DE19906602A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Methan - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Methan

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von reinem Methan aus von Wasserdampf (H¶2¶O), Kohlendioxid (CO¶2¶) und schwerer als Methan siedenden Kohlenwassserstoffen (C¶2+¶) gereingitem Erdgas durch Rektifikation, wobei leichter als das Methan siedende Bestandteile abgetrennt werden. Erfindungsgemäß werden das gereinigte Erdgas (1) und ein gasförmiges Kopfprodukt (2) aus der Rektifikation in einen Erdgasspeicher (3) geleitet, in dem Erdgasspeicher (3) durch indirektes Kühlen (4) mit verdampfendem flüssigen Stickstoff ein Anteil mit Methan verflüssigt und ein gasförmig verbleibender Anteil (5) mit leichter als das Methan siedenden Bestandteilen entnommen und der flüssige Methananteil (6) der Rektifikation (7) zugeführt, das reine Methan (8) flüssig als Sumpfproddukt gewonnen und das gasförmige Kopfprodukt (2) gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von reinem Methan aus von Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) und schwerer als Methan siedenden Kohlenwasserstoffen (C2+) gereinigtem Erdgas durch Rektifikation, wobei leichter als das Methan siedende Bestandteile abgetrennt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Erdgasspeicher, einem Methanspeicher und einer Austauschsäule.
Methan unterschiedlicher Reinheit wird in kleinen Mengen als Prüf- und Meßgas und in Pilot- oder kleinen Prozeßanlagen benötigt. Es wird mit den Reinheiten 2.5 bis 5.5 vermarktet. (In diesen Schlüsselzahlen gibt die Ziffer vor dem Punkt die Anzahl der Neunen und die Ziffer nach dem Punkt die nächste numerische Stelle der Reinheit an. Beispielsweise bezeichnet Methan 3.5 eine Reinheit von 99,95 mol % Methan.) Das reine Methan wird aus Erdgas gewonnen. Anlagen hierfür haben eine Kapazität von 100 bis 500 m3/h Methan im Normzustand (bei 1 bar und 15°C). Es ist aufwendig, für unterschiedliche Zwecke Anlagen dieser Größenordnung zu erstellen.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, aufzuzeigen, wie auf der Basis von existierenden Erdgasverflüssigungsanlagen mit wenig zusätzlichem Aufwand Methan unterschiedlicher Reinheit gewonnen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und von einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 5. Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Kennzeichnend an dem erfindungsgemäßen Verfahren ist, daß das gereinigte Erdgas und ein gasförmiges Kopfprodukt aus der Rektifikation in einen Erdgasspeicher geleitet werden, in dem Erdgasspeicher durch indirektes Kühlen mit verdampfendem flüssigen Stickstoff ein Anteil mit Methan verflüssigt und ein gasförmig verbleibender Anteil mit leichter als das Methan siedenden Bestandteilen entnommen und der flüssige Methananteil der Rektifikation zugeführt, das reine Methan flüssig als Sumpfprodukt gewonnen und das gasförmige Kopfprodukt gebildet wird. Die leichter siedenden Bestandteile enthalten beispielsweise Helium, Wasserstoff und Stickstoff. Das Kühlen mit Flüssigstickstoff ermöglicht eine flexible Anpassung des Kältebedarfs bei einem Anlagenbetrieb mit diesem Verfahren. Eine Versorgung mit Flüssigstickstoff kann günstig aus einem Standardtank oder noch günstiger direkt an einer Luftzerlegungsanlage erfolgen. Eine sonst benötigte Kälteanlage kann entfallen. Dadurch werden Investitionskosten eingespart, deren Anteil an den Gesamtproduktkosten bei Kleinanlagen besonders groß ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Erdgas aus einer Erdgasverflüssigungsanlage, beispielsweise aus einem Erdgastank der Erdgasverflüssigungsanlage, als gereinigtes Erdgas verwendet. An Erdgasverflüssigungsanlagen werden nämlich schon vor der Verflüssigung H2O und CO2 adsorptiv bis auf einen Restgehalt von 1 mol ppm entfernt, um bei der nachfolgenden Verflüssigung ein Ausfrieren von H2O und CO2 zu verhindern. Schwerer als das Methan siedende Kohlenwasserstoffe werden mindestens teilweise koadsorbiert oder bei entsprechender Auslegung oder Nachrüstung der Erdgasverflüssigungsanlage, beispielsweise mit einer Druckwechseladsorption nach der H2O- und CO2-Entfernung, auf eine für die Methangewinnung spezifizierte Reinheit entfernt. Mit geringem Aufwand wird auf diese Art ein für die Gewinnung von reinem Methan geeignetes reines Erdgas bereitgestellt.
