geschlossenem Kreislauf benutzt werden kann, in welchem das Lösungsmittel aus dem Destillierapparat 18 durch den Kühler 40 in das Absorptionsgefäss 5 gepumpt wird. Anderseits ergibt sich, dass, wenn feuchtes Gas auf Naphtha sowohl wie Propan und Butan zu verarbeiten ist, man das Lösungsmittel aus dem Destillierapparat 18 durch Rohr 41 zu einem'zweiten Destillierapparat für die Entfernung von Naphtha strömen und dann durch das Rohr 42 zum Absorptionsgefäss 5 zurückkehren lassen kann.
Hinsichtlich der Strömungsmenge des Gases im Verhältnis zur Menge des verwendeten Lösungsmittels haben sich die besten Ergebnisse gezeigt, wenn das Gas in einer Menge von ungefähr 70 l-280 l pro Minute auf etwa 4'5 des Lösungsmittels strömt, wobei das Gas bei 16 und unter einem Druck von ungefähr //c über dem äusseren Luftdruck gemessen wird.
Versuche haben gezeigt, dass, wenn das Verhältnis merklich über die oben gegebene Höchst-
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des verarbeiteten Gases ergibt. Wird aber das Verhältnis unter die obenerwähnte Mindestgrenze verringert, so ergibt sich gar keine oder im wesentlichen gar keine Verringerung in der Ausbeute, nichtsdestoweniger aber machen es die praktischen Betriebsbedingungen unerwünscht und unwirtschaftlich, unterhalb der erwähnten Grenze zu arbeiten.
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Die Temperatur des Lösungsmittels in den Absorptionsbehältern muss natürlielh unter der kritischen Temperatur des Propans und Butans liegen und ebenso muss sie oberhalb der
Erstarrungstemperatur des Paraffingehalts - des Lösungsmittels liegen. Vorzugsweise wird eine Temperatur zwischen 4, 0 -18 0 verwendet.
Die in den Destillierapparaten 17 und 18 aufrechterhaltene Temperatur hängt im gewissen Masse von der Beschaffenheit des zu behandelnden Gases ab. Wenn das Gas trocken ist, d. h. kein Naphtha enthält, so kann die Temperatur in den Destillierapparaten erheblich höher sein, als sie zur Verflüchtigung des absorbierten Propans und Butans nötig ist. Ander- seits sollte, wenn feuchtes, naphthahaltiges Gas verarbeitet wird, die Temperatur der Destillier- apparate unter der kritischen Temperatur des leichtesten Naphthabestandteils liegen und unter- halb der Temperatur, bei welcher dieser Bestandteil sich unter dem im Destillierapparat herrschenden Druck verflüchtigt. Es hat sich gezeigt, dass die besten Ergebnisse erzielt werden, wenn die Destillierapparate bei einer Temperatur zwischen 350 und 430 betrieben werden.
Der Druck in den Destillierapparaten ist vorzugsweise derselbe wie derjenige in den
Absorptionsgefässen. Wenn feuchtes Gas behandelt wird, so ist es besonders erwünscht, dass der Druck in den Destillierapparaten, so wie oben erläutert, aufrechterhalten wird. Wenn nämlich der Druck in den Destillierapparaten merklich niedriger sein sollte als im Absorptions- gefäss, so verflüchtigt sich ein Teil der absorbierten Naphtha in dem Destillationsgefäss, was naturgemäss unerwünscht ist. Wenn aber trockenes Gas verarbeitet wird, dann kann ohne schädliche Folgen ein wesentlicher Druckabfall im Destillierapparat stattfinden.
Das Kondensieren der Propan-und Butandämpfe in vereinigter Form kann unter dem Druck der Destillierapparate geschehen, wird aber vorzugsweise mit Hilfe eines Kompressors bei einem Druck zwischen
21 Atm. und 53 Atm. bewirkt werden. Wenn man das Propan und Butan getrennt zu erhalten wünscht, kann die Mischung einer fraktionierten Destillation in nachstehend erläuterter Art unterworfen werden.
Für bestimmte Zwecke ist es sehr erwünscht, das Propan und Butan getrennt zu erhalten. Die Erfindern hat diesbezüglich festgestellt, dass durch geeignete Behandlung einer
Mischung von Butan und Propan, wie sie in den Destillierapparaten 17 und 18 oder aus irgendeiner anderen Quelle erhalten wird, eine zufriedenstellende Scheidung von handels- mässig reinem Butan und Propan erzielt werden kann.
Im Laufe der angestellten Versuche war die Erfinderin vergeblich bestrebt, diese beiden
Bestandteile aus Erdgas direkt gesondert von einander zu erhalten, indem sie das Gas unmittel- bar einer normalen, fraktionierten Kondensation unterwarf. Diese ging so vor sich, da der
Druck allmählich gesteigert wurde, um einen Bestandteil nach dem ändern zu kondensieren, indem der Verflüssigungspunkt der verschiedenen Bestandteile nacheinander erreicht wird, aber es konnte auf diese Weise Propan und Butan nicht getrennt gewonnen werden, obwohl die
Gründe für diese Tatsache nicht klar erkannt worden sind.
Die gasförmige Mischung von Propan und Butan, die aus den Destillierapparaten in das
Rohr 84 strömt, kann vor der weiteren, auf Trennung der Bestandteile abzielenden Behandlung einer durch ein geeignetes Lösungsmittel bewerkstelligbaren Absonderung aller Spuren der gewöhnlichen, flüssigen Bestandteile des Ursprunggases, d. i. Naphtha oder Gasolin, unterworfen werden, um diese zu entfernen. Als Lösungsmittel für diese Reinigung wird vorzugsweise ein flüssiger Kohlenwasserstoff der Paraffinreihe benutzt, der bei 160 eine Schwere von ungefähr
33-7 Bé besitzt. Diese Reinigung geschieht zweckmässig unter normalem, atmosphärischem Druck- und Temperaturverhältnissen.
Sie kann aber auch, unter einem Druck ausgeführt werden, der höher ist als der atmosphärische Druck, aber natürlich niedriger als der Ver- flüssigungsdruck des Butans. Die Verteilung des zu behandelnden gasförmigen Materials, so dass es durch das Lösungsmittel in fein verteiltem Zustand als Bläschen hindurchströmt und dadurch in innigere Berührung mit dem-Lösungsmittel kommt und einer gründlichen Reinigung und Läuterung unterworfen wird, findet mit bekannten Mitteln statt.
Die gasförmige Mischung wird, nachdem sie im Bedarfsfall, wie oben beschrieben ge- - reinigt wurde, durch ein Rohr 68 (Fig. 3) in einen Behälter 69 geführt. Dieser ist ein Druckbehälter. Er hat bei der praktischen Ausführung der Erfindung die Form eines Rphres von 12'6S M Weite und einer Länge von 37 m erhalten, das schräg geneigt liegend angeordnet wurde, sodass sich die schwereren Bestandteilen der darin enthaltenen Mischung unter dem Ein- fluss der Schwerkraft von den leichteren Bestandteile hinweg gegen das eine Ende des Rohres senken. Dieser Druckbehälter ist anfänglich bis auf den Einlass 68 verschlossen. Durch diesen
Einlass wird das zu bebändernde Gemisch in den steigenden Mengen und mit steigendem
Druck eingeführt.
Das Einpumpen des Gases in dem Druckbehälter wird solange fortgesetzt, bis infolge des steigenden Druckes eine Verflüssigung eingetreten ist. Das Auftreten dieser Verflüssigung
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