CN116803467A - 用于从合成气中去除二氧化碳和水的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从合成气中去除二氧化碳(CO2)和水(H2O)的气体洗涤方法和设备，其中该合成气至少包含氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)。本发明的特征在于用于去除水的专用回路，该专用回路包括用于通过在该气体洗涤方法中使用的物理吸收介质来去除水的洗涤装备。将供应到该洗涤装备的吸收介质从用于分离水和吸收介质的热分离装备中移出。该回路配置使得经由待纯化的合成气夹带的水不能进入主吸收介质回路，该主吸收介质回路尤其由吸收装备和再生装备形成。因此降低尤其关于该热分离装备的能量成本和装备复杂性。

Description

用于从合成气中去除二氧化碳和水的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种用于从合成气中去除二氧化碳(CO2)和水(H2O)的方法，其中该合成气至少包含氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)。本发明进一步涉及一种用于从合成气中去除二氧化碳(CO2)和水(H2O)的设备，其中该合成气至少包含氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)。
背景技术
随后公布的欧洲专利申请EP 20 020 521和EP 20 020 522描述了一种用于生产氢气或合成气(氢气和一氧化碳的混合物)的方法，该方法是通过提供粗合成气并通过在物理吸收介质(例如甲醇)中在高压下吸收而分离粗合成气中存在的二氧化碳。将负载二氧化碳的吸收介质在再生装备中处理以随后尽可能定量地从吸收介质中解吸二氧化碳，并且随后将其送至随后的加压储存或进一步使用。该方法是特别的，尤其是不需要负载的吸收介质的热再生-二氧化碳因此可以仅通过减压(闪蒸)从负载的吸收介质中解吸。
在上述气体洗涤过程中，用于生产氢气或合成气的待处理的粗合成气不仅包含作为待去除的气体组分的二氧化碳，而且包含水，该水被尽可能定量地从粗合成气中去除以获得纯氢气或纯合成气。
待处理的粗合成气中存在的水也可以在进入吸收塔后积聚在用于二氧化碳去除的主吸收介质回路中，因为在进入吸收塔前它没有被完全去除。当配置相应的气体洗涤设备时，通常假定吸收介质中的水浓度低，例如小于1质量％。吸收介质中任何超过配置过程中所考虑的浓度的水的积聚都会导致吸收介质的吸收效率和选择性的损害，因此最终降低了在气体洗涤设备中纯化的目标产物(氢气或合成气)的质量。这尤其导致产物中的二氧化碳含量升高和相应的二氧化碳分离率下降。
只有通过蒸馏/精馏才能将水与甲醇或其他极性物理吸收介质分离。在甲醇的情况下，全部吸收介质必须作为低沸点组分蒸发，并在塔顶离开精馏塔，而纯水馏分保留在塔底。在EP 20 020 521和EP 20 020 522中，将吸收介质的子流从主吸收介质回路中移出并且供应到精馏塔。主吸收介质回路中的水浓度相对较低。浓度例如为1质量％。因此，供应到精馏塔的子流的质量流量必须相对较高，以确保经由精馏塔从吸收介质回路中完全去除全部过量的水。这导致了高能量需求，并且因此导致了经由塔顶将全部甲醇蒸发和再循环回到主吸收介质回路中的操作成本(OPEX)，并相应地导致了对于适当尺寸的精馏塔的高安装成本(CAPEX)。
发明内容
本发明的总体目的是克服现有技术的上述缺点。
本发明的一个目的尤其是降低关于操作精馏塔以去除已经积聚在吸收介质中的水的能量需求。
本发明的一个目的尤其是降低关于安装精馏塔以去除已经积聚在吸收介质中的水的装备复杂性。
本发明的另一个目的是使积聚在主吸收介质回路中的水的量最小化，即，保持主吸收介质回路中的水的浓度尽可能低。
本发明的另一个目的是改善目标产物、特别是氢气或合成气的纯度，就杂质、特别是二氧化碳而言，同时保持相关气体洗涤过程的能量需求和装备复杂性尽可能低。
本发明的另一个目的是优化过程中二氧化碳的分离率，同时保持相关气体洗涤过程的能量需求和装备复杂性尽可能低。
独立权利要求有助于至少部分地实现上述目的中的至少一个。从属权利要求提供了优选实施例，其有助于至少部分地实现上述目的中的至少一个。根据本发明的一个类别的成分的优选实施例在相关的情况下对于根据本发明的相应的另一类别的相同命名的或对应的成分同样是优选的。
术语“具有”、“包括”或“包含”等不排除另外的要素、成分等的可能存在。不定冠词“一个/种”不排除复数的可能存在。
本发明的目的至少部分地通过以下方法解决：从合成气中去除二氧化碳(CO2)和水(H2O)，其中该合成气至少包含氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)，该方法包括以下步骤：
(a)提供物理吸收介质，特别是甲醇；
