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Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Konvertierung von Kohlenmonoxyd und Wasser- dampf
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zur Konvertierung von Kohlenmonoxyd und Wasserdampf in Kohlendioxyd und Wasserstoff bei gewöhnlichem oder erhöhtem Druck unter Benutzung von im Kreislauf geführtem Wasser als Wärmeträger zwischen konvertiertem Gas und Frischgas, wobei die Aufsättigung des Frischgases im Rieselsättiger nur in einer einzigen Stufe durchgeführt und das Wasser nur an einer einzigen Stelle des Rieselsättigers abgezogen wird.
Die Umwandlung von Kohlenmonoxyd und Wasserdampf in Kohlendioxyd und Wasserstoff, die sogenannte Kohlenmonoxyd-Konvertierung, erfolgt in den Konvertierungsöfen bei Temperaturen über 4000 C, wobei für eine weitgehende Umsetzung des Kohlenmonoxydes entsprechend der Gleichgewichtskonstante ein grosser Überschuss von Wasserdampf erforderlich ist, der gewöhnlich ein Mehrfaches des für die Umsetzung stöchiometrisch notwendigen Wasserdampfes beträgt.
Um eine hohe Wirtschaftlichkeit des Betriebes zu erreichen, wird die Wärme des abziehenden Gases (Kontaktgas) mittels Wärmeaustauscher an das zu konvertierende Frischgas übertragen. Ferner wird in einem Sättiger-EntfeuchterSystem eine möglichst grosse Menge des im Kontaktgas enthaltenen Wasserdampfes dem Frischgas zugeführt, indem mittels eines Warmwasserkreislaufs im Entfeuchter das Kreislaufwasser vom Kontaktgas erwärmt wird, während im Sättiger das Frischgas durch das heisse Wasser möglichst hoch aufgesättigt wird.
In Fig. l ist der vorgeschilderte Wärmeaustausch in einer der bisher üblichen Konvertierungsanlagen schematisch dargestellt. Das Frischgas wird im Sättiger 1 gesättigt. Bei 2 wird der für die Umsetzung noch fehlende Dampf zugegeben.
Das Gas wird dann nach dem Konvertierungssystem 3 geleitet, in dem die weitere Vorerwärmung des Gases erfolgt und die Konvertierung bei etwa 400 C stattfindet. Das Kontaktgas gelangt darauf nach dem Entfeuchter 4, in dessen unterem Teil es mit dem Kreislaufwasser berieselt wird, worauf in dessen oberem Teil die Schlusskühlung des Gases erfolgt, das von hier aus der weiteren Verwendung zugeführt wird. Das vom Entfeuchter abfliessende Warmwasser wird über die Leitung 10 auf den Sättiger 1 geleitet und das vom
Sättiger abfliessende Wasser wieder auf den Entfeuchter 4 gepumpt.
Derartige CO-Konvertierungen können sowohl bei normalem Druck als auch, zwecks Einsparung von Kompressionskosten, bei erhöhtem Druck durchgeführt werden. In beiden Fällen kann man jedoch bei dem Wärmeaustausch im Sättiger-Ent- feuchter-System nicht den ganzen Wasserdampf vom Kontaktgas an das Frischgas übertragen, sondern nur etwa die Hälfte. Das Kontaktgas enthält daher nach dem Wärmeentzug durch den Warmwasserkreislauf immer noch erhebliche Wärme- und Wasserdampf mengen, die bei der
Schlusskühlung vernichtet werden, da bisher allgemein keine Möglichkeit bestand, diese nutzbringend zu verwenden.
Es sind zwar Verfahren bekannt, bei denen versucht wird, diese erheblichen Wärmemengen auszunutzen. So wird nach dem Verfahren der DDR-Patentschrift Nr. 9597 (Baumann) ein Teil des vom Sättiger zum Entfeuchter strömenden warmen Wassers abgezweigt und zur Aufsättigung des Rohgases einer Teilkonvertierung verwendet. Hier wird also die Überschusswärme zum Teil ausgenutzt. Dies ist jedoch nur in den äusserst seltenen Fällen möglich, wo bei gleichem Druck eine Teilkonvertierung mit einer Vollkonvertierung gekoppelt werden kann. Allgemein ist dieses Verfahren für eine Ausnutzung der Überschuss- wärme nicht geeignet.