In der Erdgasverflüssigungsanlage kann ein Roh-Erdgas adsorptiv bis auf Restgehalte unter 1 mol ppm von H2O und CO2 gereinigt werden, wobei C2+ mindestens teilweise mitentfernt wird, anschließend verflüssigt und notwendigenfalls zur Entfernung eines weiteren C2+-Anteils rektifikatorisch nachgereinigt werden, um das gereinigte Erdgas zu erhalten. In diesem Fall wird in der Erdgasverflüssigungsanlage das gereinigte Erdgas durch eine, eventuell nachgerüstete, rektifikatorische Nachreinigung des verflüssigten Erdgases auf eine für die Gewinnung des reinen Methan spezifizierte Reinheit auf einfache Art bereitgestellt.
Das Erdgas kann nach der Verflüssigung, bevor es gegebenenfalls nachgereinigt wird, oder nach der Nachreinigung transportiert werden. Ein solcher Transport erfordert keinen zusätzlichen Aufwand, wenn ein Verbraucher von vornherein mit flüssigem Erdgas (LNG) beliefert wird und mit dem erfindungsgemäßen Verfahren das reine Methan als zusätzliches Produkt gewinnen will.
Kennzeichnend an der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Erdgasspeicher, einem Methanspeicher und einer Austauschsäule ist, daß der Methanspeicher und die Austauschsäule in einer Trennkolonne integriert sind und die Trennkolonne mit dem Erdgasspeicher über eine Gasleitung vom Kopf der Trennkolonne zum Gasraum des Erdgasspeichers und über eine Flüssigkeitsleitung vom Flüssigkeitsraum des Erdgasspeichers zum Kopf der Trennkolonne zu einem Trennkreislauf verbunden sind, wobei der Gasraum des Erdgasspeichers einen Kondensator und der Methanspeicher eine Heizung führen. Der in der Trennkolonne integrierte Methanspeicher ist damit gleichzeitig Aufkocher und der Erdgasspeicher gleichzeitig Kopfkondensator der Austauschsäule. Diese Doppelfunktion ermöglicht einen besonders einfachen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Der Kondensator führt mit Vorteil verdampfenden flüssigen Stickstoff als Kälteträger. Mit einem Flüssigstickstoff-Versorgungstank oder mit einer kryogenen Luftzerlegungsanlage auf dem Gelände der Vorrichtung zur Reinmethangewinnung kann eine sonst notwendige Kälteanlage entfallen.
Der Trennkreislauf kann eine oder mehrere Einspeiseleitungen für das gereinigte Erdgas aufweisen, wobei die Einspeiseleitungen das gereinigte Erdgas gasförmig und/oder flüssig führen.
Die Erfindung wird mit drei Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Reinmethangewinnung an einer Erdgasverflüssigungsanlage.
Fig. 2 zeigt die Reinmethangewinrtung wie in der Fig. 1 an einer Erdgasverflüssigungsanlage mit rektifikatorischer Nachreinigung.