(b)将该合成气供应到洗涤装备，特别是洗涤塔，并且通过用供应到该洗涤装备的吸收介质洗涤该合成气来去除该洗涤装备中的该合成气中存在的水，以获得至少部分不含水的合成气以及吸收介质和水的混合物，其中将该至少部分不含水的合成气以及吸收介质和水的该混合物从该洗涤装备中移出；
(c)将吸收介质和水的该混合物供应到热分离装备，并在该分离装备中将该混合物热分离成水和吸收介质，其中将水从该热分离装备中移出，并且其中将该吸收介质从该热分离装备中移出且随后供应到该洗涤装备以根据步骤(b)去除该合成气中存在的水；
(d)将该至少部分不含水的合成气供应到吸收装备，并通过在该吸收装备中在吸收压力下物理吸收该吸收介质中的二氧化碳从该合成气中去除二氧化碳，其中该吸收介质和该合成气在该吸收装备中逆流运行以获得至少负载有二氧化碳的吸收介质和至少部分不含二氧化碳和水的合成气，其中将该至少负载有二氧化碳的吸收介质和该至少部分不含二氧化碳和水的合成气从该吸收装备中移出；
(e)通过在再生装备中通过相对于该吸收压力的减压而解吸二氧化碳，从来自该吸收装备中移出的负载的吸收介质中去除二氧化碳，其中解吸的二氧化碳和至少部分再生的吸收介质从该再生装备中移出，并且其中使该至少部分再生的吸收介质再循环到该吸收装备以用作根据步骤(d)的吸收介质。
合成气任选地还含有一氧化碳(CO)。
根据步骤(d)，将至少部分不含二氧化碳和水的合成气从吸收装备中移出。在本发明的上下文中，这种移出的“合成气”还可以是包含氢气作为主要组分并且仅包含少量的一氧化碳(如果存在的话)的气体混合物。
根据本发明，建立了用于去除水的专用回路，其基本上防止了水转移到用于去除二氧化碳的主吸收介质回路中。这种专用回路的组成部分是洗涤装备(参见步骤(b))，向其中供应待纯化的合成气和吸收介质。在该洗涤装备中，合成气至少部分不含水。在此上下文中，“不含水”特别应理解为意指水被吸收介质物理溶解。因此，吸收介质优选是吸湿性吸收剂，特别是甲醇。因此，合成气(即粗合成气)和吸收介质逆流运行。因此，根据本发明的方法的一个实施例的特征在于：该合成气和该吸收介质在该洗涤装备中逆流运行。
洗涤装备被配置为例如洗涤塔，并且此外可以配备有泡罩塔盘、浮阀塔盘、规整填料或类似的内部构件以改善吸收介质与粗合成气之间的传质。尤其是当使用吸湿性吸收介质，特别是甲醇时，仅需要少量的吸收介质以实现从待纯化的合成气中定量或几乎定量地去除水。
根据步骤(c)，将在洗涤装备中获得的吸收介质和水的混合物供应到热分离装备，并且在其中热分离成吸收介质和水。该热分离装备特别是蒸馏装备，特别是精馏装备。该吸收介质、特别是甲醇尤其经由热分离装备的顶部区域移出，并且水经由热分离装备的底部区域移出。
将从热分离装备中移出的吸收介质根据步骤(c)从热分离装备中移出，并且随后供应到洗涤装备以根据步骤(b)去除合成气中存在的水。将从热分离装备中移出的吸收介质的至少部分量供应到洗涤装备。这限定了用于通过吸收介质去除水的专用回路，因此确保几乎没有水可以从待处理的合成气转移到主吸收介质回路中。“主吸收介质回路”应理解为意指包括根据步骤(d)的吸收装备和根据步骤(e)的再生装备的吸收介质回路。吸收二氧化碳所需的大部分吸收介质在它们之间循环，并穿过相关气体洗涤设备的这两个设备部件。
在一个实施例中，随后将从热分离装备中移出的吸收介质的至少一部分供应到洗涤装备中以根据步骤(b)去除合成气中存在的水。
作为根据本发明的方法的结果，与没有根据本发明的专用回路的配置相比，热分离装备仅需要蒸发明显更少量的吸收介质。关于热分离装备的能量成本和装备复杂性显著降低。
如上所阐明，在非本发明的配置中，必须将较大部分的吸收介质从主吸收介质回路中去除并在热分离装备中进行处理以去除已积聚在主吸收介质回路的吸收介质中的水。根据本发明，在主吸收介质回路中的这种水的积聚从一开始就被阻止了。
该物理吸收介质优选是甲醇。因此，步骤(a)优选包括提供甲醇作为物理吸收介质。在根据步骤(d)的装备中，二氧化碳优选在低温下、特别是在深冷温度下被吸收在甲醇中。在进入吸收装备之前，甲醇优选具有小于-10℃或小于-20℃或小于-30℃或小于-40℃的温度。在进入吸收装备之前，甲醇优选具有大于-60℃或大于-50℃的温度。
例如将吸收装备配置为吸收塔并且在吸收压力下操作。吸收压力是升高的压力，特别是明显高于环境压力的压力，特别是大于20巴或大于30巴，例如从20至80巴、优选地30至70巴、更优选地35至55巴、更优选地35至45巴的压力。
根据步骤(e)，二氧化碳在再生装备中通过相对于吸收压力的减压而解吸，并且因此再次从至少负载有二氧化碳的吸收介质中释放。再生装备优选包括多个串联布置的闪蒸段。闪蒸段串联布置并配置为例如闪蒸塔或闪蒸器。“串联布置”应理解为特别意指多个闪蒸段相继连接并且彼此流体连通，特别是两个直接相继的闪蒸段流体连通。闪蒸段中的压力低于吸收压力，并且优选在吸收介质的流动方向上从一个闪蒸段到另一个闪蒸段降低。因此，下游闪蒸段中的压力原则上低于布置在闪蒸段上游的闪蒸段中的压力。
