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DE102010044646A1 - Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff und Wasserstoff aus Erdgas - Google Patents

Verfahren zum Abtrennen von Stickstoff und Wasserstoff aus Erdgas Download PDF

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DE102010044646A1
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Dr. Schmidt Hans
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Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und leichteren Komponenten, insbesondere Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Neon und Argon, aus einer zu Wasserstoff enthaltenden Einsatzfraktion, beschrieben, wobei die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältekreislaufes erfolgt. Erfindungsgemäß wird a) die Einsatzfraktion (1) partiell kondensiert (E1), b) in wenigstens einer Rektifizierkolonne (T) in eine Methan-reiche Fraktion (6) und eine Stickstoff und leichtere Komponenten enthaltende Fraktion (4) aufgetrennt, und c) die Methan-reiche Fraktion (6) unterkühlt, d) wobei die Kühlung des Kopfkondensators (E2) der Rektifizierkolonne (T) durch das Kältemittel oder Kältemittelgemisch oder einen Teilstrom des Kältemittels oder Kältemittelgemisches des oder wenigstens eines Kältekreislaufes (20–24) erfolgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und leichteren Komponenten, insbesondere Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Neon und Argon, aus einer zu verflüssigenden, wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatzfraktion, wobei die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältekreislaufes erfolgt.
  • Für die Gewinnung von verflüssigtem Methan (LNG) werden in der jüngeren Vergangenheit neue ”Erdgasquellen” genutzt. Diese neuen Erdgasquellen stellen beispielsweise die Kohlevergasung oder Methanisierung dar. Die aus diesen Prozessen abgezogenen Gasgemische weisen neben der Hauptkomponente Methan Wasserstoff-Gehalte bis über 20 Vol-% sowie Stickstoff-Gehalte von mehr als 10 Vol-% auf. Darüber hinaus können diese Gasgemische Spuren von Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Neon und Argon enthalten. Neben dem Stickstoff muss auch der Wasserstoff aus dem zu verflüssigenden Methan abgetrennt werden, um die geforderten Spezifikationen für das LNG-Produkt einhalten zu können. Problematisch ist, dass der Wasserstoff zwar vergleichsweise tief siedet, jedoch im verflüssigten Methan sehr gut löslich ist.
  • Sofern das LNG-Produkt, wie dies üblicherweise der Fall ist, zwischengelagert wird, darf der Stickstoff-Gehalt einen Wert von 1 Vol-% nicht übersteigen, da es ansonsten im LNG-Speicherbehälter zu einem unerwünschten Roll-Over-Effekt kommen kann.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und leichteren Komponenten aus einer zu verflüssigenden, wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatzfraktion anzugeben, das zum einen eine ausreichende Abtrennung des Stickstoffs ermöglicht und zum anderen die gleichzeitige Abtrennung von Wasserstoff, vorzugsweise bei einem vergleichsweise hohen Druck, ermöglicht.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und leichteren Komponenten aus einer zu verflüssigenden, wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatzfraktion vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass
    • a) die Einsatzfraktion partiell kondensiert wird,
    • b) in wenigstens einer Rektifizierkolonne in eine Methan-reiche Fraktion und eine Stickstoff und leichtere Komponenten enthaltende Fraktion aufgetrennt wird, und
    • c) die Methan-reiche Fraktion unterkühlt wird,
    • d) wobei die Kühlung des Kopfkondensators der Rektifizierkolonne durch das Kältemittel oder Kältemittelgemisch oder einen Teilstrom des Kältemittels oder Kältemittelgemisches des oder wenigstens eines Kältekreislaufes erfolgt.