Fig. 3 zeigt das Verfahren wie in Fig. 2 mit einer gegenüber Fig. 2 modifizierten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
In der Fig. 1 ist eine Ausgestaltung der Erfindung schematisch dargestellt. Von Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) und schwerer als Methan siedenden Kohlenwasserstoffen (C2+) gereinigtes Erdgas 1 und ein Gasstrom 2 mit leichter als Methan siedenden Bestandteilen (siehe weiter unten) werden einem Erdgasspeicher 3 zugeführt. In einem Gasraum des Erdgasspeichers 3 wird an einem mit verdampfendem Flüssigstickstoff gekühltem Kondensator 4 ein Anteil mit Methan verflüssigt und ein gasförmig verbleibender Anteil 5 mit leichter als Methan siedenden Bestandteilen wie Helium, Wasserstoff und Stickstoff dem Gasraum entnommen. Der verflüssigte Anteil, der immer noch leichter siedende Bestandteile gelöst enthält, wird in einem unteren Teil des Erdgasspeichers 3 aufgefangen und von dort über eine Flüssigkeitsleitung 6 einer Austauschsäule 7 zugeführt und einer Rektifikation unterworfen. Reines Methan 8 wird aus einem beheizten Sumpf der Austauschsäule, der auch als Methanspeicher 9 verwendet wird entnommen und einer Verwendung zugeführt. Mit der Heizung 10 des Sumpfes wird in der Austauschsäule 7 aufsteigender Dampf erzeugt und vom Kopf der Austauschsäule 7 der mit den leichter siedenden Bestandteilen angereicherte Gasstrom 2 in den Erdgasspeicher 3 zurückgeführt.
Das gereinigte Erdgas 1 für die Reinmethangewinnung 2 bis 10 wird in einer Erdgasverflüssigungsanlage mit einem Methananteil von etwa 98 mol% gewonnen. Roh-Erdgas 11 wird hierzu einer adsorptiven Reinigung 12 unterzogen. In der adsorptiven Reinigung 12 werden H2O und CO2 bis auf unter 1 mol ppm aus dem Roh- Erdgas 11 entfernt und C2+ mindestens in dem Maße, wie es das Reinmethanprodukt 8 erfordert. Dies kann an einer vorgegebenen Erdgasverflüssigungsanlage eine Nachrüstung der adsorptiven Reinigung, beispielsweise mit einer in der Fig. 1 nicht dargestellten Druckwechseladsorption, erfordern. Adsorptiv gereinigtes Erdgas 13 wird mindestens zeitweise oder teilweise einem Verflüssiger 14 zugeführt und gereinigtes Erdgas 1 gasförmig und/oder flüssig der Reinmethangewinnung zugeführt.
Fig. 2 zeigt die erfindungsgemäße Reinmethangewinnung in der Ausgestaltung wie in der Fig. 1. Anders als in der Fig. 1 wird in einer Erdgasverflüssigungsanlage verflüssigtes Erdgas 15 mit einem hohen C2+-Anteil gewonnen und einer unter Umständen nachgerüsteten C2+-Abtrennung zugeführt. Zusammen mit flüssigem Erdgas 16 aus einem LNG-Behälter 17, oder zeitweise nur über den Strom 15 oder 16, bildet es den Rücklauf in einer Austauschsäule 18 zur Abtrennung von C2+. Mit C2+ angereicherte Flüssigkeit 19 wird dem Sumpf 20 der Säule 18 entnommen. Mit der Heizung 21 am Sumpf der Säule wird Sumpfflüssigkeit verdampft und am Kopf der Säule 18 eine bezüglich C2+ abgereicherte gasförmige Fraktion 22 gewonnen und in den LNG-Behälter 17 geleitet. In einem Gasraum des LNG-Behälters 17 wird an einem mit verdampfendem Flüssigstickstoff gekühlten Kondensator 23 die Fraktion 22 nahezu vollständig verflüssigt. Ein gasförmig verbleibender Anteil 24 wird dem LNG- Behälter 17 gasförmig entnommen. Das gereinigte Erdgas 1, 1' wird dem LNG-Behälter 17 gasförmig und/oder flüssig entnommen und der Reinmethangewinnung zugeführt.