串联布置的闪蒸段的最后一个优选在负压(真空)下操作。在一个实例中，串联布置的闪蒸段的最后一个处于0.1至0.9巴、优选0.1至0.5巴、更优选0.2巴的压力下。“负压”应理解为意指低于环境压力的压力。在最后一个闪蒸段中使用负压使解吸的二氧化碳的产率最大化，并且使至少部分再生的吸收介质用于将二氧化碳再吸收到吸收装备的能力最大化。
供应到根据步骤(b)的洗涤装备并随后供应到根据步骤(d)的吸收装备的合成气是待纯化的合成气或粗合成气。这是通过本领域技术人员已知的方法产生的。实例包括蒸汽重整(SMR)、自热重整(ATR)、气体加热重整(GHR)和上述的组合。这些方法产生至少包含成分氢气(H2)和一氧化碳(CO)以及不期望的成分二氧化碳(CO2)和水(H2O)的合成气。用于合成气生产的方法优选是自热重整。当需要特别高的气体容量时，通常选择自热重整来生产合成气。在此类情况下，通过物理吸收去除二氧化碳通常比化学吸收二氧化碳的方法(例如胺洗涤)在经济上更有利。
优选使最初生产的合成气在随后的步骤中进行水煤气变换反应以增加氢气的产率。通过在水煤气变换反应过程中将一氧化碳转化为二氧化碳，供应到吸收装备的合成气含有氢气和二氧化碳作为其主要组分。由于在根据本发明的方法的过程中从合成气中分离二氧化碳和水，因此步骤(d)在这种情况下优选包括从吸收装备中移出不含二氧化碳和水的“合成气”，该合成气包含氢气作为其主要成分。可以将这种粗氢气产物供应到例如变压吸附过程(PSA)以进一步后处理以获得纯氢气。
根据本发明的方法的一个实施例的特征在于，将从该再生装备中移出的至少部分再生的吸收介质的部分量供应到该洗涤塔中以去除该合成气中存在的水。
除了从热分离装备中移出的吸收介质之外，此实施例还包括将从再生装备中移出的吸收介质的部分量供应到洗涤装备以去除其中的水。从根据步骤(c)的热分离装备中移出的水可能被吸收介质污染，这可能导致在用于去除水的专用回路中的吸收介质损失。供应再生的吸收介质有利地补偿了这些损失。此外，由于合成气夹带吸收介质而在洗涤装备中流动，因此一定量的吸收介质可以进入吸收装备中。将吸收介质供应到用于去除水的专用回路还补偿了关于回路中质量平衡的这种损失。
根据本发明的方法的一个实施例的特征在于，在供应到该洗涤装备之前，将该合成气冷却到低于水的露点，结果是从该合成气中冷凝出的水在分离装备中被分离并被供应到该热分离装备。
结果，经由待纯化的合成气供应到洗涤装备的水量在前一步骤中已经显著减少。因此，在洗涤装备中需要较少的用于去除水的吸收介质。这进一步降低了在热分离装备中将吸收介质与水分离的成本和复杂性。
上述实施例特别包括用于优选在热交换器中从待纯化的合成气中冷凝水的冷却步骤，和用于特别是在分离装备(例如分离器)中从气态合成气中分离冷凝水的分离步骤。
相应地，将合成气从分离装备中移出，并且将从分离装备中移出的合成气供应到洗涤装备以进一步去除合成气中存在的水，特别是进一步根据步骤(b)去除合成气中存在的水。
根据本发明的方法的一个实施例的特征在于，从该热分离装备中移出的吸收介质是气态的，并且在被供应到该洗涤装备之前将其冷却到低于该吸收介质的露点。
根据本发明的方法的一个实施例的特征在于，将从该热分离装备中移出的吸收介质的子流以气态形式用作汽提介质，用于在该再生装备中从负载的吸收介质中去除二氧化碳。
从热分离装备中移出的吸收介质的一部分也可以用作汽提介质或汽提助剂以排出再生装备中的二氧化碳，而不是被冷凝和供应到洗涤装备。这使得可以进一步增加分离的二氧化碳的量，即再生装备中的解吸效率，而没有额外的能量需求。另一个优点是从热分离装备中移出的吸收介质蒸气在化学上与吸收介质相同。因此，没有将需要随后从汽提的二氧化碳中复杂去除的“外来”汽提介质(例如氮气)引入到吸收介质中。夹带的吸收介质蒸气易于通过冷凝和分离从二氧化碳中去除。相反，如果使用氮气作为另外的常规汽提助剂，则其随后很难与二氧化碳分离。这将严重限制二氧化碳作为产品的可能用途或将妨碍其储存。
根据本发明的方法的一个实施例的特征在于，该方法不包括用于再生该负载的吸收介质的热再生步骤。
除了前述实施例之外，根据本发明的方法的特征在于，仅使用相对于吸收压力的减压(闪蒸)来解吸根据步骤(e)的再生装备中的二氧化碳。特别地，根据本发明的方法不需要常规用于在气体洗涤器中完全再生吸收介质的热再生步骤作为最后的再生步骤，其中例如使用再沸器将吸收介质完全加热至沸点。在这种热再生步骤中，吸收介质蒸气充当汽提助剂。
根据本发明的方法的一个实施例的特征在于，将从该再生装备中移出的至少部分再生的吸收介质的部分量供应到该热分离装备，其中在根据步骤(c)从该热分离装备中移出该吸收介质之前，通过在该热分离装备中用该至少部分再生的吸收介质洗涤从该吸收介质中去除水残余物。将至少部分再生的吸收介质供应到热分离装备的顶部区域。
供应到热分离装备的至少部分再生的吸收介质的部分量的大小取决于合成气中存在的水量。
