DE4334256C2 - Verfahren zum Gewinnen einer C¶2¶H¶4¶-reichen Produktfraktion aus einer kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzfraktion - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Gewinnen einer C₂H₄-reichen Produktfraktion aus einer gereinigten und getrockneten, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzfraktion, wobei die kohlenwasserstoffhaltige Einsatzfraktion in einer Tieftemperatureinheit mittels einer ein- oder mehrstufigen partiellen Kondensation in eine C₁₊-reiche sowie H₂-reiche Fraktion aufgetrennt wird.

Verfahren zum Zerlegen von kohlenwasserstoffhaltigen Gasgemischen, insbesondere von Erdgas, sind seit längerem bekannt. Wie bei dem aus der DE-OS 34 41 307 bekannten Verfahren zur Abtrennung einer C₂₊-Kohlenwasserstofffraktion aus unter erhöhtem Druck stehendem Erdgas mittels Rektifikation, wird das Erdgas nach einer ersten partiellen Kondensation in eine Rektifizierkolonne geleitet, in der eine Auftrennung in eine Methan-Fraktion und eine C₂₊-Kohlenwasserstofffraktion erfolgt. Die für die Rektifikation erforderlichen Werte der Temperatur und des Drucks werden durch Wärmeaustausch und zweistufige arbeitsleistende Entspannung erzielt. Oftmals ist solch einer Erdgaszerlegungsanlage eine weitere Anlage zum Weiterverarbeiten der C₂₊-Kohlenwasserstofffraktion nachgeschaltet. Handelt es sich dabei beispielsweise um eine Anlage zur Gewinnung von Ethylen, so durchläuft die C₂₊-Kohlenwasserstoff­ fraktion aus der Erdgaszerlegungsanlage zunächst eine C₂/C₃-Trennstufe. Anschließend werden die C₂-Kohlenwasserstoffe einer Crackung unterworfen und im Anschluss daran wiederum mittels einer rektifikatorischen Tieftemperaturzerlegung zunächst von H₂ und CH₄ befreit, bevor in einer C₂H₄/C₂H₆-Trennstufe eine C₂H₄- Produktfraktion gewonnen werden kann. Diese Vorgehensweise benötigt jedoch mindestens zwei Tieftemperaturanlagen sowie weitere, diesen nachgeschaltete Trennstufen. Zur Bereitstellung der benötigten Kälte innerhalb dieser Tieftemperaturanlagen sind entsprechend der DE-OS 34 41 307 mehrere Entspannungsturbinen notwendig. In vielen Fällen wird zudem ein zusätzlicher Propan- Kältekreislauf benötigt. Für die Kältebereitstellung innerhalb der Tieftemperaturzer­ legung einer Ethylanlage findet ein Propan- oder ein Propylen- und ein Ethylen- Kältekreislauf Verwendung.

Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, insbesondere ein Verfahren zum Gewinnen einer C₂H₄- Produktfraktion anzugeben, das verringerte Investitions- und Betriebskosten mit sich bringt.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass

