<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Trennung von Koksofengas mittels Tiefkühlung
Die üblichen Verfahren zur Trennung von Koksofengas durch Tiefkühlung benützen als Quelle der Betriebskälte einerseits die Entspannung der einzelnen Anteile und anderseits den Hilfskühlzyklus von Stickstoff und gegebenenfalls von Ammoniak. Dabei wird die Äthylenfraktion in einem besonderen Gasometer gesammelt und in einer andern Anlage verarbeitet, die wieder ganz besondere Kompressoren, Wärmeaustauscher und andere Trennvorrichtungen erfordert. Auf diese Weise entstehen neben den Betriebsverlusten auch beträchtliche Verluste an wertvollen Anteilen des Ausgangsgases, insbesondere an Methan.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird dagegen die Äthylenfraktion im flüssigen Zustande getrennt gefangen und ihr Kältegehalt zur weiteren unmittelbaren Trennung dieser Fraktion in derselben Anlage herangezogen, damit durch die dabei erhaltene Methanfraktion die bei der Haupttrennung gewonnene Methanfraktion weiter angereichert wird. Dabei wird als Quelle der Betriebskälte neben den üblich angewandten Hilfskühlzyklen, nämlich der Ammoniak- und Stickstoffzyklus, zugleich auch die Kühlzyklen der bei der Haupttrennung des Ausgangsgases erhaltenen Produkte, nämlich der Äthylen- und Methanzyklus verwendet. Diese Zyklen werden vorzugsweise in einer Kaskadenfolge Ammoniak, Äthylen, Methan und Stickstoff angewendet.
Es wurde bereits in der österr. Patentschrift Nr. 142. 875 vorgeschlagen, anlässlich der ausschliesslichen Gewinnung von reinem Äthylen aus komplexen Gasgemischen, wie aus den in der Ölindustrie anfallenden äthylenreichen Kohlenwasserstoffgasen, gleichfalls Äthylen als Kreislaufkühlmittel zu verwenden, indem die Rektifikation durch Komprimierung und Verflüssigung eines Teiles der aus der Kolonne abgehenden gasförmigen Fraktion unter Rückleitung des verflüssigten Anteils vervollkommnet wird.
Die vorliegende Erfindung zielt dagegen darauf ab, durch Trennung des Koksofengases ein reines Stickstoff-Wasserstoff-Gemenge zu gewinnen, wobei als Nebenprodukte bzw. weitere Wertstoffe das reine Methan, reines Äthylen und gegebenenfalls reines Äthan erzielt werden. Dabei spielt sich die Gewinnung sämtlicher dieser Wertstoffe in einer einzigen Anlage ab, die sowohl zur eigentlichen
Trennung des Koksofengases als auch zur Tren- nung der Äthylenfraktion dient. Das Wesen der vorliegenden Erfindung liegt also in der Vereini- gung der beiden Trennvorgänge und in der da- durch bedingten gegenseitigen Deckung der
Wärmeverluste.
Im nachfolgenden wird das erfindungsgemässe Verfahren an Hand einer in der Zeichnung sche- matisch dargestellten Anlage beispielsweise er- läutert.
Bekanntlich werden zur industriellen Trennung des Koksofengases für gewöhnlich Linde- oder
Claude-Verfahren bzw. ihre verschiedenen Modi- fikationen angewandt. Die unvermeidlichen Kälte- verluste werden demnach unter Anwendung eines
Hochdruck-Stickstoffkreislaufes mit Ammoniak- vorkühlung oder in Verbindung mit einem Mittel- druckkreislauf und Ammoniakvorkühlung, gege- benenfalls mit Hilfe einer Wasserstoff-Expansions- maschine ersetzt, wobei man ebenfalls einen Hoch- druck-Stickstoffkreislauf mit einer Expansions- maschine kombinieren kann. Bei allen erwähnten
Trennanlagen wird ausserdem die Kältewirkung durch Entspannung einzelner Fraktionen ausge- nutzt.
Linde-Apparate arbeiten jedoch bei hohem
Druck von etwa 200 at im Stickstoffkreislauf, was besondere, in der Erzeugung schwierige und kost- spielige Hochdruckkörper und sonstige Einrich- tungen erfordert, bei denen man die durch man- gelhafte Abdichtung bedingten Verluste nicht vermeiden kann. Die Apparatur nach Claude-
System arbeitet zwar bei niederem Druck, be- nötigt aber komplizierte und empfindliche Ex- pansionsmaschinen. Der gemeinsame Nachteil aller dieser Systeme besteht darin, dass sie in Verbin- dung mit der Trennung der Äthylenfraktion eine grosse Anzahl von Kompressoren und Wärmeaus- tauschern, einen separaten Gasbehälter für die Äthylenfraktion sowie eine besondere Trennein- richtung für diese Fraktion benötigen, welche in der Regel in ein Zweigunternehmen zwecks Ge- winnung des reinen Äthylens überführt wird.