在热分离装备中通过热分离产生的气态吸收介质仍然含有无法通过相关热分离过程(例如精馏)完全去除的水残余物。为了防止水夹带到洗涤装备中，这些残余物有利地通过在热分离装备中用至少部分再生的吸收介质反萃取而去除。可以进一步通过在热分离装备的顶部区域添加再生的吸收介质来促进所述反萃取。该实施例结合上述实施例得到的另一优点在于，将从热分离装备中移出的气态吸收介质用作再生装备中的汽提介质。这防止了水被夹带到主吸收介质回路中，在这种情况下是经由再生装备夹带到主吸收介质回路中。
对于本发明的上述方法特征描述的优点和效果同样适用于随后的设备特征，至少对于技术上等同的装备特征而言。
本发明的目的进一步至少部分地通过
用于从合成气中去除二氧化碳(CO2)和水(H2O)的设备实现，其中该合成气至少包含氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)，该设备包括彼此操作性连接的以下设备部件：
(a)用于提供物理吸收介质、特别是甲醇的装置；
(b)洗涤装备，特别是洗涤塔，和用于供应该合成气和用于将吸收介质供应到该洗涤装备的装置，其中该洗涤装备配置用于通过用吸收介质洗涤该合成气来去除该合成气中存在的水，从而使得能够在该洗涤装备中获得至少部分不含水的合成气以及吸收介质和水的混合物，以及用于从该洗涤装备中移出该至少部分不含水的合成气以及吸收介质和水的该混合物的装置；
c)热分离装备和用于将吸收介质和水的该混合物供应到该热分离装备的装置，其中吸收介质和水的该混合物可在该分离装备中分离成水和吸收介质，以及用于从该热分离装备中移出水的装置和用于从该热分离装备中移出该吸收介质并将该吸收介质供应到根据(b)的洗涤装备以在该洗涤装备中去除该合成气中存在的水的装置；
(d)吸收装备和用于将该至少部分不含水的合成气供应到该吸收装备的装置，其中该吸收装备配置使得通过在吸收压力下物理吸收该吸收介质中的二氧化碳从该合成气中去除二氧化碳，并且其中该吸收介质和该合成气可以在该吸收装备中逆流运行，因此使得能够获得至少负载有二氧化碳的吸收介质和至少部分不含二氧化碳和水的合成气，以及用于将该至少负载有二氧化碳的吸收介质和该至少部分不含二氧化碳和水的合成气从该吸收装备中移出的装置；
(e)再生装备，其中该再生装备配置用于通过相对于该吸收压力的减压解吸二氧化碳来从可从该吸收装备中移出的负载的吸收介质中去除二氧化碳，因此使得能够获得至少部分再生的吸收介质，用于从该再生装备中移出该解吸的二氧化碳和该至少部分再生的吸收介质的装置，以及用于将该至少部分再生的吸收介质再循环到根据(d)的吸收装备以用作吸收介质的装置。
根据本发明的设备的一个实施例的特征在于，该设备包括用于将可从该再生装备中移出的至少部分再生的吸收介质的部分量供应到该洗涤塔中以去除该合成气中存在的水的装置。
根据本发明的设备的一个实施例的特征在于，在该洗涤装备的上游在该合成气的流动方向上，顺序地布置有热交换器和分离装备，特别是液体分离器，其中该热交换器配置用于将该合成气冷却至低于水的露点，并且该分离装备配置用于从该合成气中分离冷凝水，并且其中该设备包括用于将在该分离装备中冷凝出的水供应到该热分离装备的装置。
根据本发明的设备的一个实施例的特征在于，该设备包括用于从该分离装备中移出合成气的装置和用于将可从该分离装备中移出的合成气供应到该洗涤装备以进一步去除该合成气中存在的水的装置。
根据本发明的设备的一个实施例的特征在于，该设备包括用于冷却可从该热分离装备中移出的气态吸收介质的装置，其中这些装置配置使得可将该吸收介质冷却至低于该吸收介质的露点。
根据本发明的设备的一个实施例的特征在于，该设备包括用于从该热分离装备中移出气态吸收介质的装置和用于将该气态吸收介质作为汽提介质供应到该再生装备以通过汽提从该再生装备中的该负载的吸收介质中去除二氧化碳的装置。
根据本发明的方法的一个实施例的特征在于，该设备不包括用于热再生该负载的吸收介质的装置。
根据本发明的设备的一个实施例的特征在于，该设备包括用于移出可从该再生装备中移出的该至少部分再生的吸收介质的部分量的装置和用于将该至少部分再生的吸收介质供应到该热分离装备的装置，因此使得能够通过在该热分离装备中用该至少部分再生的吸收介质洗涤而从该吸收介质中去除水残余物，其中该设备包括用于从该热分离装备中移出不含水残余物的吸收介质的装置。
工作实例
在随后的工作实例中，现在将参考附图更具体地阐述本发明。工作实例说明了本发明的示例性实施例，而不限制其范围。
在附图中：
图1示出了本发明的示例性实施例的方法或设备的高度简化的方块流程图，
图2示出了本发明的示例性实施例的方法或设备的工艺流程图，以及
图3示出了没有本发明的用于去除水的专用回路的方法或设备的工艺流程图
在这些图中，相同的元件具有相同的附图标记。气体流用虚线示出，而液体流用实线示出。箭头提示指示特定流的流动方向。吸收介质是甲醇。
图1示出了本发明的示例性实施例的方法100或设备的高度简化的方块流程图。图1的高度简化的方块流程图适于说明本发明的基本元素。
