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Verfahren zur Entfernung von H2S und schweren Kohlenwasserstoffen
aus Gasen unter hohem Druck Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung
von H2S und schweren Kohlenwasserstoffen aus Gasen unter hohem Druck, insbesondere
aus Erdgas, bestehend aus Methan, Äthan, schweren Kohlenwasserstoffen, H2S, C02
und Stickstoff mittels einer physikalischen Absorptionsflüssigkeit in einer Absorptionskolonne.
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Für die Verwertung von kohlenwasserstoffreichen Gasen ergibt sich
die Notwendigkeit, das im Gas enthaltene H2S vollständig aus bekannten Gründen zu
entfernen. Enthalten die Gase ausserdem noch schwere Kohlenwasserstoffe, so müssen
diese ebenfalls entfernt werden, weil sie beim Unterschreiten einer bestimmten Gastemperatur
auskondensieren.
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Es ist bekannt, die Entfernung der sauren Bestandteile in chemischen
und physikalischen Wäschen vorzunehmen. Bei einer chemischen Wäsche können nur die
sauren Bestandteile entfernt werden.
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Die schweren Kohlenwasserstoffe sind in einem zusätzlichen Verfahrensschritt
herauszuholen, was entsprechenden apparativen Aufwand bedeutet.
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In einer Wäsche mit physikalisch wirkendem Absorptionsmittel können
sowohl die sauren Bestandteile als auch teilweise schwere Kohlenwasserstoffe in
einem Verfahrensgang entfernt werden. Die physikalischen Absorptionsmittel haben
jedoch den Nachteil, dass sie einen nicht unbeträchtlichen Anteil der Hauptbestandteile
des Gases wie Methan und andere leichte Kohlenwasserstoffe, die schließlich den
Wert des Gases darstellen, in sich lösen.
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Im Zuge der bekannten Verfahren wird die beladene Absorptionsflüssigkeit
entspannt, wobei sowohl die zu entfernenden Gaskomponenten als auch das Methan und
andere leichte Kohlenwasserstoffe mehr oder weniger ausgasen. Will man die wertvollen
Bestandteile jedoch wiedergewinnen, so ist die Entspannung in einer oder mehreren
Stufen vorzunehmen, und die nun bei niedrigem Druck angefallenden leichteren Komponenten
sind mittels Kompressor dem Hauptstrom wieder zuzuführen.
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Für die Kompression der Gase auf den Betriebdruck der Absorptionskolonne
ist ein Gaskompressor erforderlich, der zwangsläufig eine beträchtliche Antriebsenergie
benötigt. Darüber hinaus enthält dieses zurückzuführende Cas gewisse Bestandteile
an H2S und CO, die für den Kompressor Korrosionsprobleme zur Folge haben.
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Bei den bekannten Verfahren enthält der anfallende Schwefelwasserstoff
Inertgase und C02 sowie leichte Kohlenwasserstoffe, die die weitere Verarbeitung
des H2S zu Schwefel oder Schwefelsäure ganz erheblich stören.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die aufwendige Rückkompression
mit dem damit in Zusammenhang stehenden Energieaufwand und die Korrosionsprobleme
zu vermeiden und das H2S als Rein-H2S zu gewinnen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Desorption
des beladenen Absorptionsmittels mehrstufig erfolgt, wobei der Druck in der 1. Desorptionsstufe
über dem Druck in der Absorptionskolonne liegt und die in dieser Desorptionsstufe
freiwerdenden Gase, deren Absorptionskoeffizient kleiner als der des H2S ist, infolge
des vorhandenen Überdrucks in die Absorptionskolonne zurückströmen. Das freiwerdende
Druckgas kann demnach ohne Zwischenschaltung eines Kompressors an geeigneter Stelle
in die Absorptionskolonne zurückgeführt werden.
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Das beladene Absorptionsmittel erfährt eine Drucksteigerung mittels
einer Pumpe, deren Energiebedarf gering ist gegenüber dem Energiebedarf eines Rückgaskompressors.
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Dadurch, dass in der 1. Desorptionsstufe eine Trennung der gelösten
Gaskomponenten derart erfolgt, dass die Komponenten mit geringerem Absorptionskoeffizienten
als H2S zusammen mit einem geringen Anteil an H2S ausgasen und der Hauptanteil H2S
zusammen mit den Komponenten mit einem größeren Absorptionskoeffizienten als H2S
im Absorptionsmittel verbleiben, ist eine nachfolgende destillative Trennung dieser
im Absorptionsmittel gelösten Komponenten in Rein-H2S und schwere Kohlenwasserstoffe
möglich.
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Bei den bekärntnphysikalischen Verfahren sind zur Trennung des H2S
und der Kohlenwasserstoffe aufwendigere Maßnahmen als eine Destillation erforderlich.
