BR112013032912B1

BR112013032912B1 - método para depuração de gás físico

Info

Publication number: BR112013032912B1
Application number: BR112013032912-2A
Authority: BR
Inventors: Horst Weiss; Alexander BRANDL
Original assignee: Linde Aktiengesellschaft
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2020-11-17
Also published as: DE102011107814A1; AU2012280728A1; ZA201309217B; WO2013004335A1; EP2726178A1; JP2014523802A; US9895650B2; CA2839380A1; CN103826724A; JP6242789B2; BR112013032912A2; CA2839380C; US20140190350A1; AU2012280728B2; CN103826724B

Abstract

MÉTODO E DISPOSITIVO PARA OBTER PRODUTOS DE GÁS.A presente invenção refere-se a um método e a um dispositivo para depuração física de gás, em que um gás de alimentação (1) contendo hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e também sulfeto de carbonila e/ou sulfeto de hidrogênio é conduzido através de uma primeira seção de depuração (Wl) em contracorrente para um meio de depuração pré-carregado com dióxido de carbono, a fim de separar componentes de enxofre substancialmente seletivamente para fora do gás de alimentação e para gerar uma mistura de gás dessulfurizado (3). Em uma segunda seção de depuração, dióxido de carbono é separado de somente uma sub-quantidade de mistura de gás dessulfurizado através de depuração com um meio de depuração não carregado (4) e o resultante meio de depuração pré-carregado de dióxido de carbono é usado completamente na primeira seção de depuração (Wl) como meio de depuração.

Description

[001] A presente invenção refere-se a um método para depuração de gás físico, em que um gás de alimentação contendo hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e também sulfeto de óxido de carbono e/ou sulfeto de hidrogênio é dirigido, através de uma primeira seção de depuração, em contracorrente para um meio de depuração que é pré-carregado com dióxido de carbono a fim de geralmente seletivamente separar componentes de enxofre do gás de alimentação e produzir uma mistura de gás dessulfurizado.

[002] A invenção, além disso, se refere a um dispositivo para implementar o método.

[003] Métodos do tipo genérico têm sido conhecidos desde a técnica anterior por um longo tempo e conhecidos da pessoa versada na técnica por muitos anos. Eles utilizam a propriedade de líquidos para absorver gases e para mantê-los em solução sem ligá-los quimicamente ao processo. O quanto um gás é bem absorvido por um líquido é expresso por meio do coeficiente de solubilidade. Quanto melhor um gás se dissolve no líquido, maior é o seu coeficiente de solubilidade. O coeficiente de solubilidade é dependente da temperatura e geralmente aumenta com a temperatura caindo.

[004] A fim de separar um componente de gás / de uma mistura de gás por meio de depuração física, uma quantidade mínima do meio de depuração Wmin é requerida e pode ser calculada muito facilmente pela fórmula a seguir:

[005] Na fórmula, V significa a quantidade toda de mistura de gás que deve ser decomposta, p significa a pressão que prevalece na mistura de gás e λi significa o coeficiente de solubilidade do componente de gás que deve ser depurado em relação ao meio de depuração aplicado. Sob a suposição de que os coeficientes de solubilidade dos componentes de uma mistura de gás diferem em uma extensão suficientemente grande, é possível, por meio de um ajuste correspondente da quantidade do meio de depuração, separar, isto é, seletivamente remover, em uma etapa de depuração, aqueles componentes de gás com os coeficientes de solubilidade mais altos largamente independentemente dos componentes de gás restantes. Com maiores quantidades de meio de depuração, componentes de gás adicionais, ou grupos de componentes de gás com coeficientes de solubilidade similares, podem ser seletivamente depurados nas etapas de depuração subsequentes de acordo com o mesmo princípio.