将包含主要成分氢气和二氧化碳的待纯化的合成气(例如来自自热重整器的变换合成气)经由导管39提供并且初始引入分离装备D。分离装备D包括用于使水从合成气中冷凝出来的冷却器和分离器。将不含水的合成气经由导管40输送并引入洗涤装备S中。在分离装备D中冷凝的水经由导管41从其中移出。例如，以具有泡罩塔盘的洗涤塔形式的洗涤装备S经由导管43供应有冷的液体甲醇。在洗涤装备S中，已经不含水的待纯化的合成气从底部流向顶部，并且冷甲醇从顶部流向底部。通过在洗涤装备S中的相互传质，合成气中残余的水大部分被甲醇溶解。因此，甲醇和水的混合物经由导管42离开洗涤装备S的底部区域，并与来自导管41的水合并。将导管42中的甲醇-水混合物供应到例如以精馏塔形式的热分离装备T中。在热分离装备T中，甲醇和水主要被热分离。沸点高于甲醇的水经由导管45离开热分离装备T的底部区域，并且进行进一步的后处理(未示出)。沸点低于水的甲醇经由导管43以气态离开热分离装备的顶部区域。将此气态甲醇冷却到明显低于其露点(未示出)，并且随后以如上所指定的冷和液体的形式供应到洗涤装备S。因此，经由导管40引入过程中的水在由导管42和43限定的回路中循环，并且因此不会进入设备的其他区域，前提是在洗涤装备中实现了水的定量去除。
基本上不含水的合成气经由导管44从洗涤装备44中移出，并且随后在约40巴的压力下进入例如以多级吸收塔形式的吸收装备A。在吸收装备A中，待纯化的合成气和吸收介质逆流运行，其中合成气从底部流向顶部，并且吸收介质从顶部流向底部。因此，吸收介质经由导管49进入吸收装备的上部区域，并且待纯化的合成气经由导管44进入吸收装备A的下部区域。合成气在吸收装备A中基本上不含二氧化碳。因此，现在包含氢气作为主要组分的基本上不含二氧化碳的“合成气”经由导管46从吸收装备A中排出。负载二氧化碳的甲醇经由导管48从吸收装备中移出，并且随后进入再生装备R。再生装备R包括例如多个串联布置的闪蒸段，例如三个闪蒸段。再生装备R优选不包括热再生段，在该段中吸收介质被加热至沸点。在再生装备R中，二氧化碳通过相对于吸收压力的减压从负载的甲醇中大量解吸。再生装备R中的最后闪蒸段优选是以真空闪蒸段的形式，以尽可能完全地从负载的甲醇中排出二氧化碳。排出(解吸)的二氧化碳经由导管47离开再生装备R，并且随后进行进一步使用或储存(未示出)。在进一步使用或储存之前，根据需要将二氧化碳压缩到所需的压力。
将基本上不含二氧化碳的甲醇(即再生的甲醇)经由导管49从再生装备中移出，并且随后供应到吸收装备A用于再吸收二氧化碳。
导管49中的再生甲醇的小的子流经由导管50转移并供应到导管43。在热分离装备T中甲醇和水的分离永远不会完成。因此，经由导管45移出的水被甲醇污染，因此导致由导管42和43以及洗涤装备S和热分离装备T限定的回路中的甲醇损失。这些甲醇损失通过经由导管50供应再生甲醇来补偿。
图2示出了本发明的示例性实施例的方法200或设备的工艺流程图，其示出了与图1的高度简化的方块流程图相比的额外细节。
来自重整器单元的合成气(其已经在布置在重整器单元下游的水煤气变换单元(均未示出)中处理并且待纯化)经由导管1供应并且在热交换器HX-01中使用来自导管4的二氧化碳流将其初始冷却至低于水的露点。随后将冷却的合成气经由导管31输送，并且在分离器D-01中将冷凝水与合成气分离。合成气和未冷凝的水经由导管5输送并在热交换器HX-02中被来自导管15的纯化合成气进一步冷却至-10℃的温度。为了防止在导管5中及其下游形成冰，经由导管8供应甲醇。在热交换器HX-02中冷却至-10℃的合成气经由导管32输送并在分离器D-02中，从合成气中分离另外量的水并且经由导管34供应到导管33。
将冷却并通过冷凝和分离而部分不含水的合成气经由导管51输送并引入洗涤塔S-01中。洗涤塔S-01配备有泡罩塔盘。在洗涤塔S-01中，待纯化的合成气从底部流向顶部，而经由导管52引入的冷甲醇从顶部流向底部。合成气与甲醇之间的相互传质导致残留在合成气中的水几乎定量地溶解在洗涤塔S-01中。因此，甲醇和水的混合物经由导管38从洗涤塔S-01的底部区域移出，并供应到导管33，该导管引导来自分离器D-01和D-02的水。
将实际上完全不含水的合成气经由导管14从洗涤塔S-01中移出并且供应到吸收塔T-01，在该吸收塔中进行物理吸收步骤以去除一氧化碳。吸收塔T-01在40巴的吸收压力下运行。在吸收塔T-01中，来自导管13和22的冷甲醇作为吸收介质从顶部运行到底部，而来自导管14的合成气以逆流方式从底部运行到顶部。在合成气与甲醇之间的传质过程中，二氧化碳主要被吸收在甲醇中，而较少量的有价值气体(在本发明情况下，主要是氢气)不可避免地共吸收在甲醇中。纯化的合成气(即基本上不含水和二氧化碳的合成气)经由导管16从吸收塔T-01中移出。合成气随后在热交换器HX-06中冷却使用泵P-02从导管9、导管10转移并且经由导管11输送的负载的甲醇的部分量。随后将纯化的合成气经由导管15输送，并且在热交换器HX-02中冷却来自导管5的仍然基本上未处理的合成气。随后将纯化的合成气经由导管6从工艺中移出。任选地将其供应到进一步的纯化步骤，例如用于生产纯氢气的变压吸附(PSA)设备。随后可以将纯氢气送去进一步使用，例如用于甲醇或氨合成的设备(未示出)。
