DE102009036366A1 - Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwasserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion beschrieben, wobei
a) die Einsatzfraktion (1, 20) partiell kondensiert (E1, E1', E3) und rektifikatorisch (T) in eine C2+-Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (11) und eine an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Fraktion (2) aufgetrennt wird,
b) die an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Fraktion (2) partiell kondensiert (E2) und in eine Flüssigfraktion, die zumindest teilweise den Rücklauf (3) für die rektifikatorische Auftrennung (T) bildet, und eine an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Gasfraktion (4) aufgetrennt wird, und
c) die an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Gasfraktion (4) in einem Doppelkolonnenprozess (N) in eine stickstoffreiche (8') und eine methanreiche Fraktion (7'') aufgetrennt wird.
Erfindungsgemäß wird die im Verfahrensschritt b) gewonnene Flüssigfraktion zumindest teilweise ebenfalls dem Doppelkolonnenprozess (N) zugeführt (10) und in diesem in eine stickstoffreiche (8') und eine methanreiche Fraktion (7'') aufgetrennt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwasserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion, wobei
    • a) die Einsatzfraktion partiell kondensiert und rektifikatorisch in eine C2+-Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion und eine an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Fraktion aufgetrennt wird,
    • b) die an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Fraktion partiell kondensiert und in eine Flüssigfraktion, die zumindest teilweise den Rücklauf für die rektifikatorische Auftrennung bildet, und eine an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Gasfraktion aufgetrennt wird, und
    • c) die an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Gasfraktion in einem Doppelkolonnenprozess in eine Stickstoff-reiche und eine Methan-reiche Fraktion aufgetrennt wird.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwaserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion ist beispielsweise aus dem US-Patent 4,664,686 bekannt. Anhand der 1, die im Wesentlichen der 3 des vorgenannten US-Patents entspricht, sei nachfolgend das gattungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwaserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion erläutert.
  • Über Leitung 1 wird eine im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltende Einsatzfraktion, die beispielsweise aus einer in der Figur nicht dargestellten Ölentgasungs- oder LNG-Anlage stammt, herangeführt. Die Einsatzfraktion (Erdölbegleitgas oder leichtes Entspannungsgas) weist vorzugsweise einen Druck von mehr als 25 bar auf. Sie wurde ggf. bereits einer Vorbehandlung, wie Schwefelentfernung und/oder Trocknung, unterworfen. Im Wärmetauscher E1 wird die Einsatzfraktion gegen Verfahrensströme, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, abgekühlt und partiell kondensiert. Über Leitung 1' wird die partiell kondensierte Einsatzfraktion aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen und über das Entspannungsventil a einer Trennkolonne T aufgegeben.
  • Die Abtrennung von Stickstoff aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion mittels eines Doppelkolonnenprozesses, wie er nachfolgend beschrieben wird, erfordert üblicherweise in der Einsatzfraktion einen Stickstoffgehalt von wenigstens 30 Vol-%. Dieser Mindeststickstoffgehalt ist erforderlich, um die üblicherweise geforderten Reinheiten für die mittels des Doppelkolonnenprozesses gewonnenen Produktströme Stickstoff, dessen Methangehalt weniger als 0,1 Vol-% betragen soll, und Erdgas bzw. Methan, dessen Stickstoffgehalt weniger als 5 Vol-% betragen soll, erreichen zu können.
