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Dokumentenidentifikation DE10324694A1 23.12.2004
Titel Verfahren zur Entfernung von Sauergasen aus unter Druck befindlichem, mit Sauergasverbindungen verunreinigtem Erdgas und Gewinnung der entfernten Sauergase auf erhöhtem Druckniveau
Anmelder Uhde GmbH, 44141 Dortmund, DE
Erfinder Menzel, Johannes, 45731 Waltrop, DE
DE-Anmeldedatum 28.05.2003
DE-Aktenzeichen 10324694
Offenlegungstag 23.12.2004
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.12.2004
IPC-Hauptklasse B01D 53/14
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sauergasentfernung aus unter Druck befindlichem, mit Schwefelverbindungen verunreinigtem Erdgas, wobei
· das zu entschwefelnde Erdgas zunächst in eine Sauergasabsorptionsstufe geleitet wird, wo die Schwefelkomponenten sowie ggf. weitere Komponenten mittels einer physikalischen wirkenden Lösung absorbiert werden,
· das Absorbat aufgeheizt wird,
· das Absorbat in eine Hochdruck-Flashstufe gegeben wird, wo sich das einstellende Gemisch aus sauergas-armem Absorptionsmittel und desorbiertem Sauergas voneinander trennt,
· das desorbierte Sauergas gekühlt wird und das verdampfte Absorptionsmittel aus dem Sauergasstrom auskondensiert wird,
· das sauergas-arme Absorptionsmittel aus der Hochdruck-Flashstufe in einer Gas-Strippstufe mittels Strippgas von Sauergasresten befreit wird und das erhaltene, beladene Strippgas gekühlt und in die Sauergasabsorptionsstufe geleitet wird, und
· das erhaltene Absorptionsmittel gekühlt und im Kreislauf in die Sauergasabsorptionsstufe zurückgeführt wird.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Sauergasenfternung aus unter Druck befindlichem, mit Schwefelverbindungen und anderen Sauergasverbindungen verunreinigtem Erdgas. Es kann genutzt werden für Erdgase, die neben Wertstoffkomponenten wie Methan und höheren Kohlenwasserstoffen Verunreinigungen wie Schwefelwasserstoff, organische Schwefelkomponenten, wie z.B. Merkaptane, und Kohlenoxydsulfid, ferner auch Kohlendioxid und Wasserdampf in unterschiedlichen Anteilen enthalten, wobei das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für Erdgase mit hohen Schwefelwasserstoffanteilen besonderes vorteilhaft einzusetzen ist.

In der Regel ist es notwendig, die im rohen Erdgas enthaltenen Schwefelkomponenten für die weitere technischen Nutzung bis auf ppm-Gehalte aus dem Gas zu entfernen. Die Entfernung von Schwefelwasserstoff, Merkaptanen, Kohlendioxid und sonstigen Sauergasbestandteilen aus technischen Gasen erfolgt im allgemeinen mittels chemisch wirkenden Absorptionsmittel, wie z. B. Aminlösungen, Alkalisalzlösungen etc. oder physikalisch wirkenden Absorptionsmitteln wie z.B. Selexol, Propylencarbonat, N-Methylpyrrolidon, Morphysorb, Methanol u.a., in Kreislaufsystemen, wobei physikalisch wirkende Absorptionsmittel im Gegensatz zu chemisch wirkenden Waschmitteln in der Lage sind, auch organische Schwefelkomponenten zu entfernen. Das im Gas enthaltene Kohlendioxid wird dabei je nach Zielsetzung und Aufgabenstellung entweder ganz, zum Teil oder auch so wenig wie möglich entfernt.

Üblicherweise wird das von der Absorptionsmittelregeneration kommende Sauergas in einer Clausanlage zu Schwefel weiter verarbeitet. Neben den Investitionskosten für die eigentliche Entschwefelung der Gase müssen daher die Investitionskosten für eine Clausanlage für die Gesamtinvestitionskosten berücksichtigt werden. Umweltauflagen für den Restgehalt von Schwefelkomponenten im Abgas einer Clausanlage machen eine Nachentschwefelung des Clausabgases mittels einer sogenannten „Tail Gas Treatment Unit" erforderlich, was die Gesamtinvestitionskosten weiter deutlich erhöht. Aufgrund des weltweiten Überangebots an elementarem Schwefel, der wiederum zum größten Teil aus der Entschwefelung von Gasen stammt, welche Schwefelwasserstoff enthielten, lässt sich für den erzeugten Schwefel kaum nennenswerter Verkaufserlös erzielen, der zur Amortisation der Investitionen beitragen könnte.