在吸收塔T-01的底部区域，负载的甲醇经由导管9移出。负载的甲醇含有二氧化碳和相对少量的共吸收的有价值气体(特别是氢气)作为吸收的气体组分。使用泵-02将负载的甲醇的一部分从导管9经由导管10转移，经由导管11输送，并且在热交换器HX-06中用来自导管16的纯化的合成气冷却。将其随后经由导管12输送并在深冷蒸发器HU-01中冷却至-35℃。冷却的负载的甲醇随后经由导管13输送，并且用于再吸收引入吸收塔T-01中的二氧化碳，在该吸收塔中其与来自导管22的再生甲醇混合。
大部分负载的甲醇经由导管9引入闪蒸塔T-02。压力初始经由布置在导管9中的减压阀降低到18巴。在第一闪蒸步骤中，该减压初始在闪蒸塔的下部释放出基本上共吸收的有价值气体，特别是氢气。这些物质经由导管26移出并供应到压缩机C-01。减压至18巴的负载的甲醇经由导管18输送，并经由布置在导管18中的减压阀减压至8巴。在闪蒸塔的中部，这种进一步的减压使得在第二闪蒸步骤中进一步释放基本上共吸收的有价值气体(一氧化碳和氢气)，这些气体经由导管17移出并同样被送到压缩机C-01。压缩机C-01将来自导管17和26的有价值气体压缩至吸收压力(40巴)。压缩的有价值气体随后经由导管7、5、32、51和14再循环到吸收塔T-01中。
经由导管19从第二闪蒸段中移出的甲醇在热交换器HX-04中使用来自导管1(未示出)的粗合成气的一部分加热，并经由导管20送到在闪蒸塔上部的第三闪蒸段。第三闪蒸段是布置在第一闪蒸段和第二闪蒸段下游的闪蒸段。布置在导管20中的是另一个减压阀，其将主要含有二氧化碳作为吸收的气体组分的负载的甲醇减压至1.3巴。
经由导管25向第三闪蒸段供应来自精馏塔T-03的甲醇蒸气，该蒸气经由导管27从精馏塔T-03的顶部区域移出，并在热交换器HX-05中初始稍微冷却而没有达到露点。经由导管25输送并引入第三闪蒸段的甲醇蒸气在此第三闪蒸段中用作汽提介质，以相对于纯闪蒸布置增加在第三闪蒸段中从吸收介质中排出(解吸)的二氧化碳的量。因此，第三闪蒸段也可以被认为是汽提段，在此甲醇蒸气用作汽提介质。可替代地，也可以避免甲醇蒸气的引入，并在负压(真空)下操作第三闪蒸段，以增加解吸的二氧化碳的量/减少再生甲醇中吸收的二氧化碳的残余量。二者(即利用负压和利用甲醇蒸气作为汽提介质)的组合同样是可能的。
在第三闪蒸段中解吸的二氧化碳经由导管4从此闪蒸段中移出。其具有-36℃的低温，并且因此用于在热交换器HX-01中冷却来自导管1的粗合成气。二氧化碳产物经由导管2输送并通过压缩机C-02压缩。随后可以将压缩的二氧化碳储存(CCS)或送去进一步使用(CCU)。
在第三闪蒸段中获得的甲醇仅包含低残余含量的吸收的二氧化碳。其经由导管21从第三闪蒸段中移出，并且使用泵P-01压缩至吸收压力(40巴)。随后将其经由导管22输送并供应到吸收塔T-01的顶部区域以再吸收二氧化碳。
从精馏塔中移出的甲醇蒸气的一部分不是作为汽提介质经由导管25引入闪蒸塔T-02，而是经由导管35转移并在热交换器HX-07中冷却至低于甲醇的露点。冷凝的甲醇经由导管36输送并与来自导管37的再生甲醇合并。所得甲醇流经由导管52输送并引入洗涤塔S-01的上部区域中。在图2的方法200的情况下，导管27、35、36、52、38、28和导管25和33的一部分、精馏塔T-03、热交换器HX-07和HX-03以及洗涤塔S-01因此形成上述用于从待纯化的合成气中去除水的专用回路。
将经由导管33输送的甲醇和水的混合物供应到精馏塔T-03的中间区域。导管33中的混合物由分离器D-01和D-02中分离的水和从洗涤塔S-01的底部区域移出的水-甲醇混合物形成。所述混合物经由导管33供应，并且在热交换器HX-03中初始被作为底部产物经由导管29离开精馏塔T-03的热水加热。精馏塔T-03进一步用经由锅炉(未示出)的新鲜蒸汽加热。精馏塔T-03基本上实现了甲醇和水的分离，其中甲醇蒸气作为顶部产物经由导管27离开精馏塔T-03，如上所述。此分离的水经由导管29从精馏塔T-03的底部区域离开，在热交换器HX-03中冷却，并且经由导管30从该工艺中排出以进行后处理(未示出)。由于该水被甲醇污染，因此必须将较少量的再生甲醇引入以上更具体描述的专用回路中以平衡质量平衡。这是通过将来自导管21的再生甲醇的子流经由导管37转移并且将此子流与导管36中的流合并以提供导管52中的流来实现。
在热分离装备的顶部区域中产生的甲醇蒸气可能仍然含有水残余物。因此，小部分量的再生甲醇从导管21转移，并经由导管23、热交换器HX-05和导管24，并且在减压后引入精馏塔T-03中以反萃取少残余量的水。这防止了水经由导管25和26被夹带到闪蒸塔T-02中，并因此被夹带到主吸收介质回路中。