Ferner ist nach der deutschen Patentschrift Nr. 947. 465 (BASF) bekannt, zwecks grösserer Ausnutzung der Überschusswärme die Abkühlung des Kontaktgases im Rieselkühler (Entfeuchter) und die Aufsättigung des Frischgases im Rieselsättiger in mindestens zwei Stufen durchzuführen. Hiedurch kann wohl eine Gewinnung der Überschusswärme erreicht werden, jedoch wird durch den mehrfachen Wasserkreislauf mindestens die doppelte Zahl von Pumpen und Rohrleitungen benötigt, wodurch sich die Anlage- und Betriebskosten erhöhen und wegen der komplizierten Anlage wieder neue Wärmeverluste auftreten, so dass der erzielte Gewinn zum grossen Teil wieder verloren geht. Keines der bekannten Verfahren ist daher geeignet, die bei derKonvertierunganfallendenerheblichen Wärmemengen allgemein und wirtschaftlich auszunutzen.
Es wurde nun gefunden, dass die Ausnutzung eines erheblichen Teiles dieser bedeutenden
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Wärmemengen dadurch ermöglicht werden kann, dass die vom Sättiger zum Entfeuchter strömende
Wassermenge teilweise oder ganz durch einen
Wärmeaustauscher geleitet und dann zur Gänze dem Entfeuchter wieder zugeführt wird, wobei im
Wärmeaustauscher die im Prozess nicht ausge- nutzte Wärme für andere technische Zwecke nutz- bar gemacht wird.
Vorzugsweise wird die zwischen Sättiger und
Entfeuchter teilweise abgezweigte Wassermenge nach Durchströmen des Wärmeaustauschers dem
Entfeuchter an einer höheren Stelle zugeführt, oder man lässt sie in die gleiche Leitung, aus der die Abzweigung erfolgte, zurückströmen.
Das vorliegende Verfahren bringt deshalb einen besonders grossen wirtschaftlichen Nutzen, weil es sich hier stets um bedeutende Wärmemen- gen handelt, die hiedurch wieder zurückgewonnen werden, und weil der Wärmeaustauscher relativ klein gehalten werden kann, da die Wärmeüber- gangszahlen für Flüssigkeiten sehr hoch liegen.
Im Falle der Druckkonvertierung erfolgt hinter dem Wärmeaustauscher eine weitere Abzweigung einer Wassermenge, und dieser zweite Wasserteilstrom wird in einem Oberflächenkühler auf eine möglichst tiefe Temperatur abgekühlt, dem Entfeuchter wieder zugeführt und für die Schlusskühlung des Gases verwendet. Dies ist besonders vorteilhaft, weil dieses Wasser im Kreislauf verbleibt, während sonst das Kühlwasser bei Druckkonvertierungsanlagen auf den entsprechenden Druck gebracht wird, dann aber wieder entspannt werden muss, wodurch bei der Entspannung Energie verloren geht und ausserdem noch Gasverluste auftreten.
Zweckmässigerweise wird die im Wärmeaustauscher verfügbare Wärmemenge zur Aufwärmung von Kesselspeisewasser oder zur Aufwärmung des Wassers des Warmwasserkreislaufes einer zweiten Konvertierungsanlage verwendet, dessen Kontaktgas einen niedrigeren Taupunkt hat, als das Kontaktgas der ersten Anlage.
In den Fig. 2 und 3 sind zwei Ausführungsarten des erfindungsgemässen Verfahrens dargestellt, die nachstehend an Hand der Zeichnung näher beschrieben sind.