Als Alternative zu der Gewinnung von elementarem Schwefel wird daher immer häufiger die Re-Injektion und Speicherung der bei der Regeneration des Absorptionsmittels freiwerdenden Sauergase in Gaskavernen in Betracht gezogen. Dabei werden die Sauergase mittels aufwändiger Gaskompressionsmaschinen auf einen Druck verdichtet, der es ermöglicht, die Sauergase in den dafür vorgesehenen unterirdischen Gasspeicher, beispielsweise ein ausgebeutetes Erdgasfeld, zu fördern. Die für die Re-Injektion notwendigen Enddrücke liegen in der Regel höher als die Drücke, bei denen die Schwefelkomponenten entfernt werden.

Für solche Zwecke wäre es besonders vorteilhaft, wenn die bei der Regeneration anfallenden Sauergase auf einem möglichst hohen Druckniveau anfielen, da dann sowohl beträchtliche Investitionskosten durch Wegfall, bzw. Verkleinerung der Kompressionsmaschinen, als auch die beträchtlichen Betriebskosten für die Sauergaskompression eingespart werden könnten. Nach dem herkömmlichen Stand der Technik werden zur Absorption von Schwefelwasserstoff, Merkaptanen, Kohlendioxid und sonstigen Sauergasbestandteilen aus Erdgasen und zur Aufbereitung der konzentrierten Sauergase für die Re-Injektion in eine Lagerstätte jedoch entweder chemisch basierte oder physikalisch basierte Absorptionsverfahren verwandt. In beiden Verfahren findet die Regeneration des Absorptionsmittels bei einem leicht erhöhten Druck von 0.1 bis 1 barg) statt. Bei diesem geringen Arbeitsdruck wird auch das betreffende Sauergas freigesetzt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, welches in gleicher Weise zur Reinigung verunreinigten Erdgases und zur Bereitstellung von Sauergas unter erhöhtem Druck geeignet ist, und das Sauergas so bereitstellt, dass es in ausgebeutete oder auszubeutende Lagerstätten re-injeziert werden kann.

Die Erfindung löst die Aufgabe dadurch, dass

  • – das zu entschwefelnde Erdgas zunächst in eine Sauergasabsorptionsstufe geleitet wird, wo die Schwefelkomponenten sowie ggf. weitere Komponenten mittels einer physikalischen wirkenden Lösung absorbiert werden,
  • – das Absorbat aufgeheizt wird,
  • – das Absorbat in eine Hochdruck-Flashstufe gegeben wird, wo sich das einstellende Gemisch aus sauergas-armem Absorptionsmittel und desorbiertem Sauergas voneinander trennt,
  • – das desorbierte Sauergas gekühlt wird und das verdampfte Absorptionsmittel aus dem Sauergasstrom auskondensiert wird,
  • – das sauergas-arme Absorptionsmittel aus der Hochdruck-Flashstufe in einer Gas-Strippstufe mittels Strippgas von Sauergasresten befreit wird und das erhaltene, beladene Strippgas gekühlt und in die Sauergasabsorptionsstufe geleitet wird, und
  • – das erhaltene Absorptionsmittel gekühlt und im Kreislauf in die Sauergasabsorptionsstufe zurückgeführt wird

Hierbei sollte in der Hochdruck-Flashstufe ein Druck zwischen 10 und 100 bar eingestellt werden, vorzugsweise ein Druck von 30 bis 70 bar.

In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird

  • – das aus der Sauergasabsorptionsstufe kommende Absorbat vor seiner Aufheizung in eine Recycle-Flashstufe gegeben, in der eine Teildruckabsenkung erfolgt und sich das einstellende Gemisch aus Absorbat und desorbiertem Gas voneinander trennt, und
  • – das in der Recycle-Flashstufe erhaltene desorbierte Gas rückverdichtet und in die Sauergasabsorptionsstufe zurückgeführt.