下表报告了本发明的两个实施例的数值实例。报告的数据是使用软件确定的模拟数据。在实例1和实例2两者中，待去除的二氧化碳量和合成气中的水浓度是相同的。
实例1对应于图2的工艺模式。因此，不仅将经由导管27从精馏塔T-03中移出并随后经由导管36供应到洗涤塔S-01的甲醇，而且将经由导管37的再生甲醇供应到洗涤塔S-01。来自导管36和37的流的总和经由导管52供应到洗涤塔S-01。实例2缺少根据导管37的额外的甲醇流，即洗涤塔S-01仅供应有来自精馏塔T-03(导管36)的甲醇。该表进一步报告了导管21的体积流量，其对应于主吸收介质回路中的体积流量。
图3示出了没有本发明的用于去除水的专用回路的方法300或设备的工艺流程图。
待纯化的合成气中存在的水在分离器D-01和D-02中没有被完全去除。由于在相应的回路中缺少洗涤装备S-01，所以这种未冷凝的、未分离的水不可避免地经由导管14引入吸收塔T-01中。这样的结果是，由于经由导管14的恒定流入，水可以积聚在基本上由吸收塔T-01、闪蒸塔T-02和连接导管形成的主吸收介质回路中。这导致甲醇的吸收能力下降，同时其对于主要待去除的气体组分的特异性也降低。
由于水在主吸收介质回路中的甲醇中的积聚，来自导管21的再生甲醇的很大一部分被转移，并经由导管23初始在热交换器HX-05中被来自导管27的热甲醇蒸气加热。调节经由导管23移出的甲醇的量，使得水不能在吸收塔T-01与闪蒸塔之间的回路中的甲醇中积聚，即不超过预定的阈值浓度。然而，在主吸收介质回路中用无水甲醇操作该工艺是不可能的。随后将再生的甲醇经由导管24供应到精馏塔T-03的上部区域。布置在导管24中的是减压阀，通过该减压阀将甲醇减压至2巴。作为这种工艺模式的结果，根据方法300在精馏塔T-03中处理的甲醇-水混合物的量显著大于根据方法200在精馏塔T-03中处理的混合物的量。因此，根据方法300，能量成本和装备复杂性在这方面显著更高。
附图标记清单
100、200、300方法
1至52导管
A吸收装备
D分离装备
R再生装备
S洗涤装备
T热分离装备
HX-01至HX-07热交换器
HU-01深冷蒸发器
D-01、D-02分离器
S-01洗涤塔
T-01吸收塔
T-02闪蒸塔
T-03精馏塔
P-01、P-02泵
C-01、C-02压缩机

Claims (17)

1.一种用于从合成气中去除二氧化碳(CO2)和水(H2O)的方法，其中该合成气至少包含氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)，该方法包括以下步骤：
(a)提供物理吸收介质，特别是甲醇；
(b)将该合成气供应到洗涤装备，特别是洗涤塔，并且通过用供应到该洗涤装备的吸收介质洗涤该合成气来去除该洗涤装备中的该合成气中存在的水，以获得至少部分不含水的合成气以及吸收介质和水的混合物，其中将该至少部分不含水的合成气以及吸收介质和水的该混合物从该洗涤装备中移出；
(c)将吸收介质和水的该混合物供应到热分离装备，并在该分离装备中将该混合物热分离成水和吸收介质，其中将水从该热分离装备中移出，并且其中将该吸收介质从该热分离装备中移出且随后供应到该洗涤装备以根据步骤(b)去除该合成气中存在的水；
(d)将该至少部分不含水的合成气供应到吸收装备，并通过在该吸收装备中在吸收压力下物理吸收该吸收介质中的二氧化碳从该合成气中去除二氧化碳，其中该吸收介质和该合成气在该吸收装备中逆流运行以获得至少负载有二氧化碳的吸收介质和至少部分不含二氧化碳和水的合成气，其中将该至少负载有二氧化碳的吸收介质和该至少部分不含二氧化碳和水的合成气从该吸收装备中移出；
(e)通过在再生装备中通过相对于该吸收压力的减压而解吸二氧化碳，从来自该吸收装备中移出的负载的吸收介质中去除二氧化碳，其中解吸的二氧化碳和至少部分再生的吸收介质从该再生装备中移出，并且其中使该至少部分再生的吸收介质再循环到该吸收装备以用作根据步骤(d)的吸收介质。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将从该再生装备中移出的至少部分再生的吸收介质的部分量供应到该洗涤塔中以去除该合成气中存在的水。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，该合成气和该吸收介质在该洗涤装备中逆流运行。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在供应到该洗涤装备之前，将该合成气冷却到低于水的露点，结果是从该合成气中冷凝出的水在分离装备中被分离并被供应到该热分离装备。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将合成气从该分离装备中移出并且将从该分离装备中移出的合成器供应到该洗涤装备，用于进一步去除该合成气中存在的水。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，从该热分离装备中移出的吸收介质是气态的，并且在被供应到该洗涤装备之前将其冷却到低于该吸收介质的露点。