Eine solche Einrichtung besteht in der Regel aus einer Ammoniakkühlanlage mit Methan- und Äthylenkühlungskreislauf. Ein weiterer Nachteil der Linde- und Claude-Methode liegt darin, dass
<Desc/Clms Page number 2>
beide mit einem verhältnismässig grossen Verbrauch an elektrischer Energie verknüpft sind.
Die Erfindung betrifft nun ein neues Verfahren zur Trennung des Koksofengases unter Anwendung einer Kaskadenkühlung, welche bezüglich des Energieverbrauches die vorteilhafteste Kühlart darstellt.
Bekanntlich beruht die Kaskadenkühlung auf einer sukzessiven Abkühlung der verdichteten Gase, von denen jedes Folgende einen niedrigeren Siedepunkt aufweist, u. zw. in der Weise, dass durch Abdampfen eines Gases das Nächstfolgende kondensiert wird, wodurch die Temperatur stufenweise sinkt. Gegebenenfalls wird in einzelnen Kaskadenzyklen als Kühlmedium im ersten Kreislauf Ammoniakverwendet, dass bei der Temperatur von minus 50 C verdunstet, im zweiten Kreislauf Äthylen, das bei der Temperatur von minus
EMI2.1
dunstet, und im vierten Kreislauf Stickstoff, der bei der Temperatur von minus 1930 C verdunstet.
Die Eigentümlichkeit des neuen Verfahrens besteht darin, dass zur Deckung des Kälteverlustes als Medium für die Kaskadenkühlung-nebst Ammoniak und Stickstoff-das vom Koksofengas gewonnene Äthylen und Methan angewandt werden, u. zw. in ein und derselben Anlage, die zur Trennung sowohl des Koksofengases als auch der Äthylenfraktion dient, die der eigentlichen Einrichtung zur Trennung des Koksofengases in flüssigem Zustande entnommen und der Trennung auf einzelne Bestandteile unterworfen wird, wobei das freigesetzte, den Wasserstoff und weitere Gase enthaltende Methan in die eigentliche Anlage zurückgeführt und zwecks einer besseren Methanausbeute mit dem Kreislaufmethan vermischt wird. Gleichfalls wird das aus dem Koksofengas erzeugte Äthylen, welches in die eigentliche Trennanlage für das Koksofengas zurückkehrt, mit dem Kreislaufäthylen vermischt.
Mit der Bezeichnung "Kreislaufmethan", bzw. "Kreislaufäthylen"wird dasjenige Methan oder Äthylen verstanden, welches sich in stetem Kreislauf befindet, d. h. dass das nach Verdichtung in den Apparat eingeleitete Methan, das hier abgekühlt, kondensiert, abgedrosselt, abgedampft, im Gegenstrom wieder erhitzt und schliesslich in das Einsaugende des Kompressors zurückgeleitet wird. Unter dem erzeugten Methan" oder "erzeugten Äthylen" wird derjenige Teil von Methan bzw. Äthylen verstanden, welcher in den Apparat als Bestandteil des Koksofengases hineinströmt und in diesem Apparate in reiner Form abgeschieden wird.
Der technologische Vorgang der erfindungsgemässen Koksofengastrennung sei an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert, das in der beigefügten Zeichnung schematisch dargestellt ist.
Das Koksofengas wird durch Auswaschen zunächst von Schwefelwasserstoff, Kohlendioxyd und sonstigen schädlichen Beimischungen (z. B.
NO) befreit. Das auf diese Weise vorgereinigte Koksofengas, welches neben Stickstoff, Kohlenmonoxyd, Sauerstoff, Kohlenwasserstoffen der Reihe C und höheren als wesentliche Bestandteile Wasserstoff, erhebliche Methanmenge und kleinere Menge von Äthylen enthält, wird auf 12-13 at verdichtet und dann zunächst in den abwechselnd eingeschalteten Gegenstromkühlern 1 a, 1 b abgekühlt. Das in diesen Kühlern kondensierte Wasser wird im Wasserabscheider 2 abgeschieden. Die Abkühlung des Koksofengases auf die Temperatur von minus 45 C erfolgt in den Ammoniakkühlern 3 a, 3 b, welche abwechselnd im Betrieb sind, um das Einfrieren derselben zu vermeiden. Das Eis, welches sich an den Röhren der Ammoniakkühler niedersetzt, wird mittels gasförmigen Ammoniaks aufgetaut.