[006] Uma depuração de gás físico conhecida é a depuração de metanol em que metanol líquido a temperaturas muito abaixo 0°C é usado como meio de depuração. Ele é especialmente usado para separar dióxido de carbono e componentes de enxofre de um gás de síntese bruta e, desta maneira, obter uma mistura de gás que consiste em hidrogênio e monóxido de carbono. Um método de depuração de metanol, em que dióxido de carbono e componentes de enxofre são seletivamente depurados, em duas etapas de depuração consecutivas a partir de um gás de síntese bruta contendo hidrogênio, monóxido de carbono e dióxido de carbono e também os componentes de enxofre, sulfeto de óxido de carbono e sulfeto de hidrogênio, é descrito em "Gas Separation &Purification"(Separação e Depuração de Gás), dezembro de1988, Vol 2, p. 171-176. Para isto, o gás de síntese bruta é dirigido para dentro de uma coluna de absorção em que uma primeira e uma segunda seção de depuração são dispostas uma em cima da outra. Para a separação de dióxido de carbono, metanol sem carga é usado na segunda seção de depuração, enquanto que na primeira seção de depuração os componentes de enxofre são depurados com um tanto de metanol que já foi pré-carregado com dióxido de carbono durante a separação de dióxido de carbono. Uma vez que os componentes de enxofre, em relação ao metanol, têm um coeficiente de solubilidade que é mais alto por um múltiplo do que aquele do dióxido de carbono, somente uma fração do meio de depuração, que é carregado com dióxido de carbono na segunda seção de depuração, é requerida para separação dos componentes de enxofre.

[007] Se a mistura de gás produzida por meio de depuração de gás físico deve ser alimentada para uma turbina de gás como combustível, a remoção dos componentes de enxofre, que é tão completa quanto possível, deve ser visada uma vez que por um lado esses levariam ao dano da turbina de gás e por outro lado padrões de emissões correntes no gás de exaustão deveriam ser observados. Ao mesmo tempo, é desejável deixar completamente o dióxido de carbono na mistura de gás na tubulação principal uma vez que ele é requerido como um moderador e um meio de trabalho na turbina de gás. É a técnica anterior purificar o gás de síntese bruto em uma etapa de depuração em que a quantidade mínima de metanol, sem carga requerida para separação dos componentes de enxofre, é usada como meio de depuração. Neste caso, o resultado é uma mistura de gás largamente sem enxofre com teor de dióxido de carbono consideravelmente reduzido, uma vez que, em adição aos componentes de enxofre, dióxido de carbono é também absorvido em uma considerável extensão pelo meio de depuração. A mistura de gás sem enxofre é desta maneira apropriada para uso em uma turbina de gás somente até um grau limitado.

[008] O pedido de patente EP 0290913 propõe uma depuração de metanol em duas fases para obter um gás combustível para uma turbina a gás, em que a quantidade total de gás de síntese bruto é libertada dos componentes de dióxido de carbono e enxofre para obter um gás de síntese constituído em grande parte por monóxido de carbono e hidrogénio. O dióxido de carbono é separado da parte do agente de depuração carregado com dióxido de carbono na segunda etapa de depuração que não é necessária para separar os componentes de enxofre na primeira etapa de depuração, em uma coluna de depuração, utilizando parte do gás de síntese como gás de depuração para produzir uma mistura de gás contendo dióxido de carbono adequada como gás combustível para uma turbina a gás. A desvantagem aqui é que o dióxido de carbono é primeiro separado do gás de síntese bruto, com grandes custos, para se obter um gás de síntese livre de dióxido de carbono, que é depois misturado com o dióxido de carbono separado para formar o gás combustível.

[009] A especificação de patente US3824766 revela um método de depuração de gás em dois estágios no qual um gás natural é dessulfurizado enquanto retém uma grande proporção do dióxido de carbono contido nele. Para este efeito, o gás natural dessulfurizado na primeira etapa de depuração com a ajuda de um meio de depuração saturado com dióxido de carbono é completamente introduzido na segunda etapa de depuração, onde é tratado com a quantidade mínima de meio de depuração sem carga necessária para dessulfurizar. Inevitavelmente, o teor de dióxido de carbono dessulfurizado é inferior ao do gás natural utilizado, cuja concentração de enxofre também determina o nível de redução do teor de dióxido de carbono.

