Sulzer Technical Review Ausgabe 2 / 2016

Evolution von Glykolabsorbern

13. Juli 2016 | Ming Yang Lee und Sven Kollinger

Die Trocknung von Erdgas ist ein integraler Bestandteil vieler Gasaufbereitungsanwendungen. Die Gastrocknung mithilfe von Triethylenglykol (TEG) ist eine effiziente Lösung, die erfolgreich in Onshore- und Offshore-Anlagen zum Einsatz kommt.

Glycol contactor

Die Trocknung von Erdgas ist ein integraler Bestandteil vieler Gasaufbereitungsanwendungen. Wasser kann in Kohlenwasserstoffen und sauren Gasen (CO2, H2S) Hydratkristalle bilden, die sich ansammeln und Verstopfungen verursachen können. Als freie wässrige Flüssigkeit kann Wasser zudem saure Gase lösen und zu erheblichen Korrosionsproblemen führen.

Verschiedene Gasaufbereitungsanwendungen haben unterschiedliche Trocknungsanforderungen: Anlagen mit Einspeisung in Pipelines müssen klima- und umgebungsspezifische Taupunktanforderungen erfüllen. Gasanlagen für den Spitzenlastausgleich in der Stromerzeugung benötigen eine hohe betriebliche Flexibilität im Hinblick auf den Gasdurchsatz. Die Gewinnung von Erdgaskondensaten (NGL) mithilfe von Tieftemperaturprozessen hingegen erfordert eine Dehydration auf sehr geringe Werte (ppm-Bereich). Bei der Offshore-Dehydration in der Nähe des Bohrlochs spielen zudem Verschmutzungen im Erdgas eine Rolle, die Probleme verursachen können. Bei schwimmenden Produktions- und Lagereinheiten, sogenannten FPSOs, können Neigung und Bewegung die Leistung des Dehydrationsprozesses zusätzlich beeinflussen.

TEG-Absorptionskolonne

Sulzer besitzt das Know-how, um das Design von TEG-Kolonnen projektspezifisch zu optimieren. Von besonderer Bedeutung ist das Design der Stoffaustausch- und Tropfenabscheiderkomponenten. Ein frühzeitig optimiertes Kolonnendesign führt zu erheblichen Gewichts-, Platz- und Kosteneinsparungen.

Die Gestaltung einer TEG-Kolonne ist komplex, da im Inneren drei unterschiedliche Prozesse stattfinden: 1. die Tropfenabscheidung im Gaseintrittsbereich, 2. die Absorption von Wasser im TEG-Stoffaustauschabschnitt und 3. die Tropfenabscheidung im Gasaustrittsbereich (Bild 1).

Das feuchte Erdgas gelangt zunächst in den Einlassabscheider, wo flüssige und feste Verunreinigungen entfernt werden. Anschliessend strömt es in den Stoffaustauschabschnitt, wo Wasser aus dem Gas in das TEG-Lösungsmittel absorbiert wird. Schliesslich durchläuft das Gas den Auslassabscheider, wo mitgerissene TEG-Tröpfchen entfernt werden, bevor es die Kolonne als trockenes Gas verlässt. Im Laufe der Jahre hat Sulzer vier Designoptionen (Bild 4) entwickelt, die eine geeignete Kombination von Stoffaustausch- und Tropfenabscheidertechnologien bieten.

TEG-Dehydrationssystem

Die TEG-Gastrocknungsanlage umfasst mehr als nur die TEG-Kolonne. Ein gutes Prozessdesign berücksichtigt das gesamte Fliessschema der Dehydration (Bild 1). Das Lösungsmittel (TEG) fliesst in einem geschlossenen Kreislauf. In der Regenerationsanlage wird dem TEG das aufgenommene Wasser entzogen. Anschliessend wird das regenerierte TEG der Kolonne wieder zugeführt. Die Regeneration hat wichtige Effekte auf TEG-Reinheit und Trocknungsqualität. In einer TEG-Gastrocknungsanlage kann es zu betriebsbedingten Problemen wie Ablagerungen und Schaumbildung kommen. Dies kann durch richtig konzipierte Stoffaustausch- und Tropfenabscheiderkomponenten zum Teil gemindert werden.

TEG dehydration unit
Bild 2 Die Erdgastrocknungsanlage mit TEG-Regenerationssystem.