Der Fachmann wird eine solche Recycle-Flashstufe stets dann vorsehen, wenn das verwendete Absorptionsmittel nicht selektiv genug in Bezug auf Sauergase wirkt und auch wertvolle Erdgasbestandteile löst. Diese wertvollen Erdgasbestandteile werden zum größten Teil in der Recycle-Flashstufe desorbiert und können problemlos in die Sauergasabsorptionsstufe zurückgeführt werden.

Beispielsweise erfolgt die Teildruckabsenkung für die Recycle-Flashstufe mittels einer Einrichtung zur Rückgewinnung mechanischer Arbeit, insbesondere unter Einsatz einer Expansionsturbine oder einer rückwärts laufenden Pumpe entsprechend dem üblichen Stand der Technik.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das im desorbierten Sauergas enthaltene und auskondensierte Absorptionsmittel dem Absorbat vor der Aufheizung zugemischt.

In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Druck des zur Aufheizung geführten Absorbats auf einen Druck gebracht, der wenigstens höher als der in der Recycle-Flashstufe ist, sofern eine solche vorgesehen wird.

Günstig ist es den Druck in der Hochdruck-Flashstufeso hoch, wie prozesstechnisch möglich zu wählen, so dass dieser in der Regel höher als in der Recycle-Flashstufe ist, sofern eine solche vorgesehen wird, da dies von Vorteil für die weitere Re-Injektion des Sauergases ist. Noch günstiger ist es, wenn das gesamte Druckniveau so hoch gehoben werden kann, dass es immer oberhalb des Drucks der Sauergasabsorptionsstufe ist, weil dann die rückzuführenden Gasströme nicht mehr verdichtet werden müssen.

Sofern eine Recycle-Flashstufe vorgesehen wird, sollte in der Hochdruck-Flashstufe eine Druckabsenkung auf einen Druck erfolgen, bei dem in einem Temperaturbereich von 20 °C bis 80 °C und in bevorzugter Weise von 40 °C bis 60 °C das desorbierte Sauergas überwiegend flüssig vorliegt. Hierdurch wird es möglich, mittels Luftkühlung oder Kühlwasser das Sauergas zu kondensieren und die Re-Injektion in günstiger Weise mittels Pumpen durchzuführen, statt, wie bisher üblich, mit teuren Verdichtern. Sofern die meteorologischen Verhältnisse am Aufstellungsort der Anlage zu anderen Kühlmitteltemperaturen führen, wären dessen Temperaturen maßgeblich.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird als Strippgas entweder gereinigtes Einsatzgas oder Erdgas verwendet.

In weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens werden alternativ das beladene Strippgas und das aus der Recycle-Flashstufe, sofern vorgesehen, erhaltene Gas zusammengeführt, rückverdichtet und zusammen in die Sauergasabsorptionsstufe geleitet oder das zum Einsatz kommende Strippgas auf einen Druck oberhalb des Drucks der Sauergasabsorption gebracht, das beladene Strippgas und das aus der Recycle-Flashstufe erhaltene Gas zusammengeführt und zusammen in die Sauergasabsorption geleitet. Vorteilhafterweise erfolgt die Einleitung in die Sauergasabsorptionsstufe bei der Einleitung des Einsatzgases.

In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Hochdruck-Flashstufe als Kaskade mehrerer hintereinander angeordneter Flashbehälter mit vorheriger Teildruckabsenkung und Rückverdichtung der aus den weiteren Flashbehältern jeweils erhaltenen Sauergase auf den Druck des ersten Flashbehälters ausgeführt. Hierbei wird der größte Teil des Sauergases im ersten dieser Flashbehälter freigesetzt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Verfahrensschemas in 1 näher erläutert: 1 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren, bestehend aus einer Sauergasabsorptionsstufe, 2 Flashstufen, einer Gas-Strippstufe sowie die Verfahrensführung der wesentlichen Ströme, wobei das erfindungsgemäße Verfahren aber nicht auf diese beispielhafte Ausführungsform beschränkt ist.