[0010] É desta maneira o objetivo da presente invenção descrever um método e também um dispositivo do tipo descrito na introdução que permitam produzir uma mistura gasosa dessulfurizada com um elevado teor de dióxido de carbono adaptado à sua utilização prevista a partir de um gás de síntese bruto, superando as desvantagens da técnica anterior.

[0011] Este objetivo é realizado, pelo lado do método, por dióxido de carbono sendo separado de somente uma quantidade parcial da mistura de gás dessulfurizada em uma segunda seção de depuração por meio da depuração com um meio de depuração sem carga e pelo meio de depuração, pré-carregado com dióxido de carbono, que é obtido no processo sendo usado totalmente na primeira seção de depuração como meio de depuração e fornecendo a parte da mistura de gás dessulfurizada não introduzida na segunda etapa de depuração como um produto com um elevado teor de dióxido de carbono.

[0012] Se gás e meio de depuração são dirigidos através das seções de depuração em contracorrente, como é o caso, por exemplo, em uma coluna de absorção, uma região em que um equilíbrio térmico e físico é estabelecido pela primeira vez entre meio de depuração de influxo e gás é definido como o limite da primeira seção de depuração. Meio de depuração, desta maneira, entra a primeira seção de depuração se ele passa este limite, enquanto o gás deixa a dita primeira seção de depuração.

[0013] A quantidade do meio de depuração usada é expedientemente selecionada de tal maneira que ela corresponde à quantidade mínima que é requerida para a completa separação dos componentes de enxofre na primeira seção de depuração. O meio de depuração é preferivelmente pré-carregado na segunda seção de depuração até o ponto em que ele pode ser introduzido na primeira seção de depuração em um estado saturado com dióxido de carbono. Uma vez que tal meio de depuração não tem capacidade, ou somente capacidade muito pequena, para absorver dióxido de carbono, nenhum dióxido de carbono, ou somente muito pouco dióxido de carbono, é depurado para fora do gás de alimentação na primeira seção de depuração, como um resultado do qual a mistura de gás dessulfurizada é extraída com uma concentração de dióxido de carbono que principalmente corresponde àquela do gás de alimentação. A mistura de gás que não é transferida na segunda seção de depuração pode desta maneira ser descarregada como um produto sem enxofre, contendo hidrogênio e monóxido de carbono, com um alto teor de dióxido de carbono, ou pode ser usada por exemplo como combustível para uma turbina de gás ou como gás de síntese de metanol.

[0014] Possivelmente, a quantidade de dióxido de carbono contida no gás de alimentação é de tal nível alto que como um resultado de uma mera separação dos componentes de enxofre uma mistura de gás dessulfurizado é criada, na qual o teor de dióxido de carbono é muito grande para ser capaz de usá-lo diretamente como um produto. Em tal caso, é conveniente introduzir um meio de depuração que é completamente carregado com dióxido de carbono dentro da primeira seção de depuração de maneira que, em adição ao dióxido de carbono de componentes de enxofre, é também separada do gás de alimentação.

[0015] Durante a absorção dos componentes de enxofre na primeira seção de depuração, o calor da solução é liberado e por conta da dependência de temperatura do coeficiente de solubilidade leva para um aumento da quantidade requerida do meio de depuração. Consequentemente, a pré-carga do meio de depuração que é usado na primeira seção de depuração é reduzida de maneira que na primeira seção de depuração mais dióxido de carbono é absorvido e desta maneira o gás do produto, contendo menos dióxido de carbono, é produzido. A fim de evitar isto, uma modalidade do método de acordo com a invenção que provê aquele calor da solução é extraída do meio de depuração na primeira seção de depuração em pelo menos uma etapa de refrigeração. A refrigeração é preferivelmente realizada de tal maneira que o meio de depuração descarrega da primeira seção de depuração a uma temperatura que difere por 5°C no máximo da temperatura que ele entra na primeira seção de depuração.

[0016] As vantagens do método de acordo com a invenção, comparado com a técnica anterior, são depois especialmente grandes se o metanol líquido e profundamente congelado é usado como meio de depuração. O método pode também ser implementado, entretanto, com outros meios de depuração, tal como com dimetil éter de polietilenoglicol (conhecido como DMPEG) ou N-metil-2-pirrolidona (conhecida como NMP).