Das zu konvertierende Gas tritt bei 5 in die Anlage ein, es gelangt durch den Sättiger 1 nach dem Kontaktsystem 3, nachdem durch die Leitung 2 vorher Frischdampf zugesetzt wurde. Das Kontaktgas strömt dann nach dem Entfeuchter 4, in dem es von abgekühltem Warmwasser berieselt wird, das sich dabei aufwärmt. Das erwärmte Wasser wird durch die Leitung 10 nach dem Sättiger geleitet, in dem die Wärme an das ankommende Gas teilweise abgegeben und dieses auf gesättigt wird, worauf das Wasser im Kreislauf wieder durch die Leitung 11 nach dem Entfeuchter 4 zurückfliesst. Von dieser Leitung zweigt ein Teilstrom 12 ab, der durch einen OberflächenWärmeaustauscher 13 geleitet wird, dem die Überschusswärme für den jeweils beabsichtigten Zweck entnommen wird.
Darauf wird dieses abgekühlte Wasser entweder wieder in die Leitung 11 durch die gestrichelt angedeutete Leitung 14 zurückgeführt oder, beim Entzug grösserer Wärme- mengen, durch eine getrennte Leitung 15 nach dem Entfeuchter geführt und dort an einer Stelle, die oberhalb der Einführungsstelle der Haupt- wassermenge aus Leitung 11 liegt, eingeleitet.
Im Entfeuchter wird das an höherer Stelle ein- geführte, vorher abgekühlte Wasser durch die
Abfallwärme wieder auf die Temperatur gebracht, die es vor der Abkühlung im Wärmeaustauscher hatte. Nach dieser Erwärmung trifft es dann im
Entfeuchter mit der Hauptwassermenge aus
Leitung 11 zusammen. Von hier aus erfolgt die weitere Erwärmung des Kreislaufwassers wie in der bisher üblichen Weise, so dass auch bei dieser Verfahrensführung im Entfeuchter dieselbe hohe Temperatur des Wassers wieder erreicht wird wie bei der früheren Betriebsweise, obwohl ein erheblicher Teil der Kontaktgaswärme dem Gas zusätzlich entzogen wurde. Dieser Teil, der bisher als Abfallwärme verlorenging, wird jetzt einer wirtschaftlichen Verwendung zugeführt.
In Fig. 3 ist hinter dem Wärmeaustauscher 13 ein weiterer Teilstrom 16 abgezweigt, der nach dem Oberflächenkühler 17 geleitet wird, in dem dieses Wasser auf eine möglichst tiefe Temperatur herabgekühlt wird. Mit ihm erfolgt dann im Oberteil des Entfeuchters die Schlusskühlung des Gases mittels direkter Berieselung.
Im Falle der Druckkonvertierung wird das Kreislaufwasser im Entfeuchter auf etwa 177 C erwärmt. Es strömt mit dieser Temperatur nach dem Sättiger, in dem es durch Abgabe seiner Wärme an das Frischgas auf etwa 140 C abge- kühlt wird. Mit dieser temperatur wired es wieder auf den Entfeuchter geleitet. Etwa ein Drittel dieser Wassermenge wird abgezweigt und über den
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zesses zum grössten Teil nutzbringend verwertet werden.
Bei der zweiten Abzweigung hinter dem Wärmeaustauscher 13 wird wiederum etwa ein Drittel abgetrennt und durch die Leitung 16 dem Oberflächen-Kühler 17 zugeführt, in dem dieses Wasser auf etwa 20 C abgekühlt wird. Von hier wird es nach dem Entfeuchter geleitet und für die Schlusskühlung des Gases verwendet.
Im Falle der drucklosen Konvertierung beträgt die Wassertemperatur hinter dem Entfeuchter
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ebenfalls etwa ein Drittel der Wassermenge abgezweigt. Im Oberflächen-Wärmeaustauscher wird dann dieses Wasser von 65 C auf etwa 50 C abgekühlt und dann dem Entfeuchter wieder zugeführt.
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