Fig. 3 zeigt die erfindungsgemäße Reinmethangewinnung wie in der Fig. 1 und 2. Anders als in der Fig. 2 ist bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Erdgasspeicher 3 mit dem LNG-Behälter 17 zu einem Behälter 3, 17 zusammengefaßt.
Für die Ausgestaltungen der Erfindung in Fig. 1 bis 3 gilt gleichermaßen, daß der Erdgasspeicher 3 mit der Trennkolonne 7, aber auch der LNG-Behälter 17 mit der Trennkolonne 18 als geschlossenes System betrieben werden können (Chargen- Betrieb) und alternativ als offenes System einen kontinuierlichen Betrieb ermöglichen.
Beispiel: Roherdgas aus einer Pipeline wird in einer Erdgasverflüssigungsanlage gereinigt und verflüssigt. Das gereinigte Erdgas besteht zu 98 mol% aus Methan und enthält an Verunreinigungen hauptsächlich ungefähr 1 mol% Stickstoff. 300 ms/h (im Normzustand bei 15° und 1 bar) des gereinigten Erdgases werden einer Reinmethangewinnung gemäß Erfindung unterzogen. Gewonnen werden mindestens 298 m3/h Methan mit einer Reinheit von 99,9 mol%. Dabei fallen bis zu 2 m3/h eines Gasstromes mit dem leichter siedenden Stickstoff an und werden einer Fackel zugeführt. Das Produkt wird flüssig auf hohen Druck gepumpt, verdampft, angewärmt und in Druckgasflaschen gefüllt.

Claims (7)

1. Verfahren zur Gewinnung von reinem Methan aus von Wasserdampf (H2O), Kohlendioxid (CO2) und schwerer als Methan siedenden Kohlenwasserstoffen (C2+) gereinigtem Erdgas durch Rektifikation, wobei leichter als das Methan siedende Bestandteile abgetrennt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das gereinigte Erdgas und ein gasförmiges Kopfprodukt aus der Rektifikation in einen Erdgasspeicher geleitet werden, in dem Erdgasspeicher durch indirektes Kühlen mit verdampfendem flüssigen Stickstoff ein Anteil mit Methan verflüssigt und ein gasförmig verbleibender Anteil mit leichter als das Methan siedenden Bestandteilen entnommen und der flüssige Methananteil der Rektifikation zugeführt, das reine Methan flüssig als Sumpfprodukt gewonnen und das gasförmige Kopfprodukt gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Erdgas aus einer Erdgasverflüssigungsanlage, beispielsweise aus einem Erdgastank der Erdgasverflüssigungsanlage, als gereinigtes Erdgas verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Erdgasverflüssigungsanlage ein Roh-Erdgas adsorptiv bis auf Restgehalte unter 1 mol ppm von H2O und CO2 gereinigt wird, wobei C2+ mindestens teilweise mitentfernt wird, anschließend verflüssigt und notwendigenfalls zur Entfernung eines weiteren C2+-Anteils rektifikatorisch nachgereinigt wird, um das gereinigte Erdgas zu erhalten.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Erdgas nach der Verflüssigung, bevor es gegebenenfalls nachgereinigt wird, oder nach der Nachreinigung transportiert wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einem Erdgasspeicher, einem Methanspeicher und einer Austauschsäule, dadurch gekennzeichnet, daß der Methanspeicher und die Austauschsäule in einer Trennkolonne integriert sind und die Trennkolonne mit dem Erdgasspeicher über eine Gasleitung vom Kopf der Trennkolonne zum Gasraum des Erdgasspeichers und über eine Flüssigkeitsleitung vom Flüssigkeitsraum des Erdgasspeichers zum Kopf der Trennkolonne zu einem Trennkreislauf verbunden sind, wobei der Gasraum des Erdgasspeichers einen Kondensator und der Methanspeicher eine Heizung führen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator verdampfenden flüssigen Stickstoff als Kälteträger führt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Trennkreislauf mindestens eine Einspeiseleitung für das gereinigte Erdgas aufweist.
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