[0017] A eficiência econômica da depuração de gás físico aumenta com a pressão em que a depuração do gás é realizada. As seções de depuração da depuração de metanol são desta maneira operadas em uma pressão de aproximadamente 5 MPa (50 bar) de maneira que os produtos de gás que são produzidos ali são em uma pressão comparavelmente alta. Se tal produto de gás é para ser usado, por exemplo, como gás de combustível e uma turbina de gás, então é necessário reduzir essa pressão uma vez que o gás de combustível pode ser alimentado para uma turbina de gás tipicamente somente em uma pressão de aproximadamente 2,5 MPa (25 bar). Uma modalidade preferida do método de acordo com a invenção desta maneira provê que a parte da mistura de gás dessulfurizada, que não é alimentada para a segunda seção de depuração, é expandida em uma turbina de expansão, realizando o trabalho. A refrigeração da mistura de gás dessulfurizada também ocorre no processo.

[0018] A fim de utilizar a temperatura baixa que é produzida durante a expansão realizando o trabalho da mistura de gás dessulfurizada, é proposto que a mistura de gás dessulfurizada refrigerada seja usada, por exemplo, para refrigerar um fluxo de meio de depuração sem enxofre que é usado na regeneração do meio de depuração por contracorrente de componentes de enxofre.

[0019] A invenção além disso se refere a um dispositivo para separar componentes de enxofre e dióxido de carbono de um gás de síntese bruto contendo hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e também componentes de enxofre por meio de depuração de gás físico, tendo uma coluna de absorção em que uma primeira seção de depuração é disposta em baixo da segunda seção de depuração, em que a coluna de absorção na sua região inferior tem um suprimento de gás para alimentar o gás de síntese bruto e em seu cabeçote tem um dispositivo de extração para a extração de uma mistura de gás que é desprovida de componentes de enxofre e dióxido de carbono, e também um suprimento de meio de depuração para alimentação de um meio de depuração sem carga na segunda seção de depuração.

[0020] O conjunto colocado no lado do dispositivo é realizado de acordo com a invenção por uma linha de extrações disposta ao lado sendo arranjada entre a primeira seção de depuração e a segunda seção de extração, através da qual uma mistura de gás, que é dessulfurizada na primeira seção de depuração, pode ser extraída.

[0021] A fim de ser capaz de estabelecer o teor de dióxido de carbono do meio de depuração pré-carregado de uma maneira direta, a invenção desde que o suprimento do meio de depuração tenha pelo menos dois pontos de introdução dispostos em níveis diferentes, para os quais a quantidade do meio de depuração sem carga pode ser distribuído.

[0022] Em um desenvolvimento da invenção, é proposto ele ter uma turbina de expansão que é conectada ao dispositivo de extração de gás disposto ao lado da coluna de absorção e em que a mistura de gás dessulfurizado pode ser expandida, realizando o trabalho.

[0023] No texto a seguir, a invenção será explicada em mais detalhes baseada em uma modalidade exemplar que está esquematicamente representada na Figura 1.

[0024] A Figura 1 mostra a coluna de absorção de um depurador de gás físico, em que um gás de combustível para uma turbina de gás é produzido a partir de um gás de síntese bruto separando componentes de enxofre.