Dadurch, dass der Schwefelwasserstoff als Rein-H2S gewonnen wird und somit keine
Inertgase und C02 sowie leichte Kohlenwasserstoffe enthält, die bei einer weiteren
Verarbeitung des H2S zu Schwefel oder Schwefelsäure ganz erheblich stören würden,
kann das H2S in einfacher Weise auf Schwefel oder Schwefelsäure verarbeitet werden.
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Ein weiterer Vorteil des Verfahrens besteht darin, dass zur Einstellung
der erforderlichen Trennwirkung in der 1. Desorptionsstufe H2S aus der Stufe zur
Reindarstellung von H2S entsprechend dem H2S-Gehalt des Einsatzgutes, in die 1.
Desorptionsstufe eingeführt wird.
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Ein energetischer Vergleich der bekannten Trennverfahren und des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Trennverfahrens für die Rückführung von Methan und anderen leichten
Bestandteilen aus dem mit Kohlenwasserstoffen beladenen Absorptionsmittel zeigt
einen weiteren Vorteil und hat generell folgendes Ergebnis: Wird ein beladenes Waschmittel
auf einen Druck entspannt, der etwa bei der Hälfte des Absorptionsdruckes liegt,
so werden 15 - 20 % der gelösten Bestandteile an Gas frei, die vorwiegend entsprechend
der vorgenannten Ausführungen Methan, Inerte und C02 enthalten. Es ist dann aber
nur möglich, etwa 60 8 des im Waschmittel gelösten Methans freizusetzen. Die Kompressionsenergie
für die Rückführung dieses Entspannungsgases in die Absorptionsstufe ist erheblich.
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Sie beträgt ca. das 2o-fache der Pumpenleistung, die nötig ist, um
das beladene Waschmittel entsprechend dem Gedanken der Erfindung auf einen höheren
Druck zu fördern. Setzt man den Entspannnungsdruck noch tiefer an, um den Anteil
des rückgeführten Methans zu erhöhen, verschlechtert sich dieses Verhältnis erheblich.
Der Druck in der Zwischenentspannung ist auch dadurch begrenzt, dass sich der Anteil
des mitgelösten H2S laufend erhöht. Es ist somit unmöglich, das Methan auch nur
näherungsweise zu loo % zurückzuführen. Auch wenn man berücksichtigt, dass bei dem
erfindungsgemässen Verfahren eine Kälteleistung am Kopf der 1. Desorptionsstufe
aufgebracht werden muß, ergibt sich noch ein deutlicher Vorteil,
denn
diese Kälteleistung ist nur ein Bruchteil der Kompressionsenergie, die man aufwenden
muß, um eine mehr als 6o%-ige Rückführung des Methan zu erreichen.
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Es ist bekannt, dass physikalische Lösungsmittel thermisch nur beschränkt
belastet werden können. Die Temperatur im Sumpf der 1. Desorptionskolonne ist damit
meist fest vorgegeben. Hat das Rohgas einen relativ niedrigen Anteil an H2S, so
muß der Anteil der Schlüsselkomponente H2S für die destillative Abtrennung der leichten
Anteile im Sumpf der 1. Desorptionskolonne erhöht werden.
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Dies kann durch zusätzliche Einführung von H2S aus der letzten Trennkolonne
erreicht werden. Ist der Anteil von H2S im Rohgas relativ hoch, so kann der Betrag
an zusätzlich einzuführendem H2S geringer gehalten werden oder er kann ganz entfallen.
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Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass die Rückkompression mit Investitionsaufwand, Energiebedarf und Korrosionsproblemen
vermieden wird und Verluste an wertvollen Gasbestandteilen nicht auftreten. Weiterhin
ist es möglich, Gase mit einem grossen Anteilsbereich bezüglich H2S zu verarbeiten.
Das auszuwaschende H2S wird als Rein-H2S gewonnen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung 1 dar.
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gestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Das im folgenden
Beispiel eingesetzte Erdgas mit etwa 11,4 Vol. % H2S zählt zu den für physikalische
Wäschen relativ H2S-armen Gasen, so dass ein Zusatz von H2S als Strippgas in diesem
Falle erforderlich ist.
