VERFAHREN ZUR STICKSTOFF-ABTRENNUNG AUS LNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen einer Stickstoff-angereicherten Fraktion aus einer verflüssigten Methan-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion, wobei
- die verflüssigte Methan-reiche, Stickstoff-enthaltende Fraktion einem Stripprozess, dem eine Methan-reiche Fraktion als Stripp-Medium zugeführt wird, unterworfen wird,
- in dem Stripprozess eine an Stickstoff-abgereicherte, Methan-reiche Flüssigfraktion und eine Stickstoff-angereicherte Fraktion gewonnen werden,
- die Stickstoff-angereicherte Fraktion verdichtet, abgekühlt und in einem rektifikatorischen Doppelkolonnenprozess in eine Methan-reiche Flüssigfraktion und eine Stickstoff-reiche Gasfraktion aufgetrennt wird, und
- die Methan-reiche Flüssigfraktion und die Stickstoff-reiche Gasfraktion der Abkühlung der Stickstoff-angereicherten Fraktion dienen.
Erfindungsgemäß wird zumindest ein Teilstrom (8, 20, 31, 33) der wiederverdampften Methan-reichen Flüssigfraktion (7) dem Stripprozess (T) als Stripp-Medium zugeführt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen einer Stickstoff-angereicherten Fraktion aus einer verflüssigten Methan-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion,wobei

• die verflüssigte Methan-reiche, Stickstoff-enthaltende Fraktion einem Stripprozess, dem eine Methan-reiche Fraktion als Stripp-Medium zugeführt wird, unterworfen wird,
• in dem Stripprozess eine an Stickstoff-abgereicherte, Methan-reiche Flüssigfraktion und eine Stickstoff-angereicherte Fraktion gewonnen werden,
• die Stickstoff-angereicherte Fraktion verdichtet, abgekühlt und in einem rektifikatorischen Doppelkolonnenprozess in eine Methan-reiche Flüssigfraktion und eine Stickstoff-reiche Gasfraktion aufgetrennt wird, und
• die Methan-reiche Flüssigfraktion und die Stickstoff-reiche Gasfraktion der Abkühlung der Stickstoff-angereicherten Fraktion dienen.

[0002] Bei der Verflüssigung einer Methan-reichen Fraktion, insbesondere von Erdgas, erhält man eine verflüssigte Methan-reiche Fraktion, insbesondere LNG (Liquefied Natural Gas), die zwischengespeichert oder unmittelbar ihrer weiteren Verwendung zugeführt wird. Die geforderte Stickstoff-Spezifikation der verflüssigten Methan-reichen Fraktion wird üblicherweise mittels Entspannung der verflüssigten Methan-reichen Fraktion auf niedrigen Druck eingestellt.

[0003] Die Unterkühlungsbedingungen der verflüssigten Methan-reichen Fraktion bestimmen den Stickstoff-Gehalt der verflüssigten Methan-reichen Fraktion nach deren Entspannung. Sofern der Entspannungseffekt nicht ausreicht, die vorgegebene Stickstoff-Spezifikation zu erreichen, kann ein Stripp-Prozess vorgesehen werden, mittels dem aus der verflüssigten Methan-reichen Fraktion Stickstoff abgetrennt wird. Betrieben wird der Stripp-Prozess bzw. die dafür verwendete Strippkolonne mittels eines im Sumpfbereich vorgesehenen Aufkochers und/oder der Zuführung eines Teilstromes der noch nicht verflüssigten Methan-reichen Fraktion als Stripp-Medium. Die am Kopf der Strippkolonne abgezogene Stickstoff-reiche Gasfraktion, deren Stickstoff-Gehalt zwischen 20 und 40 mol-% beträgt, wird im Regelfall als Brenngas für den vorgeschalteten Verflüssigungsprozess der Methan-reichen Fraktion genutzt. Ist eine Nutzung als Brenngas nicht möglich, wird oftmals eine kryogene Auftrennung dieser Stickstoff-reichen Gasfraktion in eine Stickstoff- und eine Methan-reiche Gas- bzw. Flüssigfraktion realisiert.

[0004] Diese zum Stand der Technik zählende Verfahrensweise wird nachfolgend anhand der in der Figur 1 dargestellten Verfahrensführung näher erläutert.