[0025] Através da linha 1, um gás de síntese bruto contendo hidrogênio, monóxido de carbono, componentes de enxofre e dióxido de carbono é introduzido em uma região inferior da coluna de absorção A, em que as duas seções de depuração W1 e W2 são dispostas uma em cima da outra. Em sua via através da coluna de absorção A, o gás de síntese bruto primeiro se ecaminha para dentro da seção de depuração W1, através da qual ele é dirigido em contracorrente para um meio de depuração atuando fisicamente. O meio de depuração, sendo metanol, por exemplo, já é pré-carregado com dióxido de carbono de maneira que os componentes de enxofre predominantemente são separados do gás de síntese bruto, enquanto que o dióxido de carbono principalmente permanece completamente na fase de gás. Afim de dissipar pelo menos um tanto do calor da solução sendo liberada durante a absorção dos componentes de enxofre, o meio de depuração é extraído através da bandeja de chaminé K e através da linha 2, é dirigido através do trocador de calor E em que é refrigerado contra uma refrigeração externa. Um tanto da mistura de gás que é dessulfurizada na seção de depuração W1, a concentração de dióxido de carbono a qual é basicamente àquela do gás de síntese bruto 1, é extraída através da linha de extração de gás 3 disposta do lado e depois de uma turbina de expansão (não mostrada) é descarregada como um produto e, por exemplo, alimentada como um gás de combustível para uma turbina de gás. A parte restante da mistura de gás dessulfurizada se encaminha para dentro da segunda seção de depuração W2 em que é submetida à depuração com meio de depuração 4 sem carga. Na segunda seção de depuração W2, a mistura de gás dessulfurizada é liberta de dióxido de carbono de tal maneira que uma mistura de gás consistindo amplamente de hidrogênio e monóxido de carbono pode ser extraída do cabeçote da coluna de absorção A, através da linha 5, como um produto adicional. O meio de depuração que é carregado com dióxido de carbono na seção de depuração W2 é transferido completamente para dentro da seção de depuração W1 em que é usado como meio de depuração para separar os componentes de enxofre do gás de síntese bruto. A coluna de absorção A é operada de tal maneira que o meio de depuração é largamente pré-carregado com dióxido de carbono na seção de depuração W2. A fim de ser capaz de realizar isto consistentemente, mesmo sob condições operacionais de flutuação, a quantidade do meio de depuração 4 pode ser distribuída com a ajuda dos elementos de controle a e b para as duas linhas 6 e 7 e pode ser introduzida na seção de depuração W2 em diferentes níveis.

Claims

1. Método para depuração de gás físico, em que um gás de alimentação (1) contendo hidrogênio, monóxido de carbono, dióxido de carbono e também sulfeto de óxido de carbono e/ou sulfeto de hidrogênio é dirigido através de uma primeira seção de depuração (W1) em contracorrente para um meio de depuração (2) que é pré-carregado com dióxido de carbono a fim de geralmente seletivamente separar componentes de enxofre do gás de alimentação (1) e para produzir uma mistura de gás dessulfurizada, caracterizado pelo fato de que o dióxido de carbono é separado somente de uma quantidade parcial da mistura de gás dessulfurizado em uma segunda seção de depuração (W2) por depuração com um meio de depuração (4) sem carga e o meio de depuração (2), pré-carregado com dióxido de carbono que é obtido no processo, é usado completamente na primeira seção de depuração (W1) como meio de depuração e a parte (3) da mistura de gás dessulfurizado que não é introduzida na segunda etapa de depuração (W2) é descarregada como produto com um elevado teor de dióxido de carbono.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o meio de depuração entra na primeira seção de depuração em um estado saturado com dióxido de carbono.

3. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 2, caracterizado pelo fato de que o calor da solução é extraído a partir do meio de depuração na primeira seção de depuração em pelo menos uma etapa de refrigeração.

4. Método, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que a refrigeração é realizada de maneira que o meio de depuração descarrega a partir da primeira seção de depuração em uma temperatura que difere por 5°C no máximo a partir de uma temperatura em que ela entra na primeira seção de depuração.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que a parte da mistura de gás dessulfurizada, que não é alimentada para a segunda seção de depuração, é expandida em uma turbina de expansão, realizando o trabalho.

6. Método, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que a mistura de gás dessulfurizada, que é refrigerada durante o trabalho de realização da expansão, é usada para refrigerar o fluxo do meio de depuração sem enxofre que é usado durante a regeneração do meio de depuração de retrolavagem dos componentes de enxofre.

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que a parte da mistura de gás dessulfurizada que não é alimentada para a segunda seção de depuração é alimentada como um combustível para uma turbina de gás ou é usada como gás de síntese para a produção de metanol.

8. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que metanol ou dimetil éter de polietilenoglicol ou N-metil-2-pirrolidona é usado como meio de depuração.