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Ein saures Erdgas mit der Zusammensetzung nach Tab. 1 und einem Druck
von ca. 70 ata tritt durch Leitung 1 unten in die Absorptionskolonne 2 ein. Durch
Leitung 3 wird gleichzeitig das Rückgas aus der ersten Desorptionskolonne 4 in gleicher
Höhe wie Leitung 1 zur Absorptionskolonne 2 geführt. Mit Leitung 5 wird regeneriertes
Absorptionsmittel TBP im oberen Teil der Absorptionskolonne aufgegeben und strömt
dem aufsteigenden Gas entgegen. Ein im abwärts~ strömenden Flüssigkeitsstrom eingeschalteter
Kühler 6 sorgt für angenäherte isothermische Absorption. Das die Absorptionskolonne
am Kopf verlassende gereinigte Erdgas ist frei von H2S und schweren Kohlenwasserstoffen
und kann in die Ferngasleitung gegeben werden. Das mit H2S und anderen Komponenten
beladene TBP verläßt
die Absorptionskolonne durch Leitung 8 und
tritt über Pumpe 9 in einen Vorwärmer 10 in die 1. Desorptionskolonne 4 ein. Zur
Erhöhung der Desorptionswirkung wird H2S im Verdampfer 11 verdampft und erwärmt,
unten über Leitung 12 in die Desorptionskolonne gegeben und nimmt die leichtesten
Bestandteile auf dem Weg durch die Kolonne auf. Die Temperatur am Kopf der Kolonne
wird im Dephlegmator 13 so eingestellt, dass die gewünschte Zusammensetzung des
Rückgases in Kolonne 2 über Leitung 3 gewährleistet ist. Das nun von den leichten
Gaskomponenten befreite Absorptionsmittel wird über Leitung 14 auf einen Druck von
etwa 21 ata entspannt, der zweiten Desorptionskolonne 15 oben zugeführt. Hier wird
unter Verwendung einer C3 Fraktion als Strippgas über Leitung 16 der gesamte 1125
mit C3 und teilweise höheren Kohlenwasserstoffen über Kopf geführt und im Kühler
17 gekühlt, wobei eine teilweise Kondensation der Kohlenwasserstoffe eintritt. Das
im Sumpf der zweiten Desorptionskolonne vom H2S befreite Absorptionsmittel wird
auf etwa Umgebungsdruck durch Leitung 18 entspannt und dem Abscheider 19 zugeführt.
Das nun sowohl vom 1125 als auch vom größten Teil der schweren Kohlenwasserstoffe
befreite Absorptionsmittel gelangt über Pumpe 20, Kühler 21 und Leitung 5 zum Kopf
der Absorptionskolonne zurück.
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Das im wesentlichen aus H2S, C3 und schweren Kohlenwasserstoffen bestehende
gasförmige und flüssige Gemisch aus dem Kühler 17 gelangt über Leitung 22 in die
Destillationskolonne 23, aus der Rein-1125 gasförmig abgezogen wird. Die Trennung
von 1125 und von den Kohlenwasserstoffen wird dadurch erreicht, dass ein Rückfluß
aus dem Kondensator 24 von flüssigem H2S bei entsprechend eingestellter Temperatur
erfolgt. Ein Teil des im Kondensator 24 flüssig anfallenden H2S wird über Pumpe
25, Verdampfer 11 und Leitung 12 der ersten Desorptionskolonne 4 zugeführt. Das
gasförmige H2S verläßt über Kondensator 24 und Leitung 26 die Anlage zur Weiterverarbeitung.
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Im Aufkocher 27 wird Dampfwärme niederen Niveaus indirekt zugeführt.
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Das Sumpfprodukt der Kolonne bestehend aus C3 und höheren Kohlenwasserstoffen
wird über Leitung 28 mit dem Entspannungsgas aus Abscheider 20, welches über Leitung
29 und Kompressor 30 zusammen in die Destillationskolonne 31 geführt wird, so aufgearbeitet,
dass der leichteste Bestandteil, wie C3, hinter Kondensator 32 abgezogen und über
Leitung 16 der zweiten Desorptionskolonne 15 zugeführt werden kann, Im Aufkocher
33 wird die zur Trennung notwendige Wärmemenge
indirekt zugegeben.
Die Trennwirkung selbst wird im Kondensator 32 mit entsprechendem Rückfluß erzielt.
Die im Sumpf der Destillationskolonne 31 abgezogenen schweren Kohlenwasserstoffe
werden über den Kühler 34 und Leitung 35 zur Weiterverarbeitung oder zum Tanklager
gegeben.
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Für das beschriebene Beispiel ergeben sich die Analysen für die ein-
und ausgehenden Stoffströme wie folgt: Tab. 1 Roh-Erdgas gereinigtes Erdgas H2S
schwere Kohlenwasserstoffe C1 70,4 Vol% 84,3 Vol% C2 3,2 si 3,9 C3 1,7 ~# o,2 ~
- 29,5 Vol% C4 1,2 ~ - - 24,5 C5 o,7 ~ - - 13,4 C6+ 1,7 " - - 32,6 H2S 11,4 " -
loo,o Vol% -C02 2,9 ~ 3,5 lt N2 6,8 " 8,1 loo,o Vol% loo,o Vol% loo,o Vol% loo,o
Vol% Die zur Erzielung der gewünschten Temperaturen erforderlichen Kühlmittel sind
Kühlwasser und entspannte Produktionsströme. Nur an Strömen, die besonders tiefe
Temperaturen erfordern, ist ein geeignetes Kältemittel einzusetzen. Die Vorwärmer
und Aufkocher werden mit Abwärme von ca. loo°C beheizt, damit das Absorptionsmittel
möglichst nicht über 1ooOC erwärmt wird.