[0005] Die verflüssigte Methan-reiche Fraktion (100) wird zunächst im Reboiler E4 gegen einen verdampfenden Sumpfstrom (109) der Strippkolonne (T) unterkühlt und nach Entspannung (a) auf einen Druck zwischen 1.2 und 2.5 bar der Strippkolonne (T) zugeführt. Aus dem Sumpf der Strippkolonne (T) wird eine an Stickstoff-abgereicherte Methan-reiche Flüssigfraktion (101), ggf. unter Zuhilfenahme einer Pumpe (P1), ihrer weiteren Verwendung zugeführt. Als Stripp-Medium (102) wird der Strippkolonne (T) ein Teilstrom der zu verflüssigenden Methan-reichen Fraktion zugeführt, wobei diese im Wärmetauscher E1 abgekühlt und vor ihrer Zuführung in die Strippkolonne (T) auf einen Druck zwischen 1.2 und 2.5 bar entspannt wird (b).

[0006] Am Kopf der Strippkolonne (T) wird eine Stickstoff-angereicherte Fraktion (103) abgezogen, deren Stickstoff-Gehalt zwischen 20 und 40 mol-% beträgt. Diese Fraktion wird in einem Wärmetauscher (E1) gegen das abzukühlende Stripp-Medium (102) angewärmt, auf einen Druck zwischen 25 und 50 bar verdichtet (C1) und anschließend (104) nach Abkühlung in einem weiteren Wärmetauscher (E2) gegen anzuwärmende Verfahrensströme dem Sumpfbereich einer Hochdruckkolonne (T1) zugeführt. Oberhalb der Hochdruckkolonne (T1) ist eine Niederdruckkolonne (T2) angeordnet, wobei beide Kolonnen über einen Rücklaufkondensator (K) miteinander verbunden sind. Während die Hochdruckkolonne (T1) üblicherweise bei einem Druck zwischen 22 und 29 bar betrieben wird, liegt der Druck der Niederdruckkolonne (T2) zwischen 1.6 und 2.2 bar.

[0007] Aus dem Sumpf der Hochdruckkolonne (T1) wird eine Methan-reiche Flüssigfraktion (105) abgezogen, in einem weiteren Wärmetauscher (E3) gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt und über ein Ventil (c) dem mittleren Bereich der Niederdruckkolonne (T2) zugeführt. Im Kopfbereich der Hochdruckkolonne (T1) wird eine Stickstoff-reiche Flüssigfraktion (106) abgezogen, gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt (E3) und über ein Ventil (d) der Niederdruckkolonne (T2) oberhalb des Zuspeisepunktes der Methan-reichen Flüssigfraktion (105) zugeführt. Ein Teilstrom der abgezogenen Stickstoff-reichen Flüssigfraktion wird der Hochdruckkolonne (T1) als Rücklauf (106') aufgegeben.

[0008] Am Kopf der Niederdruckkolonne (T2) wird eine Stickstoff-reiche Gasfraktion (107) abgezogen, gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt (E2, E3) und anschließend an die Atmosphäre abgegeben. Aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne (T2) wird eine Methan-reiche Flüssigfraktion (108) mittels einer Pumpe (P2) abgezogen, gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und verdampft (E2, E3) sowie anschließend auf den Druck der zu verflüssigenden Methan-reichen Fraktion verdichtet (C2). Sodann wird diese Fraktion der zu verflüssigenden Methan-reichen Fraktion an geeigneter Stelle zugeführt. Alternativ kann die Methan-reiche Flüssigfraktion (108) auch direkt der in der Strippkolonne (T) gewonnenen Methan-reichen Flüssigfraktion (101) zugemischt werden. Dies setzt jedoch voraus, dass für die Abkühlung der vorbeschriebenen Verfahrensströme in den Wärmetauschern (E2, E3) eine externe Kältebereitstellung vorhanden ist.