Das rohe Erdgas 1 wird zunächst in den Sumpfbereich der als Absorptionskolonne 40 ausgeführten Sauergasabsorptionsstufe geführt, wobei die im Gas enthaltenen Sauergaskomponenten im Gegenstrom durch das auf den Kopf der Absorptionskolonne 40 aufgegebene, regenerierte Absorbens 12 entfernt werden. Das gereinigte Gas 2 wird dabei am Kopf der Absorptionskolonne abgezogen. Das am Sumpf der Absorptionskolonne 40 abgezogene, mit Sauergasen beladene Absorptionsmittel 3 wird mittels einer Entspannungsturbine 41 in einen Flashbehälter 42 entspannt. Die durch die Druckabsenkung freiwerdenden Flashgase 13 enthalten den größten Teil der bei der Absorption aus dem rohen Erdgas 1 mitabsorbierten Kohlenwasserstoffe 14. Diese werden mittels eines Recyclekompressors 43 wieder in die Absorptionskolonne 40 zurückgeführt.

Die den Flashbehälter 42 verlassende, hauptsächlich nur noch mit Sauergaskomponenten beladene Absorptionslösung 5 wird mittels einer Pumpe 44 auf einen Druck gebracht, der ermöglicht, das in der Hochdruckflashstufe freigesetzte Sauergas mittels Kühlwasser oder in einem Luftkühler zu kondensieren. Nach Wärmetausch mit der heißen, vom Hochdruckdesorber 50 kommenden, regenerierten Absorptionslösung 10 und weiterer Vorwärmung mittels Vorwärmer 46 durch einen Wärmeträgerstrom 26 wird die beladene Lösung 8 in einen Hochdruckflashbehälter 47 geflasht. Dabei wird ein großer Teil der in der Absorptionslösung gelösten Sauergase über Kopf freigesetzt 15. Durch den mit einem Kühlmedium 27 beaufschlagten Kühler 48 wird das in den Sauergasen enthaltene Absorptionsmittel auskondensiert und das Kondensat 24 wird dem Kreislauf wieder zugeführt. Die Sauergasfraktion 16 wird dann mittels einer Pumpe 49 auf den für die Re-Injektion notwendigen Druck gebracht und als Strom 17 in das Endlager gefördert.

Um die restlichen Sauergaskomponenten noch zu entfernen, die im den Hochdruckflashbehälter 47 verlassenden Absorptionsmittelstrom 9 noch enthalten sind, wird dieser Strom auf den Kopf einer Hochdruckdesorptionskolonne 50 geführt. In der Hochdruckdesorptionskolonne 50 wird die von oben kommende, angereichtere Lösung im Gegenstrom mittels schwefelfreiem oder -armem Erdgas 22, welches als Teilstrom aus dem Produktgas 2 abgezogen wird, von den im beladenen Absorbens 9 noch enthaltenen, restlichen Sauergaskomponenten, insbesondere auch von den Schwefelkomponenten befreit, wobei die in der Hochdruckdesorptionskolonne 50 enthaltenen Stoftaustauschelemente, wie z.B. Ventilböden, Füllkörper oder strukturierte Packung für den notwendigen Stoffübergang dienen. Am Kopf der Hochdruckdesorptionskolonne 50 wird eine konzentrierte Sauergasfraktion 18 gewonnen.

Der am Kopf der Hochdruckdesorptionskolonne 50 austretende Sauergasstrom wird zur Absorptionsmittelrückgewinnung noch durch einen Kühler 51 mittels eines Kühlmittels 28, z.B. Kühlwasser oder Kühlluft, gekühlt und verlässt den Kühler als Sauergasstrom 19. Das zurückgewonnene Absorptionsmittel 23 wird wieder in die Hochdruckdesorptionskolonne 50 zurückgefördert. Der Sauergasstrom 19 wird mittels eines mit Kühlmittel 29 beaufschlagten Kühlers 52 weiter abgekühlt und im Verdichter 54 verdichtet, bevor er zusammen mit dem Recyclegasstrom 14 als Strom 21 wieder in die Absorptionskolonne 40 zurückgeführt wird. Der vollständig regenerierte Absorptionsmittelsstrom 10 wird nach Wärmetausch im Wärmetauscher 45 und Kühlung im Kühler 53, der mittels Kühl- oder Kältemittelmedium 25 die regenerierte Absorptionslösung auf die gewünschte Absorptionsmitteltemperatur herunterkühlt, und zur spezifikationsgerechten Absorption der im rohen Erdgas 1 enthaltenen Sauergaskomponenten zum Kopf der Absorptionskolonne 40 geführt.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Sauergasentfernung aus unter Druck befindlichem, mit Schwefelverbindungen und anderen Sauergasverbindungen verunreinigtem Erdgas, dadurch gekennzeichnet, dass