7.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，将从该热分离装备中移出的吸收介质的子流以气态形式用作汽提介质，用于在该再生装备中从负载的吸收介质中去除二氧化碳。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，该方法不包括用于再生该负载的吸收介质的热再生步骤。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，将从该再生装备中移出的至少部分再生的吸收介质的部分量供应到该热分离装备，其中通过在该热分离装备中用该至少部分再生的吸收介质洗涤从该吸收介质中去除水残余物，然后从根据步骤(c)的热分离装备中移出该吸收介质。
10.一种用于从合成气中去除二氧化碳(CO2)和水(H2O)的设备，其中该合成气至少包含氢气(H2)、二氧化碳(CO2)和水(H2O)，该设备包括彼此操作性连接的以下设备部件：
(a)用于提供物理吸收介质、特别是甲醇的装置；
(b)洗涤装备，特别是洗涤塔，和用于供应该合成气和用于将吸收介质供应到该洗涤装备的装置，其中该洗涤装备配置用于通过用吸收介质洗涤该合成气来去除该合成气中存在的水，从而使得能够在该洗涤装备中获得至少部分不含水的合成气以及吸收介质和水的混合物，以及用于从该洗涤装备中移出该至少部分不含水的合成气以及吸收介质和水的该混合物的装置；
c)热分离装备和用于将吸收介质和水的该混合物供应到该热分离装备的装置，其中吸收介质和水的该混合物可在该分离装备中分离成水和吸收介质，以及用于从该热分离装备中移出水的装置和用于从该热分离装备中移出该吸收介质并将该吸收介质供应到根据(b)的洗涤装备以在该洗涤装备中去除该合成气中存在的水的装置；
(d)吸收装备和用于将该至少部分不含水的合成气供应到该吸收装备的装置，其中该吸收装备配置使得通过在吸收压力下物理吸收该吸收介质中的二氧化碳从该合成气中去除二氧化碳，并且其中该吸收介质和该合成气可以在该吸收装备中逆流运行，因此使得能够获得至少负载有二氧化碳的吸收介质和至少部分不含二氧化碳和水的合成气，以及用于将该至少负载有二氧化碳的吸收介质和该至少部分不含二氧化碳和水的合成气从该吸收装备中移出的装置；
(e)再生装备，其中该再生装备配置用于通过相对于该吸收压力的减压解吸二氧化碳来从可从该吸收装备中移出的负载的吸收介质中去除二氧化碳，因此使得能够获得至少部分再生的吸收介质，用于从该再生装备中移出该解吸的二氧化碳和该至少部分再生的吸收介质的装置，以及用于使该至少部分再生的吸收介质再循环到根据(d)的吸收装备以用作吸收介质的装置。
11.根据权利要求10所述的设备，其特征在于，该设备包括用于将可从该再生装备中移出的至少部分再生的吸收介质的部分量供应到该洗涤塔中以去除该合成气中存在的水的装置。
12.根据权利要求10或11所述的设备，其特征在于，在该洗涤装备的上游在该合成气的流动方向上，顺序地布置有热交换器和分离装备，特别是液体分离器，其中该热交换器配置用于将该合成气冷却至低于水的露点，并且该分离装备配置用于从该合成气中分离冷凝水，并且其中该设备包括用于将在该分离装备中冷凝出的水供应到该热分离装备的装置。
13.根据权利要求12所述的设备，其特征在于，该设备包括用于从该分离装备中移出合成气的装置和用于将可从该分离装备中移出的合成气供应到该洗涤装备用于进一步去除该合成气中存在的水的装置。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括用于冷却可从该热分离装备中移出的气态吸收介质的装置，其中这些装置配置使得可将该吸收介质冷却至低于该吸收介质的露点。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括用于从该热分离装备中移出气态吸收介质的装置和用于将该气态吸收介质作为汽提介质供应到该再生装备以通过汽提从该再生装备中的该负载的吸收介质中去除二氧化碳的装置。
16.根据权利要求10至14中任一项所述的设备，其特征在于，该设备不包括用于热再生该负载的吸收介质的装置。
17.根据权利要求10至16中任一项所述的设备，其特征在于，该设备包括用于移出可从该再生装备中移出的该至少部分再生的吸收介质的部分量的装置和用于将该至少部分再生的吸收介质供应到该热分离装备的装置，因此使得能够通过在该热分离装备中用该至少部分再生的吸收介质洗涤而从该吸收介质中去除水残余物，其中该设备包括用于从该热分离装备中移出不含水残余物的吸收介质的装置。
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