[0009] Die vorbeschriebene Verfahrensführung erfordert eine verfahrenstechnische Interaktion mit anderen Anlagenteilen der gesamten Verflüssigungsanlage - bei der es sich üblicherweise um eine Erdgas-Verflüssigungsanlage handelt -, wie bspw. dem Brenngas-System, der Kältebereitstellung, etc. Bei der Neukonzeption einer Anlage stellt dies kein grundsätzliches Problem dar. Anders verhält es sich jedoch, wenn eine derartige, der Stickstoff-Abtrennung aus einer Methan-reichen Flüssigfraktion, insbesondere aus LNG dienende Verfahrensführung in eine bereits projektierte oder im Betrieb befindliche Anlage integriert werden soll. Dies ist dann gewünscht oder erforderlich, wenn sich die Zusammensetzung, insbesondere der Stickstoffgehalt der zu verflüssigenden Methan-reichen Fraktion ändert oder ein standardisierter Verflüssigungsprozess, insbesondere ein aus mehreren parallelen Strängen bestehender Verflüssigungsprozess, verwendet wird.

[0010] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren zum Abtrennen einer Stickstoff-angereicherten Fraktion aus einer verflüssigten Methan-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion anzugeben, dass bei bereits bestehenden Anlagen nachgerüstet werden kann, ohne dass es einer nennenswerten, verfahrenstechnischen Verbindung mit anderen Anlagenteilen bedarf.

[0011] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren vorgeschlagen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest ein Teilstrom der wiederverdampften Methan-reichen Flüssigfraktion dem Stripprozess als Stripp-Medium zugeführt wird.

[0012] Erfindungsgemäß kann darauf verzichtet werden, dem Stripprozess von außen eine Methan-reiche Flüssigfraktion als Stripp-Medium zuzuführen. Diese Aufgabe wird nunmehr von der aus dem Sumpf der Niederdruckkolonnen abgezogenen Methan-reiche Flüssigfraktion oder einem Teilstrom dieser Fraktion übernommen.

[0013] Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Abtrennung einer Stickstoff-reichen Fraktion aus einer verflüssigten, Stickstoff-enthaltenden Methan-reichen Fraktion sowie die Auftrennung der abgetrennten Stickstoff-reichen Fraktion in eine Stickstoff-reiche Gasfraktion und eine Methan-reiche Flüssigfraktion in einem eigenständigen Anlagenteil zu realisieren, der im Wesentlichen auf eine verfahrenstechnische Interaktion mit anderen Anlagenteilen der gesamten Verflüssigungsanlage verzichten kann. Somit ist auch ein Nachrüsten bestehender Anlagen problemlos realisierbar.

[0014] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstände der abhängigen Patentansprüche.

[0015] Das erfindungsgemäße Verfahren sei nachfolgend anhand der in den Figuren 2 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

[0016] Bei diesen wird die verflüssigte Methan-reiche Fraktion (1) zunächst in einem Reboiler (E4) gegen einen verdampfenden Sumpfstrom (25) der Strippkolonne (T) unterkühlt und nach ihrer Entspannung (a) auf einen Druck zwischen 1.2 und 2.5 bar der Strippkolonne (T) zugeführt. In vorteilhafter Weise erfolgt diese Entspannung (a) in einem Expander. Von Vorteil ist ferner, wenn die verflüssigte Methan-reiche Fraktion (1) in unterkühlter Form vorliegt.

[0017] Aus dem Sumpf der Strippkolonne (T) wird eine an Stickstoff-abgereicherte Methan-reiche Flüssigfraktion (2), ggf. unter Zuhilfenahme einer Pumpe (P1), abgezogen und ihrer weiteren Verwendung zugeführt. Am Kopf der Strippkolonne (T) wird eine Stickstoff-angereicherte Fraktion (3) abgezogen, deren Stickstoff-Gehalt zwischen 20 und 40 mol-% beträgt. Diese Fraktion wird in einem Wärmetauscher (E1) gegen das abzukühlende Stripp-Medium, auf das im Folgenden noch eingegangen wird, angewärmt, auf einen Druck zwischen 25 und 50 bar verdichtet (C1) und anschließend (4) nach Abkühlung in einem weiteren Wärmetauscher (E2) gegen anzuwärmende Verfahrensströme dem Sumpfbereich einer Hochdruckkolonne (T1) zugeführt. Oberhalb der Hochdruckkolonne (T1) ist eine Niederdruckkolonne (T2) angeordnet, wobei beide Kolonnen über einen Rücklaufkondensator (K) miteinander verbunden sind.