• a) die C₁₊-reiche Fraktion gemeinsam mit der H₂/C₂H₄/C₂H₆-reichen Fraktion aus den Verfahrensschritten d) und e) in eine C₁/C₂-Trennstufe, in der C₁- Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff rektifikatorisch entfernt werden, geführt,
• b) die C₂₊-reiche Fraktion aus dem Verfahrensschritt a) in eine C₂/C₃-Trennstufe, in der C₃₊-Kohlenwasserstoffe entfernt werden, geführt,
• c) die C₂-reiche Fraktion aus dem Verfahrensschritt b) in eine C₂H₄/C₂H₆- Trennstufe, in der die C₂H₄-reiche Produktfraktion gewonnen wird, geführt,
• d) die C₂H₆-reiche Fraktion aus dem Verfahrensschritt c) einem Crackprozess zugeführt,
• e) die H₂/C₂H₄/C₂H₆-reiche Fraktion aus dem Verfahrensschritt d) nach einer Wäsche, einer Hydrierung und einer Trocknung in der Tieftemperatureinheit, der die kohlenwasserstoffhaltige Einsatzfraktion zugeführt wird, einer ein- oder mehrstufigen partiellen Kondensation unterworfen und
• f) anschließend vor der Zuführung in die C₁/C₂-Trennstufe (Verfahrensschritt a) mit der C₁₊-reichen Fraktion vermischt wird.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber bekannten Verfahren besteht nun darin, dass das Gesamtverfahren nur einen Tieftemperaturanteil sowie die daran anschließenden notwendigen C₁/C₂- bzw. C₂/C₃- und C₂C₄/C₂C₆-Trennstufen aufweist. Dies bedeutet zum einen, dass sich der benötigte Platzbedarf für eine mit diesem Verfahren arbeitende Anlage verringert und dass zum anderen auf Grund der geringeren Zahl von Verdichtern, Kolonnen, Abschneidern und Wärmeaustauschern die Investitionskosten sinken. Darüber hinaus verringern sich jedoch auch die laufenden Betriebskosten, da innerhalb des Tieftemperaturbereiches nunmehr auf Entspannungsturbinen verzichtet werden kann.

Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen davon seien anhand der Fig. 1 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Über Leitung 1 wird der Verdichtereinheit A Erdgas zugeführt, das zunächst von dem Lieferdruck von etwa 10 bar auf etwa 30 bar verdichtet wird. Diese Verdichtung erfolgt in der Regel mittels eines einstufigen Verdichters. Anschließend wird das verdichtete Erdgas mittels Kühlluft abgekühlt und einer CO₂-Abtrenneinheit B zugeführt. Die Entfernung von CO₂ aus dem verdichteten Erdgas kann auf vielfache, dem Fachmann bekannte Art und Weise erfolgen. In der Regel wird dazu jedoch eine chemische Wäsche eingesetzt. Mittels chemischer Wäschen lässt sich der CO₂-Gehalt im Erdgas bis auf etwa 50 ppm reduzieren. Daran anschließend wird das Erdgas über die Leitung 1" der Trocknereinheit C zugeführt. In der Trocknereinheit C wird das Erdgas zunächst wiederum vorgekühlt, wobei die Vorkühltemperatur durch die Erdgaszusammensetzung bestimmt wird. Anschließend wird das Erdgas adsorptiv von Wasser gereinigt. Dazu bietet sich eine aus mindestens zwei Adsorbern bestehende Druckwechseladsorptionsanlage an, wobei ein Adsorber auf Adsorption geschaltet ist, während der zweite Adsorber regeneriert wird. Bei Verwendung eines entsprechenden Adsorptionsmittels kann der größte Teil des noch im Erdgas verbliebenen CO₂ ebenfalls adsorptiv entfernt werden. Das nunmehr gereinigte und getrocknete Erdgas wird über Leitung 2 einer Tieftemperatureinheit D zugeführt. In dieser wird das Erdgas mittels ein- oder mehrstufiger partieller Kondensation soweit zerlegt, bis nahezu die gesamte Ethan- sowie schwerere Kohlenwasserstofffraktionen und ein Teil der Methan- Fraktion kondensiert ist. Der Tieftemperatureinheit D wird zusätzlich über die Leitung 4 ein ebenfalls vorbehandeltes, wobei auf die einzelnen Vorbehandlungsschritte später eingegangen wird, H₂/C₂H₄/C₂H₆-reiches Spaltgas zugeführt. Dieses wird ebenfalls einer ein- oder mehrstufigen partiellen Kondensation unterworfen bis nahezu die gesamte Ethan- und Ethylen-Fraktion kondensiert ist. Die in den einzelnen Kondensationsstufen gewonnenen gasförmigen Fraktionen bilden letztendlich eine H₂- reiche Gasfraktion, das sogenannte Fuelgas. Sämtliche in der Tieftemperatureinheit D gewonnenen Kondensatfraktionen des Erdgases bzw. des Spaltgases werden der C₁/C₂-Trennstufe E über Leitung 12 bzw. 11 zugeführt. Die C₁/C₂-Trennstufe E besteht im wesentlichen aus einer Rektifizierkolonne, der die innerhalb der Tieftemperatureinheit D anfallenden Kondensatströme an den entsprechenden Stellen zugeführt werden. Am Kopf der Rektifizierkolonne wird eine gasförmige Fraktion, bestehend im wesentlichen aus Methan über Leitung 6 abgeführt. Diese gasförmige Fraktion bildet das sogenannte Salesgas. Die C₂₊-Kohlenwasserstofffraktion vom Sumpf der Rektifizierkolonne wird über Leitung 13 der C₂/C₃-Trennstufe F zugeführt. Die C₂/C₃-Trennstufe F besteht wiederum im wesentlichen aus einer Rektifizierkolonne, die im Gegensatz zu der Rektifizierkolonne der C₁/C₂-Trennstufe E, die bei etwa 26 bar arbeitet, bei etwa 24 bar arbeitet. Am Sumpf der Kolonne fällt ein C₃₊-Kohlenwasserstofffraktion an, die über Leitung 14 abgeführt wird. Diese C₃₊- Kohlenwasserstofffraktion kann in weiteren Trennstufen in C₃-, C₄- bzw. C₅₊- Kohlenwasserstofffraktionen zerlegt werden. Ein Teil der gewonnenen C₃-Fraktion deckt die mechanischen Verluste des C₃-Kältekreislaufs. Der Hauptanteil dieser Propanreichen Fraktion kann der Crack- und Quencheinheit H zur Olefinerzeugung zugeführt werden. Die am Kopf der Rektifizierkolonne der C₂/C₃-Trennstufe F anfallende C₂-Kohlenwasserstofffraktion wird über Leitung 15 der C₂H₄/C₂H₆- Trennstufe G zugeführt. Die C₂H₄/C₂H₆-Trennstufe G besteht wiederum im wesentlichen aus einer Rektifizierkolonne, die bei etwa 19 bar arbeitet. Am Kopf dieser Rektifizierkolonne fällt die C₂H₄-Produktfraktion an und wird über Leitung 7 abgezogen. Die am Sumpf der Rektifizierkolonne anfallende C₂H₆-Fraktion wird über Leitung 3 einer Crack- und Quencheinheit H zugeführt. Zwischen den Einheiten G und H wird in der Regel ein C₂H₆-Puffer vorgesehen, der im Falle einer kurzfristigen Verringerung der Erdgasmenge ein Abschalten der Crack- und Quencheinheit verhindert. Zudem kann mittels des in ihm gespeicherten C₂H₆ das Wiederanfahren der Anlage schneller von statten gehen. Der Hauptbestandteil dieser Crack- und Quencheinheit H sind Pyrolyseöfen, die zum thermischen Spalten (Cracken) von Kohlenwasserstoffen dienen. Pyrolyseöfen zum Spalten von Kohlenwasserstoffen sind z. B. in der DE-OS 41 28 521 bzw. in der LINDE-Fachzeitschrift "BERICHTE AUS TECHNIK UND WISSENSCHAFT", Heft 66, 1991, Seite 9 bis 15 beschrieben. Das die Crack- und Quencheinheit H verlassende Spaltgas wird über Leitung 3' einer Wasser- Abtrenneinheit K zugeführt. In dieser wird das Spaltgas bis unter den Taupunkt des Wassers abgekühlt, so daß zusammen mit dem Wasser Koksteile, Teer und schwerere Kohlenwasserstoffdestillate aus dem Spaltgas entfernt werden. Bevor das gereinigte Spaltgas nun über Leitung 3" der Hydriereinheit L zugeführt wird, wird es mehrstufig, vorzugsweise fünfstufig, auf etwa 37 bar verdichtet. Nach jeder der Verdichterstufen wird das Spaltgas vor dem Zuleiten in die nächste Verdichterstufe abgekühlt und die dabei gewonnen Kondensate entfernt. Diese Kondensate bestehen im wesentlichen aus Wasser und schwereren Kohlenwasserstoffen. Die Kohlenwasserstoffe können selbstverständlich ebenfalls den bereits erwähnten Trennstufen für die C₃₊- Kohlenwasserstofffraktionen zugeführt werden. In der Hydriereinheit L findet eine katalytische Hydrierung des Spaltgases statt um im Spaltgas vorhandenes Acetylen selektiv zu Ethylen umzuwandeln. Die Hydriereinheit L besteht dabei im wesentlichen aus einem isothermisch arbeitenden Röhrenreaktor. Der Katalysator befindet sich in der Regel im Inneren der Reaktorrohre. Die Kühlung der Reaktorröhre erfolgt mittels verdampfenden Methanols, wobei das Methanol wiederum nach Abtrennung des flüssigen Methanols gegen Kühlluft kondensiert wird. Das aus der Hydriereinheit austretende H₂/C₂H₄/C₂H₆-reiche Spaltgas wird nach einer Vorkühlung (nicht dargestellt) und einer adsorptiven Trocknung (nicht dargestellt) über Leitung 4, wie bereits beschrieben, der Tieftemperaturtrenneinheit D zugeführt. Die für die Gewinnung der C₂H₄-Produktfraktion in den C₁/C₂-, C₂/C₃- bzw. C₂H₄/C₂H₆-Trennstufen E, F bzw. G sowie der Tieftemperatureinheit D bereitgestellten Propan- oder Propylen- und Ethylenkältekreisläufe ermöglichen es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, auf die ansonsten benötigten Entspannungsturbinen zu verzichten, da diese Kältekreisläufe auch für die Zerlegung des Erdgases noch genügend Kälte bereitstellen.