  • Sofern der vorgenannte Mindeststickstoffgehalt in der Einsatzfraktion zeitweise oder grundsätzlich unterschritten wird, ist eine Anreicherung der Stickstoffkonzentration in der Einsatzfraktion vor deren Zuführung in den Doppelkolonnenprozess erforderlich bzw. wünschenswert. Diesem Zweck dient die vorgenannte Trennkolonne T. Mittels der Trennkolonne T wird aus der Einsatzfraktion eine Stickstoff-arme, C2+-reiche Kohlenwasserstoff-Fraktion abgetrennt, die über die Leitung 5 aus dem Sumpf der Trennkolonne T abgezogen, im Ventil b kälteleistend entspannt und nach Erwärmung und Verdampfung im Wärmetauscher E1 über Leitung 5' als sog. Mitteldruck Kohlenwasserstofffraktion abgegeben wird. Ein Teilstrom dieser aus dem Sumpf der Trennkolonne T abgezogenen Flüssigfraktion wird nach einer kälteleistenden Entspannung im Ventil c über die Leitung 6 der aus dem Doppelkolonnenprozess N abgezogenen, Methan-reichen Fraktion, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, beigemischt und dient so der Kältebereitstellung im Kopfkondensator E2.
  • Über Leitung 2 wird aus dem Kopf der Trennkolonne T eine an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Fraktion, die gegenüber der in der Leitung 1 herangeführten Einsatzfraktion einen höheren Stickstoffgehalt aufweist, abgezogen. Diese wird im Wärmetauscher bzw. Kopfkondensator E2 partiell kondensiert und über Leitung 2' dem Abscheider D zugeführt. Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung 3 die anfallende Flüssigfraktion abgezogen und der Kolonne T als Rücklauf zugeführt. Im Regelfall ist in der Leitung 3 eine Rücklaufpumpe P vorzusehen. Auf sie kann verzichtet werden, sofern der Abscheider D oberhalb des Einspeisepunktes des Rücklaufstroms angeordnet ist.
  • Die im Abscheider D anfallende, an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Gasfraktion wird über Leitung 4 einem lediglich schematisch dargestellten Doppelkolonnenprozess N zugeführt. Derartige Doppelkolonnenprozesse sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ein zum Stand der Technik zählender Doppelkolonnenprozess ist beispielsweise in der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 10 2009 008 229 beschrieben. Mit der Zitierung der deutschen Patentanmeldung 10 2009 008 229 sei deren Inhalt zur Gänze in den Offenbarungsgehalt der vorliegenden Patentanmeldungen integriert.
  • Die Beheizung des Sumpfes der Trennkolonne T erfolgt mittels einer in den Wärmetauscher E1 integrierten Sumpfheizung – dargestellt durch die Leitungsabschnitte 9 und 9'.
  • Die in dem Doppelkolonnenprozess N gewonnene Stickstoff-reiche Fraktion wird über Leitung 8 abgezogen, im Wärmetauscher E1 gegen die abzukühlende Einsatzfraktion angewärmt und anschließend über Leitung 8' ihrer weiteren Verwendung zugeführt. Die in dem Doppelkolonnenprozess N gewonnene Methan-reiche Fraktion wird über Leitung 7 dem Kopfkondensator E2 zugeführt – ggf. nach vorheriger Zumischung eines Teilstromes der in der Trennkolonne T abgezogenen Flüssigfraktion –, in diesem angewärmt und zumindest teilweise verdampft, anschließend über Leitung 7' dem Wärmetauscher E1 zugeführt und nach weiterer Anwärmung und vollständiger Verdampfung gegen die abzukühlende Einsatzfraktion über Leitung 7'' seiner weiteren Verwendung zugeführt.
  • Bei einem Verfahren, wie es anhand der 1 beschrieben ist, ist das Hauptaugenmerk darauf gerichtet, den Mengenstrom der aus dem Sumpf der Trennkolonne T abgezogenen C2+-Kohlenwasserstoff-Fraktion zu optimieren, um diesen über die Leitungen 5 und 5' bei erhöhtem Druck abgeben zu können. Die restlichen Kohlenwasserstoffe werden bei dieser Verfahrensweise bei einem niedrigeren Druck über die Leitung 7'' abgegeben. Nachdem beide Kohlenwasserstoff-Fraktionen 5'/7'' gemeinsam abgegeben werden sollen, ist es erforderlich, wenigstens eine der beiden Fraktionen, üblicherweise die Fraktion 7'', auf den gewünschten Abgabedruck zu verdichten – diese Verdichtung ist in der 1 nicht dargestellt. Aus diesem Grund wird die Zusammensetzung der aus dem Sumpf der Trennkolonne T abgezogenen Flüssigfraktion 5 auf einen geringen Stickstoffgehalt optimiert. Die Zusammensetzung der aus dem Kopf der Trennkolonne T abgezogenen Gasfraktion wird hingegen auf einen möglichst hohen Stickstoffgehalt, nicht aber in Bezug auf die Kohlenwasserstoff-Zusammensetzung, insbesondere einen hohen Methangehalt, optimiert.