[0018] Aus dem Sumpf der Hochdruckkolonne (T1) wird eine Methan-reiche Flüssigfraktion (5) abgezogen, in einem weiteren Wärmetauscher (E3) gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt und über ein Ventil (c) dem mittleren Bereich der Niederdruckkolonne (T2) zugeführt. Im Kopfbereich der Hochdruckkolonne (T1) wird eine Stickstoff-reiche Flüssigfraktion (6) abgezogen, gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt (E3) und über ein Ventil (d) der Niederdruckkolonne (T2) oberhalb des Zuspeisepunktes der Methan-reichen Flüssigfraktion (5) zugeführt. Ein Teilstrom der abgezogenen Stickstoff-reichen Flüssigfraktion wird der Hochdruckkolonne (T1) als Rücklauf (6') aufgegeben.

[0019] Am Kopf der Niederdruckkolonne (T2) wird eine Stickstoff-reiche Gasfraktion (10) abgezogen, gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt (E2, E3) und anschließend, zumindest teilweise an die Atmosphäre abgegeben (11). Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Teilstrom (12) dieser Stickstoff-reichen Gasfraktion der aus der Strippkolonne (T) abgezogenen, Stickstoff-angereicherten Fraktion (3) vor deren Verdichtung zugemischt. Diese Verfahrensführung ermöglicht die Einstellung einer optimalen und konstanten Zusammensetzung der zu verdichtenden Stickstoff-angereicherten Fraktion (4).
Aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne (T2) wird eine Methan-reiche Flüssigfraktion (7) mittels einer Pumpe (P2) abgezogen. Bei dem in der Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel wird diese Fraktion gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt und verdampft (E2, E3), und nach ihrer Abkühlung (E1) gegen die aus der Strippkolonne (T) abgezogene, Stickstoff-angereicherte Fraktion (3) auf einen Druck zwischen 1.2 und 2.5 bar entspannt (e) und der Strippkolonne (T) als Stripp-Medium (8) zugeführt. Hierbei kann ein Teilstrom (9) der angewärmten Methan-reichen Fraktion der aus der Strippkolonne (T) abgezogenen, Stickstoff-angereicherten Fraktion (3) vor deren Verdichtung nach einer Entspannung (f) zugemischt werden.

[0020] Bei dem in der Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne (T2) abgezogene Methan-reiche Flüssigfraktion (7) zunächst ebenfalls gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt (E3). Sodann wird ein Teil dieser Fraktion (19) gegen einen Sumpfstrom (25) im Reboiler (E4) der Strippkolonne (T) unterkühlt und dient somit als Heizmedium. Zusätzlich kann auch die verflüssigte Methan-reiche Fraktion (1) vor ihrer Entspannung (a) als Heizstrom im Reboiler (E4) eigebunden werden. Anschließend erfolgt eine Auftrennung dieser Methan-reichen Fraktion (19) in zwei Teilströme (20, 21). Einer der Teilströme (20) wird auf einen Druck zwischen 1.2 und 2.5 bar entspannt (h) und unmittelbar der Strippkolonne (T) zugeführt. Der andere Teilstrom (21) wird zu dem nicht unterkühlten Teilstrom der Methan-reichen Fraktion (18) zurückgeführt. Diese Methan-reiche Fraktion wird nun gegen die abzukühlende Stickstoff-angereicherte Fraktion (4) angewärmt und verdampft (E2), und nach Abkühlung im Wärmetauscher E1 auf einen Druck zwischen 1.2 und 2.5 bar entspannt (j) und ebenfalls der Strippkolonne (T) als Stripp-Medium (8) zugeführt.

[0021] Die vorbeschriebene Verfahrensführung verbessert die Wärmeintegration zwischen Doppelkolonne (T1, T2) und Strippkolonne (T) und erhöht deren Effizienz.

[0022] Die erfindungsgemäße Zuführung zumindest eines Teilstromes (8, 20) der aus dem Sumpf der Niederdruckkolonne (T2) abgezogenen Methan-reichen Fraktion (7) als Stripp-Medium der Strippkolonne (T) erfordert bei den beiden vorbeschriebenen Ausführungsformen zudem keine Verdichtung dieser Fraktion.