Hierauf strömt das Koksofengas in den Wärmeaustauscher 4, wo durch Abkühlung die Propylenfraktion abgetrennt wird. Die Restmenge des Koksofengases strömt in den Wärmeaustauscher 5, wo durch weitere Abkühlung Äthylen abgeschieden und im Äthylensammelgefäss 6 gesammelt wird. Im Äthylenfänger werden die durch das der Methankolonne 13 zuströmende Koksofengas mitgerissenen Äthylentropfen abgeschieden, worauf das Koksofengas den zusätzlichen Wärmeaustauscher 8 durchströmt, in dem der grösste Anteil des Methans kondensiert und im Methansammelgefäss 9 gesammelt wird.
Das restliche Methan kondensiert im Stickstoffverdampfer 10 und das Restgasgemisch tritt in die Waschkolonne 11 ein, wo durch Auswaschen mittels flüssigem, aus dem Verdampfer 10 zugeleiteten Stickstoff, die Reste an Kohlenmonoxyd, Sauerstoff und Methan vom Wasserstoff abgetrennt werden. Das so gewonnene reine StickstoffWasserstoff-Gemisch tritt aus der Waschkolonne 11 aus, kühlt gemeinsam mit dem aus dem Kondensator 17 zugeleiteten Stickstoff das Koksofengas weiter in den Wärmeaustauschern 8, 5, 4 bzw. in den Kühlern 1 a, 1 b ab, und wird den Kompressoren der Ammoniaksynthese zugeführt.
Die Methanfraktion wird aus dem Stickstoffverdampfer 10 abgezogen und in die Methankolonne 13 geleitet, wo reines Methan gewonnen wird. Die Methanfraktion aus dem Methansammelgefäss 9 kühlt nach Entspannung den Stickstoff ab. Die beiden Teile der Methanfraktion werden im Sammelgefäss 12 vereinigt, von dem sie in die Methankolonne 13 eingeleitet werden. Die in dieser Kolonne aus dem Methan freigesetzten Gase werden hinter dem Stickstoffverdampfer 10 mit der Kohlenmonoxydfraktion gemischt. Das aus der Kolonne 13 stammende Methan wird nach Entspannung im Stickstoffkondensator 17 verdampft, von dem ein Teil des Methans im Gegenstrom zum Koksofengas durch die Wärmeaustauscher 5, 4 bzw. durch die Kühler 1 a, 1 b geleitet wird, und der andere Teil den Stickstoff in den Wärmeaustauschern 16, 14 a, 14 b abkühlt.
Der dabei abgekühlte Stickstoff kondensiert im Stickstoffkondensator 17. Der Stickstoffrest wird im Kühler 18 abgekühlt und einerseits zu Waschstickstoff, welcher sich nach Entspannung im Stickstoffverdampfer 10 nachkühlt und einen Rückfluss bildet, anderseits zu Kreislaufstickstoff getrennt, welcher nach Entspannung zum atmo-
<Desc/Clms Page number 3>
sphärischen Druck im Stickstoff verdampfer 10 wieder verdampft. Der Kreislaufstickstoff kühlt das Koksofengas im zusätzlichen Wärmeaustauscher 8 und sodann den Stickstoff in den Wärmeaustauschern 16, 14 a, 14 b ab.
Bei den bisher bekannten Einrichtungen wird die Äthylenfraktion derart ausgenutzt, dass sie verdampft, erwärmtundentweder mit der Methanfraktion vermischt oder in einen besonderen Gasbehälter und von dort in eine besondere Trennanlage für die Äthylenfraktion zwecks Gewinnung des reinen Äthylens abgeleitet wird. Erfindunggemäss wird die Äthylenfraktion aus dem Äthylensammelgefäss 6 nach Entspannung in die erste Äthylenkolonne 19 überführt, aus deren Oberteil das Methan samt den darin absorbierten Gasen in die Methankolonne 13 hineinströmt. Aus dem Unterteil der ersten Äthylenkolonne 19 strömt die Flüssigkeit nach weiterer Entspannung in die zweite Äthylenkolonne 20, aus deren Oberteil das reine Äthylen austritt, welches das Kreislauf- äthylen in den Kühlern 23, 21 a, 21 b abkühlt.
Der schwere Rückstand der Äthylenfraktion wird vom Unterteil der Kolonne 20 abgezogen, im Wärmeaustauscher 23 verdampft und zur Kühlung des Kreislaufäthylens benutzt. Ein Teil des Kreislaufäthylens dient nach Entspannung als Rückfluss in der zweiten Äthylenkolonne 20, während der andere Teil des Kreislaufäthylens im Äthylenverdampfer 25 verdampft, wo das Kreislaufmethan kondensiert und zur weiteren Kühlung des Kreislaufmethans in den Kühlern 24 a, 24 b ausgenutzt wird. Das in diesen Kühlern 24 a, 24 b und im Unterteil der Äthylenkolonne 19 herabgekühlte Kreislaufmethan kondensiert im Äthylenverdampfer 25. Nach Entspannung kühlt dieses Kreislaufmethan einen Teil des Methans in der Kolonne 19 ab und wird in den Methan- verdampfer 17 geleitet.