  • Soll auf eine Verdichtung der Kohlenwasserstoff-Fraktion(en) verzichtet werden, ist eine Abgabe der Kohlenwasserstoff-Fraktionen auf einem einheitlichen und gleichzeitig möglichst hohen Druck anzustreben. Der aus dem Doppelkolonnenprozess N abgezogene Methan-reiche Strom ist hierbei so einzustellen, dass er seinen Aufgaben bei der Wärmeintegration bei einem möglichst hohen Druck nachkommen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwasserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion anzugeben, das die beschriebenen Nachteile vermeidet.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwasserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion angegeben, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die bei der partiellen Kondensation der aus dem Kopf der Trennkolonne T abgezogenen, an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherten Fraktion gewonnene Flüssigfraktion zumindest teilweise, gemeinsam mit der an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherten Gasfraktion dem Doppelkolonnenprozess zugeführt und in diesem in eine Stickstoff-reiche und eine Methan-reiche Fraktion aufgetrennt wird.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen von C2+-Kohlenwasserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe-enthaltenden Einsatzfraktion, die Gegenstände der abhängigen Patentansprüche darstellen, sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltende Einsatzfraktion in mehrere Teilströme aufgeteilt, diese getrennt voneinander partiell kondensiert und anschließend rektifikatorisch aufgetrennt werden,
    • – die Abkühlung der Teilströme der Einsatzfraktion in Zweistrom-Wärmetauschern, vorzugsweise in gewickelten Wärmetauschern, erfolgt, wobei die Abkühlung bzw. Teilkondensation der Teilströme vorzugsweise in den Rohren und die Verdampfung bzw. Anwärmung der kalten Zerlegungsprodukte auf der Mantelseite der gewickelten Wärmetauscher und/oder vorzugsweise die Abkühlung bzw. Teilkondensation der Teilströme steigend rohrseitig und die Anwärmung bzw. Verdampfung der Zerlegungsprodukte fallend mantelseitig erfolgt, und
    • – wenigstens einer der Teilströme der Einsatzfraktion in eine Gas- und eine Flüssigfraktion aufgetrennt und diese getrennt voneinander der rektifikatorischen Auftrennung zugeführt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwasserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe-enthaltenden Einsatzfraktion sowie weitere Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im Folgenden sei bei der Erläuterung der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich auf die Unterschiede zu der in der 1 dargestellten Verfahrensweise eingegangen.
  • Wie in den 2 und 3 dargestellt, wird die im Abscheider D anfallende Flüssigkeit erfindungsgemäß teilweise über Leitung 10 und Entspannungsventil d dem Doppelkolonnenprozess N zugeführt. Der verbleibende Teil der Flüssigkeit aus dem Abscheider D wird der Trennkolonne T über Leitung 3 als Rücklaufstrom zugeführt.