Fallstudie für ein neues Kolonnendesign

Genaue Definitionen und Berechnungen für das Kolonnendesign garantieren Sulzer-Kunden Prozesssicherheit. In der folgenden Fallstudie werden vier Kombinationen von Stoffaustausch- und Tropfenabscheidertechnologien verglichen. Die Zusammensetzung und Eintrittsbedingungen des Nassgases hängen von der Gas- bzw. Ölquelle ab ( Tabellen in Bild 2 und 3). Um vergleichbare Ergebnisse für die vier Optionen zu erhalten, bleiben die Designparameter wie die Daten des TEG-Zulaufs und der Betriebsdruck der Kolonne konstant (Bild 3). Die Trockengasspezifikation ist 4 lb. (1,81 kg) Wasser pro Million Standardkubikfuss (MMSCF) Gas bei einem Taupunkt von –6,7 °C.

Zusammensetzung Erdgas Wert Einheit
Methan

79,55

mol%

Ethan

9,15

mol%

Propan 4,82

mol%

i-Butan 0,81

mol%

n-Butan 2,05 mol%
i-Pentan 0,50 mol%
n-Pentan 0,66 mol%
Hexan 0,33

mol%

Stickstoff 0,72 mol%
Kohlendioxid 1,16 mol%
Wasser 0,25 mol%
Bild 2 Zusammensetzung des Einsatzgases für die Fallstudie.
Betriebsbedingungen Wert Wert
Betriebsdruck Kolonne 80 bar(a)
Durchflussmenge des regenerierten TEG 4 000 kg/h
Reinheit des regenerierten TEG 98,5 Gew.-%
Durchfluss Erdgas 300 MMSCFD
Temperatur Erdgas 32
°C
Bild 3 Betriebsbedingungen der TEG-Kolonne für die Fallstudie.

Neben den technologischen Aspekten unterstreicht die Studie die erheblichen Einsparungen beim Kolonnengewicht und der Grösse, die durch fortschrittliche Sulzer-Technologie erzielt werden können – ein Aspekt, der besonders für Offshore-Anlagen wichtig ist. Die damit verbundene Senkung der Investitionskosten ist beträchtlich und kann sich massgeblich auf die Gesamtprojektkosten auswirken und rechtfertigt diese Optimierungsstudien in einer frühen Projektphase.

Die Dimensionierung der TEG-Kolonnen kann mithilfe des F-Faktors verglichen werden. Dieser ist definiert als das Produkt aus der Gasleerrohrgeschwindigkeit und der Wurzel der Gasdichte und ist der geeignete Parameter zum Vergleich von TEG-Kolonnen mit hoher Gas- und niedriger Flüssigkeitsbelastung. Je höher der F-Faktor, desto grösser die Kapazität der Stoffaustausch- und Tropfenabscheiderkomponenten. Bei einer festen Gaszuflussmenge kann der Kolonnendurchmesser reduziert werden.

Vergleich der Stoffaustauschtechnologien

Sulzer vergleicht in Folge vier verschiedene TEG-Prozesstechnologien, die im Laufe der Jahre entwickelt wurden (Bild 4):

Option 1: Bis in die 1980er-Jahre wurden TEG-Kolonnen mit Glockenböden konstruiert. Diese besitzen einen niedrigen F-Faktor von ~1,8 Pa0,5, was zu grossen Kolonnengrössen führt.

Option 2: Die strukturierten Packungen Sulzer MellapakTM (Bild  5) ermöglichen dank eines höheren F-Faktors von ~2,3 Pa0,5 eine Reduzierung der Kolonnengrösse. Das Gewicht und die Kosten der Kolonne sinken ebenfalls entsprechend. Darüber hinaus bietet Mellapak weitere Prozessvorteile wie beispielsweise einen grösseren Lastbereich und geringere TEG-Durchflussanforderungen.

Option 3: Die zweite Generation von strukturierten Packungen, MellapakPlusTM (Bild  6), besitzt alle Vorzüge der Mellapak-Packungen und ermöglicht noch bessere F-Faktoren. Durch eine sanfte Änderung des Neigungswinkels an den Enden der Packungselemente erreicht MellapakPlus eine höhere Kapazität bei geringerem Druckabfall ohne Beeinträchtigung der Trenneffizienz. Der F-Faktor ist mit ~4,2 Pa0,5 nahezu doppelt so hoch. Von allen Stoffaustauschkomponenten, die nach dem schwerkraftbasierten Gegenstromprinzip arbeiten, bietet die MellapakPlus die höchste Leistungsfähigkeit.

Option 4: Für eine weitere Steigerung der Leistungs-fähigkeit müssen die Grenzen der Schwerkraft überwunden werden. Die ebenfalls zum Sulzer-Portfolio gehörenden Shell Swirl TubeTM -Trennböden nutzen Zentrifugalkräfte, um Gas und Flüssigkeit in Kontakt zu bringen bzw. zu trennen. Shell Swirl Tube-Böden werden normalerweise nicht für neue Kolonnen, sondern eher für Umbauten eingesetzt, um den Erdgasdurchsatz in vorhandenen Kolonnen zu maximieren.