  • Erfindungsgemäß werden nunmehr der in der Einsatzfraktion enthaltene Stickstoff sowie die ebenfalls enthaltenen leichteren Komponenten gemeinsam in einer Rektifizierkolonne aus der Einsatzfraktion abgetrennt. Da die Einsatzfraktion vor ihrer Verflüssigung üblicherweise auf einen Druck zwischen 40 und 90 bar verdichtet und vor ihrer Zuführung in die Rektifizierkolonne auf einen Druck zwischen 20 und 40 bar gedrosselt wird, können die abgetrennten Komponenten bei einem vergleichsweise hohen Druck gewonnen werden. Insbesondere im Falle der vergleichsweise wertvollen Komponente Wasserstoff ist eine Gewinnung bei hohem Druck erwünscht, da der Wasserstoff im Regelfall einer weiteren Verwendung zugeführt wird. Von Vorteil bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist ferner, dass durch die Integration der Abtrennung von leichteren Komponenten in den Stickstoff-Abtrennprozess die Investitionskosten, die ansonsten für eine separate Abtrennung der leichteren Komponenten erforderlich wären, eingespart werden können.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Abtrennung von Stickstoff und leichteren Komponenten aus einer zu verflüssigenden, wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatzfraktion sind dadurch gekennzeichnet, dass
    • – die Einsatzfraktion einen Methan-Gehalt zwischen 50 und 90 Vol-%, einen Stickstoff-Gehalt zwischen 1 und 30 Vol-% und einen Wasserstoff-Gehalt zwischen 1 und 30 Vol-% aufweist,
    • – die Stickstoff und leichtere Komponenten enthaltende. Fraktion gegen die abzukühlende Einsatzfraktion angewärmt wird, wobei diese Abkühlung vor und/oder nach einer ggf. vorzusehenden Trocknung der Einsatzfraktion erfolgt,
    • – die Kondensatortemperatur des Kopfkondensators der Rektifizierkolonne variiert werden kann,
    • – sofern die verflüssigte Methan-reiche Fraktion zwischengespeichert wird, bei der Zwischenspeicherung anfallendes Tankrückgas verdichtet und der zu verflüssigenden Einsatzfraktion zugeführt wird,
    • – ein Teilstrom der zu verflüssigenden Einsatzfraktion der Rektifizierkolonne als Strippgasstrom im Sumpf der Rektifizierkolonne und/oder im Aufkocher der Rektifizierkolonne gekühlt und der Rektifizierkolonne als weiterer Einsatzstrom zugeführt wird, und
    • – sofern die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen Kältemittel und/oder Kältemittelgemische wenigstens zweier Kältekreisläufe erfolgt, die Kühlung des Kopfkondensators der Rektifizierkolonne mittels eines separaten Kältekreislaufes oder durch zumindest einen Teilstrom des Kältemittels oder Kältemittelgemisches des leichtesten Kältekreislaufes erfolgt, wobei diese vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere für LNG-Anlagen mit größerer Kapazität geeignet ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und leichteren Komponenten aus einer zu verflüssigenden, wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatzfraktion sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Über Leitung 1 wird die wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltende Einsatzfraktion einer ggf. vorzusehenden Vorreinigungs-Einheit R zugeführt. Diese umfasst bei niedrigen Drückender Einsatzfraktion eine Verdichtung auf einen Druck zwischen 40 und 90 bar sowie im Regelfall eine Kohlendioxid- und Quecksilber-Entfernung sowie Trocknung. Die derart vorbehandelte Einsatzfraktion wird anschließend über Leitung 2 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem abgekühlt und partiell kondensiert. Der Wärmetauscher E1 ist üblicherweise als Plattenwärmetauscher oder als gewickelter Wärmetauscher ausgeführt. Bei entsprechend großen Kapazitäten werden ggf. mehrere, parallel zueinander und/oder hintereinander angeordnete Wärmetauscher vorgesehen.
  • Die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion erfolgt gegen wenigstens einen, beliebig ausgeführten Kältekreislauf, der in der Figur lediglich schematisch durch die Leitungsabschnitte 20 bis 24, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, dargestellt ist. Dieser Kältekreislauf ist vorzugsweise als Expander- oder Gemischkreislauf ausgebildet.