  • Aufgrund der erfindungsgemäß vorzusehenden Zuführung der vorbeschriebenen Flüssigfraktion zu dem Doppelkolonnenprozess N wird dessen Energiebilanz derart verändert, dass der über Leitung 7 aus dem Doppelkolonnenprozess N abgezogene Methan-reiche Strom vollständig flüssig, statt bisher teilverdampft, vorliegt. Dadurch steht dem Kopfkondensator E2 auch ohne die in der 1 dargestellte Beimischung eines Teilstromes der aus dem Sumpf der Trennkolonne T abgezogenen Flüssigfraktion hinreichend Kälteleistung zur Verfügung. Die aus dem Sumpf der Trennkolonne T über Leitung 11 abgezogene Flüssigfraktion wird deshalb nach Entspannung im Ventil e der Methan-reichen Fraktion zwischen dem Kopfkondensator E2 und Wärmetauscher E1 zugemischt. Die über Leitung 11 abgezogene Flüssigfraktion wird somit vorteilhafterweise nur zur Vorkühlung der Einsatzfraktion im Wärmetauscher E1 herangezogen. Bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise kann das erforderliche Temperaturprofil des Gesamtprozesses daher durch im Wesentlichen isobar – dies bedeutet, dass lediglich übliche Druckverluste von in Summe maximal 1 bar in den Wärmetauschern E2 und E1 auftreten – verdampfende Kohlenwasserstoffe bereitgestellt werden.
  • Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise wird nunmehr erreicht, dass die über Leitung 2 aus dem Kopf der Trennkolonne T abgezogene Fraktion weitestgehend von C2+-Kohlenwasserstoffen sowie Kohlendioxid befreit ist. Der über Leitung 7 aus dem Doppelkolonnenprozess N abgezogene Methan-reiche Strom weist daher einen deutlich höheren Methangehalt auf, als dies bei der in der 1 gezeigten Verfahrensweise der Fall ist. In vorteilhafter Weise wird der Betrieb der Trennkolonne T dahingehend optimiert, dass der Gehalt an C2+-Kohlenwasserstoffen in der über Leitung 2 aus dem Kopf der Trennkolonne T abgezogenen Fraktion maximal 0,1 Vol-% (1000 vppm), vorzugsweise maximal 0,01 Vol-% (100 vppm) beträgt.
  • Die in der 3 dargestellte Verfahrensführung unterscheidet sich von der in der 2 dargestellten im Wesentlichen dadurch, dass der Mehrstrom-Wärmetauscher E1 in mehrere Zweistrom-Wärmetauscher E1, E1' und E3 aufgeteilt ist. Des Weiteren ist ein zusätzlicher Abscheider D' vorgesehen. Eine derartige Verfahrensführung ermöglicht es, in einem weiten Bereich der Einsatzfraktion-Zusammensetzung und Lastzustände stabile Strömungsverhältnisse in den Wärmetauschern zu gewährleisten.
  • Die Einsatzfraktion wird bei dieser Ausführungsform in zwei Teilströme 1 und 20 aufgeteilt. Beide werden in den Wärmetauschern E1 bzw. E1' abgekühlt und partiell kondensiert. Der erste Teilstrom wird in bekannter Weise über Leitung 1' und Entspannungsventil a der Trennkolonne T zugeführt. Der zweite Teilstrom wird über Leitung 20' dem Wärmetauscher E3 zugeführt und anschließend im Abscheider D' in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt.
  • Zum Zwecke der Beheizung des Sumpfes der Trennkolonne T wird über Leitung 30 an geeigneter Stelle eine Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion abgezogen, im Wärmetauscher E3 angewärmt sowie teilverdampft und anschließend über Leitung 30' der Trennkolonne T zugeführt.
  • Die über Leitung 22 aus dem Abscheider D' abgezogene gasförmige Fraktion wird im Wärmetauscher E1 abgekühlt, teilweise kondensiert und anschließend über Leitung 22' und Entspannungsventil f der Trennkolonne T zugeführt. Über die Wahl der Lage der Einspeisepunkte der Fraktionen in den Leitungen 1', 21 und/oder 22' kann der Betrieb der Trennkolonne T variiert bzw. optimiert werden.