Claims (3)

1. Verfahren zum Gewinnen einer C₂H₄-reichen Produktfraktion aus einer gereinigten und getrockneten, kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzfraktion, wobei die kohlenwasserstoffhaltige Einsatzfraktion in einer Tieftemperatureinheit mittels einer ein- oder mehrstufigen partiellen Kondensation in eine C₁₊-reiche sowie H₂- reiche Fraktion aufgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass

• a) die C₁₊-reiche Fraktion gemeinsam mit der H₂/C₂H₄/C₂H₆-reichen Fraktion aus den Verfahrensschritten d) und e) in eine C₁/C₂-Trennstufe, in der C₁- Kohlenwasserstoffe und Wasserstoff rektifikatorisch entfernt werden, geführt,
• b) die C₂₊-reiche Fraktion aus dem Verfahrensschritt a) in eine C₂/C₃-Trennstufe, in der C₃₊-Kohlenwasserstoffe entfernt werden, geführt,
• c) die C₂-reiche Fraktion aus dem Verfahrensschritt b) in eine C₂H₄/C₂H₆- Trennstufe, in der die C₂H₄-reiche Produktfraktion gewonnen wird, geführt,
• d) die C₂H₆-reiche Fraktion aus dem Verfahrensschritt c) einem Crackprozess zugeführt,
• e) die H₂/C₂H₄/C₂H₆-reiche Fraktion aus dem Verfahrensschritt d) nach einer Wäsche, einer Hydrierung und einer Trocknung in der Tieftemperatureinheit, der die kohlenwasserstoffhaltige Einsatzfraktion zugeführt wird, einer ein- oder mehrstufigen partiellen Kondensation unterworfen und
• f) anschließend vor der Zuführung in die C₁/C₂-Trennstufe (Verfahrensschritt a) mit der C₁₊-reichen Fraktion vermischt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der C₂H₆-Gehalt der kohlenwasserstoffhaltigen Einsatzfraktion mindestens 10 Mol-%, vorzugsweise 20 Mol-%, insbesondere 30 Mol-% beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Verfahrensschritt b) anfallenden C₃₊-Kohlenwasserstoffe rektifikatorisch in schwere Kohlenwasserstoffkomponenten zerlegt und diese zumindest teilweise ebenfalls dem Crackprozess zugeführt werden.