Der zweite Teil des
Methans strömt nach Entspannung direkt in den
Methanverdampfer 17, wo er verdampft. Es gibt auch eine andere Alternative, wonach das frei- gesetzte Methan aus der Äthylenkolonne 19 ent- weder der Kohlenmonoxydfraktion einverleibt oder in die Methankolonne 13 eingeleitet werden kann, wodurch eben die Methanausbeute ge- steigert wird.
Soeben wurde aber nur eine der möglichen Äthylenerzeugungsarten beschrieben. Es ist näm- lich nicht nötig, das flüssige Äthylen in die zweite Äthylenkolonne 20 einzuleiten, sondern es kann anstatt derselben ein röhrenförmiger Kondensator eingeschaltet werden, wonach keine Vermischung des aus dem Koksofengas erzeugten Äthylens mit dem Kreislaufäthylen stattfinden kann.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren kann auf diese Weise in ein und derselben Anlage nicht nur das reine Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch, das reine Methan, das reine Äthylen bzw. das reine Äthan, sondern auch reiner Wasserstoff als
Endprodukt gewonnen werden. Im zuletzt an- geführten Falle genügt es, die Waschkolonne 11 durch einen Nachkühler für Wasserstoff zu er- setzen, der durch Verdampfung des siedenden Stickstoffes unter Vakuum betrieben wird. Das reine Methan wird, wie oben angeführt, vom Unterteil der Methankolonne 13, das reine Äthylen aus dem Oberteil der Kolonne 20 abgezogen. Das reine Äthylen kann durch Rektifikation des in der Kolonne 20 verbliebenen Rückstandes gewonnen werden.
Durch die Erfindung ist es also möglich, reine Gase in einer einheitlichen Apparatur auf vorteilhafteste Weise zu gewinnen. Das neue, erfundene Verfahren zur Koksofengastrennung ist den bisher angewandten Methoden weit überlegen. Ganz eigenartig ist insbesondere die Anwendung der Kaskadenkühlung, wobei als Kältemittel nebst Ammoniak und Stickstoff das im Koksofengas enthaltene Äthylen und Methan dient. Da dabei sowohl der nach Linde erforderliche Hochdruck der Grössenordnung von 200 at als auch die komplizierten und empfindlichen Expansionsmaschinen einer Claude-Apparatur entbehrlich sind, werden die Anschaffungskosten wesentlich herabgesetzt. Aber auch die erfindungsgemäss erzielten Betriebsersparnisse sind bedeutend. Da höchstens der Druck von 30 at verwendet wird, führt die Möglichkeit einer vollkommeneren und leichteren Abdichtung zur Senkung der Betriebsverluste.
Besonders aber durch Verwendung der Kaskadenkühlung vermittels der bei der Trennung des Koksofengases freigesetzten Gase, sinkt der
EMI3.1
notwendige Stromverbrauch erheblich etwa um 44% im Vergleich mit der Apparatur nach dem Claude-System und bis um 49% im Vergleich zu der Apparatur nach dem Linde-System. Ein weiterer Vorteil liegt in der Herabsetzung der Anzahl von Kompressoren und Wärmeaustauschern im Vergleich zu den bisherigen Einrichtungen, welche mit der Äthylentrennung kombiniert sind und besondere Kompressoren für Koksofengas, Ammoniak, Hochdruckstickstoff, Methan, Äthylen und Äthylenfraktion benötigen. Erfindungsgemäss wird ein Kompressor für die Äthylenfraktion und zugleich ein besonderer Gasbehälter für dieselbe Fraktion erspart. Auch die Anzahl der Wärmeaustauscher wird herabgesetzt, weil eine besondere Trennung der Äthylenfraktion entbehrlich ist.
Darüber hinaus dient die Kaskadenkühlung sowohl zur Koksofengastrennung, als auch zur Äthylenfraktionstrennung, so dass ein und dieselbe Einrichtung für beide Zwecke gleichzeitig ökonomisch ausgenutzt werden kann. Schliesslich wird die Methanausbeute ganz erheblich dadurch gesteigert, dass das aus der Äthylenfraktion freigesetzte Methan mit der Methanfraktion vermischt wird.
Das erhaltene reine Stickstoff-Wasserstoff-Ge- misch bildet den Ausgangsstoff für die Ammoniaksynthese. Der technisch reine Wasserstoff ist für die Hydrierung und das technisch reine Äthylen für die Erzeugung von synthetischem Alkohol und für manche andere organische Synthesen anwendbar. Das Methan dient ferner als Ausgangsstoff für die Azetylenerzeugung.