  • Die vorbeschriebenen Wärmetauscher E1 und E1' sind in vorteilhafter Weise als gewickelte Wärmetauscher ausgeführt, wobei die Abkühlung bzw. Teilkondensation der Einsatzfraktionen in den Rohren und die Verdampfung bzw. Anwärmung der kalten Zerlegungsprodukte auf der Mantelseite der gewickelten Wärmetauscher erfolgt. Des Weiteren erfolgt die Abkühlung bzw. Teilkondensation der Einsatzfraktion vorzugsweise steigend rohrseitig und die Anwärmung bzw. Verdampfung der Zerlegungsprodukte fallend mantelseitig.
  • Sofern der Kopfkondensator E2 als Umlaufverdampfer ausgebildet ist, ist eine vollständige Verdampfung der über Leitung 7 aus dem Doppelkolonnenprozess N abgezogenen Methan-reichen Fraktion kontrolliert realisierbar. Aus diesem Umlaufbehälter mit geregeltem Flüssigkeitsstand, in dem der Kopfkondensator E2 angeordnet ist, wird die Fraktion 7' somit ausschließlich gasförmig abgezogen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwasserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion ermöglicht die Realisierung einer Verfahrensweise, bei der nunmehr lediglich eine Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion auf einem vergleichsweise hohen Druckniveau gewonnen und zur Kältebereitstellung genutzt werden kann, so dass sich im Regelfall eine Nachverdichtung dieser Fraktion erübrigt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4664686 [0002]
    • - DE 102009008229 [0007, 0007]

Claims (4)

  1. Verfahren zum Abtrennen von C2+-Kohlenwasserstoffen aus einer im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltenden Einsatzfraktion, wobei a) die Einsatzfraktion (1, 20) partiell kondensiert (E1, E1', E3) und rektifikatorisch (T) in eine C2+-Kohlenwasserstoff-reiche Fraktion (11) und eine an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Fraktion (2) aufgetrennt wird, b) die an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Fraktion (2) partiell kondensiert (E2) und in eine Flüssigfraktion, die zumindest teilweise den Rücklauf (3) für die rektifikatorische Auftrennung (T) bildet, und eine an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Gasfraktion (4) aufgetrennt wird, und c) die an C2+-Kohlenwasserstoffen-abgereicherte Gasfraktion (4) in einem Doppelkolonnenprozess (N) in eine Stickstoff-reiche (8') und eine Methan-reiche Fraktion (7'') aufgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die im Verfahrensschritt b) gewonnene Flüssigfraktion zumindest teilweise ebenfalls dem Doppelkolonnenprozess (N) zugeführt (10) und in diesem in eine Stickstoff-reiche (8') und eine Methan-reiche Fraktion (7'') aufgetrennt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die im Wesentlichen Stickstoff und Kohlenwasserstoffe enthaltende Einsatzfraktion in mehrere Teilströme (1, 20) aufgeteilt, diese getrennt voneinander partiell kondensiert (E1, E1', E3) und anschließend rektifikatorisch aufgetrennt werden (T).
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung der Teilströme (1, 20) der Einsatzfraktion in Zweistrom-Wärmetauschern (E1, E1', E3), vorzugsweise in gewickelten Wärmetauschern (E1, E1'), erfolgt, wobei die Abkühlung bzw. Teilkondensation der Teilströme (1, 20) vorzugsweise in den Rohren und die Verdampfung bzw. Anwärmung der kalten Zerlegungsprodukte (7', 8) auf der Mantelseite der gewickelten Wärmetauscher und/oder vorzugsweise die Abkühlung bzw. Teilkondensation der Teilströme (1, 20) steigend rohrseitig und die Anwärmung bzw. Verdampfung der Zerlegungsprodukte (7', 8) fallend mantelseitig erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Teilströme (1, 20) der Einsatzfraktion in eine Gas- (22) und eine Flüssigfraktion (21) aufgetrennt (D') und diese getrennt voneinander der rektifikatorischen Auftrennung (T) zugeführt werden.
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