  • Die partiell kondensierte Einsatzfraktion wird über Leitung 3, in der ein Entspannungsventil a vorgesehen sein kann, der Rektifizierkolonne T zugeführt und in dieser in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt. Am Kopf der Rektifizierkolonne T wird über Leitung 4 eine Stickstoff sowie die leichteren Komponenten, insbesondere Wasserstoff enthaltende Fraktion abgezogen. Diese wird im Wärmetauscher E1 gegen die abzukühlende Einsatzfraktion angewärmt und anschließend über Leitung 5 an der Anlagengrenze abgegeben. Alternativ oder ergänzend hierzu kann die über Leitung 4 abgezogene Fraktion auch für die Vorkühlung der Einsatzfraktion 1 vor deren Trocknung in R herangezogen werden, um den Wassergehalt der Einsatzfraktion 1 vor der Trocknung in R zu reduzieren.
  • Sofern die zu verflüssigende Einsatzfraktion 1 schwere Kohlenwasserstoffe enthält, ist vorzugsweise vor der Rektifizierungskolonne T eine Abtrennung dieser schweren Kohlenwasserstoffe zu realisieren. Diese Abtrennung kann in einem SKW-Abscheider, einem Deethanizer, einem Depropanizer, etc. erfolgen.
  • Aus dem Sumpf der Rektifizierkolonne T wird über Leitung 6 eine Methan-reiche Flüssigfraktion mit einem Stickstoff-Gehalt von typischerweise weniger als 3 Vol-% abgezogen und im Wärmetauscher E1 gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch 23 des Kältekreislaufes unterkühlt. Über Leitung 7 wird das derart gewonnene LNG-Produkt nach Entspannung im Ventil b einem Speicherbehälter S zugeführt.
  • Innerhalb des Speicherbehälters S anfallendes Tankrückgas wird über die Leitung 8 aus dem Speicherbehälter S abgezogen, sofern erforderlich im Verdichter V ein- oder mehrstufig verdichtet und der Einsatzfraktion 1, vorzugsweise vor ihrer Abkühlung zugeführt. Alternativ kann das Tankrückgas auch einem Brenngassystem zugeführt oder an der Anlagengrenze abgegeben werden.
  • Die Kühlung des Kopfkondensators E2 der Rektifizierkolonne T erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kältemittel oder Kältemittelgemisch oder einen Teilstrom des Kältemittels bzw. Kältemittelgemisches. Bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform wird ein Teil des Kältemittel(gemisch)stroms über Leitung 22 dem Kopfkondensator E2 zugeführt und nach Durchgang durch diesen über Leitung 23 durch den Wärmetauscher E1 geführt. Das in ihm gegen die abzukühlende Einsatzfraktion angewärmte Kältemittel(gemisch) wird anschließend über Leitung 24 aus dem Wärmetauscher E1 abgezogen. Der nicht dem Kopfkondensator E2 zugeführte Teilstrom des Kältemittels bzw. Kältemittelgemisches wird über Leitung 21, in der ein Regelventil d vorgesehen ist, geführt.
  • Der Kopfkondensator E2 kann entweder als Plattentauscher, gewickelter Wärmetauscher oder TEMA-Tauscher ausgebildet und in oder oberhalb der Rektifizierkolonne T angeordnet sein, wobei eine Anordnung oberhalb der Rektifizierkolonne T eine Rücklaufpumpe obsolet macht. Durch Variation der Kolonnenhöhe und der Kondensatortemperatur kann der Methan-Gehalt in der über Leitung 4 abgezogenen Fraktion nahezu beliebig, nämlich zwischen ca. 10 ppm bis einige Vol-%, eingestellt werden.