Comparison of the four different TEG contactor design
Bild 4 Vergleich der vier Designoptionen für die Fallstudie.
Sulzer MKS Multi CassetteTM
Bild 7 Sulzer MKS Multi Cassette (Option 3) für hohe Effizienz und Kapazität bei der Tropfenabscheidung.

Vergleich der Tropfenabscheidertechnologien

Steigerungen des F-Faktors durch verbesserte Stoffaustauschtechnologien müssen mit Verbesserungen der Tropfenabscheidertechnologien einhergehen, da sonst die Tropfenabscheider zum Engpass werden und einer Reduzierung der Kolonnengrösse im Wege stehen. Auch wenn sowohl im Einlass- als auch im Auslassabscheider Tropfen abgeschieden werden, sind die Prozessanforderungen unterschiedlich und erfordern unterschiedliche Designphilosophien. Der Schritt von herkömmlichen Abscheidern mit Drahtgeflecht zu optimierten KnitMeshTM-Gestrickabscheidern einschliesslich der V-MISTERTM Technologie ermöglicht eine Verbesserung der Durchsatzmenge und der Abscheideleistung. MKS Multi CassetteTM (Bild 7) ist ein von Sulzer patentierter, hybrider Tropfenabscheider, der die Vorteile von Gestrick- und Zyklonabscheidern kombiniert. Er zeichnet sich durch eine hervorragende Trenneffizienz und -leistung bei konkurrenzfähigen Kosten und kompakter Bauweise aus. Der F-Faktor von MKS Multi Cassette-Abscheidern kann mehr als doppelt so hoch sein wie bei Gestrickabscheidern.

Eine hervorragende Kombination

Bei neuen Kolonnen werden von den Kunden normalerweise diejenigen Designs bevorzugt, die einerseits eine Reduktion der Investitionskosten ermöglichen und andererseits höhere Flexibilität für zukünftige Betriebsbedingungen erlauben. Hier bietet sich die Kombination von MellapakPlus und MKS Multi Cassette an, denn sie ermöglicht ein optimiertes Kolonnendesign mit einem hohen F-Faktor und liefert zudem kostengünstige Dehydrationsergebnisse. Sulzer MellapakPlus und MKS Multi Cassette sind auch die erste Wahl für Offshore-TEG-Kolonnen. Sie ermöglichen Kosten-, Gewichts- und Platzeinsparungen bei der Kolonne, und auch bei den Offshore-Plattformen bzw. dem FPSO. Strukturierte Packungen sind unter Neigung und Bewegung wesentlich weniger anfällig für eine ungleichmässige Verteilung als Schüttfüllkörperpackungen und Trennböden. Dies macht MellapakPlus zur idealen Lösung für TEG-Kolonnen auf nicht stationären Bauten.

Maximierung des Gasdurchsatzes in vorhandenen Anlagen

Bei vorhandenen TEG-Kolonnen können die Einbauten ausgetauscht werden, um die Nutzung fortschrittlichster Technologien zu ermöglichen. Kostengünstige Umbaulösungen mit MellapakPlus ermöglichen Kunden eine Steigerung ihrer Prozesseffizienz.Ein europäisches Unternehmen, das mehrere Gas-aufbereitungsanlagen mit TEG-Dehydration betreibt, wollte alle seine TEG-Kolonnen modernisieren. Diese waren ursprünglich mit Glockenböden und herkömmlichen Tropfenabscheidern aus Drahtgeflecht ausgestattet (Option 1). Dank guter Ergebnisse wurden sie nach und nach mit strukturierten Packungen vom Typ Sulzer MellapakPlus 252.Y und MKS Multi Cassette-Tropfenabscheidern nachgerüstet (Option 3).Der Kunde berichtet über einen höheren Erdgasdurchsatz und eine grössere betriebliche Flexibilität bei gleichzeitiger Erfüllung aller Produktspezifikationen.

Eine der TEG-Kolonnen mit einer ursprünglichen täglichen Verarbeitungskapazität von 134 MMSCFD Erdgas erreicht nach dem Umbau eine Kapazität von 224 MMSCFD, was einer Steigerung von 67% entspricht. Erwähnenswert ist auch, dass die TEG-Kolonne potenziell in der Lage ist, 315 MMSCFD Gas zu verarbeiten, was einer Steigerung von 135% gegenüber dem ursprünglichen Design entspricht.


Sulzer Technical Review

Nadia Qaud

Editor-in-Chief


Sulzer Management AG

Neuwiesenstrasse 15

8401 Winterthur

Switzerland