    – das zu entschwefelnde Erdgas zunächst in eine Sauergasabsorptionsstufe geleitet wird, wo die Schwefelkomponenten sowie ggf. weitere Komponenten mittels einer physikalischen wirkenden Lösung absorbiert werden,

    – das Absorbat aufgeheizt wird,

    – das Absorbat in eine Hochdruck-Flashstufe gegeben wird, wo sich das einstellende Gemisch aus sauergas-armem Absorptionsmittel und desorbiertem Sauergas voneinander trennt,

    – das desorbierte Sauergas gekühlt wird und das verdampfte Absorptionsmittel aus dem Sauergasstrom auskondensiert wird,

    – das sauergas-arme Absorptionsmittel aus der Hochdruck-Flashstufe in einer Gas-Strippstufe mittels Strippgas von Sauergasresten befreit wird und das erhaltene, beladene Strippgas gekühlt und in die Sauergasabsorptionsstufe geleitet wird, und

    – das erhaltene Absorptionsmittel gekühlt und im Kreislauf in die Sauergasabsorptionsstufe zurückgeführt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruck-Flashstufe ein Druck zwischen 10 und 100 bar und bevorzugter Weise ein Druck von 30 bis 70 bar eingestellt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass

    – das aus der Sauergasabsorptionsstufe kommende Absorbat vor seiner Aufheizung in eine Recycle-Flashstufe gegeben wird, in der eine Teildruckabsenkung erfolgt und sich das einstellende Gemisch aus Absorbat und desorbiertem Gas voneinander trennt, und

    – das in der Recycle-Flashstufe erhaltene desorbierte Gas rückverdichtet und in die Sauergasabsorptionsstufe zurückgeführt wird,
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das im desorbierten Sauergas enthaltene Absorptionsmittel auskondensiert und dem Absorbat vor der Aufheizung zugemischt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zur Aufheizung geführten Absorbats auf einen Druck gebracht wird, der höher als der in der Recycle-Flashstufe ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in der Hochdruck-Flashstufe höher als der in der Recycle-Flashstufe ist.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das beladene Strippgas und das aus der Recycle-Flashstufe erhaltene Gas zusammengeführt, rückverdichtet und zusammen in die Sauergasabsorptionsstufe geleitet werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des zur Aufheizung geführten Absorbats auf einen Druck gebracht wird, der höher als der in der Sauergasabsorptionsstufe ist.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruck-Flashstufe eine Druckabsenkung auf einen Druck erfolgt, der höher als der in der Sauergasabsorptionsstufe ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruck-Flashstufe eine Druckabsenkung auf einen Druck erfolgt, bei dem das desorbierte Sauergas innerhalb eines Temperaturbereiches von 20 °C bis 80 °C und vorteilhafter Weise innerhalb eines Temperaturbereichs von 40 °C bis 60 °C kondensiert werden kann.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruck-Flashstufe eine Druckabsenkung auf einen Druck erfolgt, bei dem das desorbierte Sauergas mittels Kühlwasser oder Kühlluft kondensiert werden kann.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Hochdruck-Flashstufe eine Druckabsenkung auf einen Druck erfolgt, bei dem das desorbierte Sauergas bei 25 °C überwiegend flüssig vorliegt.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Strippgas entweder gereinigtes Einsatzgas oder Erdgas verwendet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das zum Einsatz kommende Strippgas auf einen Druck oberhalb des Drucks der Sauergasabsorption gebracht wird, das beladene Strippgas und das aus der Recycle-Flashstufe erhaltene und verdichtete Gas zusammengeführt und zusammen in die Sauergasabsorption geleitet werden.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Einleitung in die Sauergasabsorptionsstufe bei der Einleitung des Einsatzgases erfolgt.
  16. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochdruck-Flashstufe als Kaskade mehrerer hintereinander angeordneter Flashbehälter mit vorheriger Teildruckabsenkung und Rückverdichtung der aus den weiteren Flashbehältern jeweils erhaltenen Sauergase auf den Druck des ersten Flashbehälters der Kaskade ausgeführt wird.
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