  • In vorteilhafter Weise wird über Leitung 9 ein Teilstrom der zu verflüssigenden Einsatzfraktion durch den Aufkocher E3 der Rektifizierkolonne T, durch den der Stickstoff-Gehalt des im Speicherbehälter S gelagerten LNG-Produkts unter 1 Vol-% gehalten werden kann, geführt, anschließend im Ventil c entspannt und über Leitung 9' der Rektifizierkolonne T als zusätzlicher Einsatzstrom zugeführt. Alternativ dazu kann auch ein Teilstrom der zu verflüssigenden Einsatzfraktion vor oder nach erfolgter Abkühlung im Wärmetauscher E1 als Strippgasstrom im Sumpf der Rektifizierkolonne T eingesetzt oder ein Teilstrom des Kältemittel(gemische)s als Wärmequelle für den Aufkocher E3 verwendet werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und leichteren Komponenten aus einer zu verflüssigenden, wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatzfraktion ist in vorteilhafter Weise bei Stickstoff- und Wasserstoff-Gehalten bis jeweils 30 Vol-% einsetzbar. Dabei wirken sich auch vergleichsweise hohe Wasserstoff-Gehalte in der zu verflüssigenden Einsatzfraktion nur untergeordnet auf den Gesamtenergiebedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, da ein Teil der Kälte durch die Anwärmung der aus dem Kopf der Rektifizierkolonne T abgezogenen, Stickstoff sowie die leichteren Komponenten, insbesondere Wasserstoff enthaltenden Fraktion zurückgewonnen wird.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Abtrennung von Stickstoff und leichteren Komponenten, insbesondere Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Neon und Argon, aus einer zu verflüssigenden, wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltenden Einsatzfraktion, wobei die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch wenigstens eines Kältekreislaufes erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Einsatzfraktion (1) partiell kondensiert wird (E1), b) in wenigstens einer Rektifizierkolonne (T) in eine Methan-reiche Fraktion (6) und eine Stickstoff und leichtere Komponenten enthaltende Fraktion (4) aufgetrennt wird, und c) die Methan-reiche Fraktion (6) unterkühlt wird, d) wobei die Kühlung des Kopfkondensators (E2) der Rektifizierkolonne (T) durch das Kältemittel oder Kältemittelgemisch oder einen Teilstrom des Kältemittels oder Kältemittelgemisches des oder wenigstens eines Kältekreislaufes (20–24) erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsatzfraktion (1) einen Methan-Gehalt zwischen 50 und 90 Vol-%, einen Stickstoff-Gehalt zwischen 1 und 30 Vol-% und einen Wasserstoff-Gehalt zwischen 1 und 30 Vol-% aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stickstoff und leichtere Komponenten enthaltende Fraktion (4) gegen die abzukühlende Einsatzfraktion (1, 2) angewärmt wird (E1), wobei die Abkühlung der Einsatzfraktion (1) vor und/oder nach einer ggf. vorzusehenden Trocknung (R) der Einsatzfraktion (1) erfolgt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatortemperatur des Kopfkondensators (E2) der. Rektifizierkolonne (T) variiert werden kann.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei die verflüssigte Methan-reiche Fraktion zwischengespeichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Zwischenspeicherung (S) anfallendes Tankrückgas (8) verdichtet (V) und der zu verflüssigenden Einsatzfraktion (1) zugeführt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom der zu verflüssigenden Einsatzfraktion (1) der Rektifizierkolonne (T) als Strippgasstrom im Sumpf der Rektifizierkolonne (T) und/oder im Aufkocher (E3) der Rektifizierkolonne (T) gekühlt und der Rektifizierkolonne (T) als weiterer Einsatzstrom zugeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion gegen Kältemittel und/oder Kältemittelgemische wenigstens zweier Kältekreisläufe erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des Kopfkondensators (E2) der Rektifizierkolonne (T) mittels eines separaten Kältekreislaufes oder durch zumindest einen Teilstrom des Kältemittels oder Kältemittelgemisches des leichtesten Kältekreislaufes erfolgt.
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