[0023] Das erfindungsgemäße Verfahren kann flexibel auf eine sich ändernde Zusammensetzung der der Strippkolonne (T) zugeführten Methan-reichen Fraktion (1) sowie auf einen Teillastbetrieb reagieren. Aufgrund der Kälteintegration und der nicht erforderlichen Verdichtung der aus der Niederdruckkolonne (T2) abgezogenen Methan-reichen Fraktion (7) ist das erfindungsgemäße Verfahren in Bezug auf Energieverbrauch und Investitionskosten hocheffizient.

[0024] Bei dem in der Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Methan-reiche Fraktion (30) nach Verdampfung und Überhitzung (E3, E2) auf einen Druck zwischen 35 und 60 bar verdichtet (C2). Die verdichtete Methan-reiche Fraktion wird sodann gegen die aus der Strippkolonne (T) abgezogene, Stickstoff-angereicherte Fraktion (3) verflüssigt (E1). Anschließend wird sie auf einen Druck von 1.2 bis 2.5 bar entspannt (e) und der Strippkolonne (T) als zweiphasiges Stripp-Medium (31) zugeführt.

[0025] Hierbei kann ein Teilstrom der zum Teil oder vollständig verdichteten Methan-reichen Fraktion (32) abgegeben werden. Aufgrund der Verdichtung (C2) kann dieser Strom sowohl als Hochdruck-Brenngas als auch als vorbehandelter Einsatzstrom für eine erneute Verflüssigung verwendet werden.

[0026] Weiterhin kann ein Teilstrom der Methan-reichen Fraktion (30) vor dem Verdichter (C2) direkt auf einen Druck zwischen 1.2 und 2.5 bar entspannt (g) und der Strippkolonne (T) als zusätzliches Stripp-Medium (33) zugeführt werden.

[0027] Aufgrund des zusätzlichen Verdichters (C2) kann die Strippkolonne (T) bei einem niedrigeren Druck betrieben und damit die Stickstoff-abgereicherte Methan-reiche Flüssigfraktion (2) bei einer tieferen Temperatur abgegeben werden. Dies bedeutet eine höhere Ausbeute an LNG im Tank, da bei der Entspannung auf Tankdruck - dieser liegt zwischen 1.05 und 1.1 bar-weniger Entspannungsgas entsteht.

Ansprüche

1. Verfahren zum Abtrennen einer Stickstoff-angereicherten Fraktion aus einer verflüssigten Methan-reichen, Stickstoff-enthaltenden Fraktion, wobei

- die verflüssigte Methan-reiche, Stickstoff-enthaltende Fraktion (1) einem Stripprozess (T), dem eine Methan-reiche Fraktion als Stripp-Medium zugeführt wird, unterworfen wird,

- in dem Stripprozess (T) eine an Stickstoff-abgereicherte, Methan-reiche Flüssigfraktion (2) und eine Stickstoff-angereicherte Fraktion (3) gewonnen werden,

- die Stickstoff-angereicherte Fraktion (3) verdichtet (C1), abgekühlt (E3) und in einem rektifikatorischen Doppelkolonnenprozess (T1, T2) in eine Methan-reiche Flüssigfraktion (7) und eine Stickstoff-reiche Gasfraktion (10) aufgetrennt wird, und

- die Methan-reiche Flüssigfraktion (7) und die Stickstoff-reiche Gasfraktion (10) der Abkühlung (E2) der Stickstoff-angereicherten Fraktion (4) dienen,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Teilstrom (8, 20, 31, 33) der wiederverdampften Methan-reichen Flüssigfraktion (7) dem Stripprozess (T) als Stripp-Medium zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom (8, 31) der wiederverdampften Methan-reichen Flüssigfraktion (7) vor der Zuführung in den Stripprozess (T) als Stripp-Medium abgekühlt oder zumindest partiell kondensiert wird (E1).

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwärmung des Reboilerstromes (25) des Stripprozesses (T) durch eine Unterkühlung zumindest eines Teilstromes der Methan-reichen Flüssigfraktion (19) erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom (20) der Methan-reichen unterkühlten Flüssigfraktion (19) dem Stripprozess (T) zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teilstrom der wiederverdampften Methan-reichen Fraktion (30) verdichtet (C2), vorzugsweise auf einen Druck zwischen 35 und 60 bar, verflüssigt (E1), entspannt (e) und dem Stripprozess (T) als Stripp-Medium zugeführt wird.

Zeichnung