DD272470A1 - Verfahren zur kompensation der kaelteverluste in waschstufen der physikalischen tieftemperaturgaswaesche - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation der Kaelteverluste in Waschstufen der physikalischen Tieftemperaturgaswaesche. Das Verfahren ist in der chemischen Industrie und artverwandten Industriezweigen, speziell bei physikalischen Tieftemperaturgaswaeschen, die zur Reinigung von Brenn- und Synthesegasen dienen und bei denen die auftretenden Kaelteverluste vermittels einer Absorptions- oder Kompressionskaelteanlage ueber beladenes Absorbens als Kaeltetraeger gedeckt werden, einsetzbar. Das Wesen der Erfindung besteht darin, dass die Kaelteverluste ausser durch Fremdkaelte durch die bei der Desorption anfallenden kalten Absorptionsmittelmengen gedeckt werden. Dies wird dadurch erreicht, dass der Absorber als Fallstromabsorber ausgefuehrt wird, wo im Rohrraum Gas und Waschmittel im Gegenstrom zueinander gefuehrt werden, waehrend das in dem Desorber durch Entspannung teilregenerierte und dadurch naturgemaess abgekuehlte Absorptionsmittel im Mantelraum zur Aufnahme der Absorptionswaerme im Gleichstrom zum Absorptionsmittel gefuehrt wird.

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Das Verfahren ist in der chemischen Industrie und artverwandten Industriezweigen, speziell bei physikalischen Tieftemperaturgaswäschen, die zur Reinigung von Brenn- und Synthesegasen dienen und bei denen die auftretenden Kälteverluste vermittels einer Absorptions- oder Kompressionskälteanlage über beladenes Absorbens als Kälteträger gedeckt werden, einsehbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es Ist bekannt, daß zur Reinigung technischer Brenn- und Synthesegase Absorptionsverfahren eine besondere Bedeutung erlangt haben. Bei diesen Verfahren wird das Gas einer ein- oder mehrstufigen Wäsche mit flüssigen Absorptionsmitteln unterzogen, die entsprechend ihrem Lösungsvermögen die zu entfernenden Gasverunreinigungen gleichzeitig oder nacheinander aus dem Gasgemisch absorbieren, daran anschließend unter Freisetzung der aufgenommenen Gasbestandteile regeneriert und im Kreislauf der Gaswäsche erneut zugeführt werden. Man unterscheidet die physikalischen und die chemischen Absorptionsverfahren. (Schmidt, J.; Verfahren der Gasaufbereitung; Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, 1970, 185-191)

Bei der Reinigung großer Gasmengen mit hohen Gehalten an sauren Gaskomponenten als die zu entfernenden Gasverunrninigungen benutzt man vorzugsweise die physikalische Absorption mit polaren organischen Lösungsmitteln als Absorbtins. In dissem Fall wächst die Löslichkeit der einzelnen Gase in dor Regel mit fallender Temperatur und steigendem Druck. Für die auszuwaschenden Gase wird ein solches Verhalten vorausgesetzt. Demgemäß erfolgt die Regeneration durch Druckminderung und/oder Temperaturerhöhung. Die bekanntgewordenen Verfahren zur Reinigung von Brenn- und Synthesega.'en mit Verfahren der physikalischen Absorption arbeiten vorwiegend bei niedrigen Temperaturen, vornehmlich unter—263N. Eine Anlage zur Tieftemperatur—Absorption besteht aus folgenden Grundelementen: Absorptionskolonne, Entspannungs-Desorptionskolonne, Regeneriersäule und Waschmittelpumpe. In der Regel wird das verdichtete und vorgekühlte Gas von unten in den Waschturm eingeleitet. Im Gegenstrom dazu rieselt kaltes, regeneriertes Absorptionsmittel herab. (Patent BRD 935144) Durch geeignete Kolonneneinbauten wird zwischen flüssiger und gasförmiger Phase der notwendige Innere Kontakt hergestellt und damit der Stofftransport ermöglicht und intensiviert. Während das gereinigte Gas die Absorptionskolonne über deren Kopfteil verläßt, strömt die beladene Waschflüssigkeit, die in diesem Fall unten abgezogen wird, über ein Drosselventil in die Entspannungs—Desorptionskolonne. Hieran anschließend wird das Absorbens oder ein Teil davon in einer Regeneriersäule durch thermische Behandlung von den noch enthaltenen restlichen Gasbestandteilen befreit und wie auch der weniger scharf regenerierte Teil der betreffenden Waschmittelpumpe zugeführt. Der Kreislauf kann von neuem beginnen. Auftretende Kälteverluste werden durch eine Kältemaschine gedeckt. Im konkreten Anwendungsfall wird das Verfahren entsprechend modifiziert, verfeinert und komplettiert, d.h. den realen Gegebenheiten und Bedingungen sowio den technischen Erfordernissen angepaßt.

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Oft wird der eigentliche Weschprozeß in zwei Stufen durchgeführt. Zunächst gelangt das Gas In eine als Hauptwaschstufe bezeichnete Qrobwäsche. Oa diese allein nicht ausreicht, um die gestellte Trennaufgabe mit der geforderten Endreinheit zu lösen, schließt sich eine Feinwasche an. Eine solche technologische Unterteilung Ist besondere dann zweckmäßig, wenn im Rohgas große Konzentrationen der verunreinigenden Gaskomponente, z. B. Kohlendloxid, zu verzeichnen sind. Zur Verminderung der Betriebskosten wird deshalb vom Prinzip der Waschmittelteilung Gebrauch gemacht. Von der insgesamt umlaufenden Waschmittelmenge wird nur ein relativ geringer Teil scharf (thermisch) regeneriert und auf den Kopf der Waschsäule zur Folnreinigung aufgegeben. Der Haupt -trom tritt, mäßig regeneriert, an einer tieferen Stelle in die Waschsäule ein.

Da3 in der »raten Stufe mit Gasverunreinigung jn hoch angereicherte Absorbens wird in einer adiabat arbeitenden Desorptionskolonne graduell auf Unterdruck entspannt, wobei das aufgenommene Gas entweichen kann. Weil die hierfür benötigte Dosorptionsenthalpie der Waschflüssigkeit entzogen wird, kühlt sich diese sehr stark ab. Damit kann die In der Waschsäule abzuführende Absorptionsenthalpie nahezu vollständig kompensiert werden. Die technisch bedingten Kälteverluste, die auf unvollständigen Wärmetransport, durch Wärmeeinfall in die Isolierungen der Apparate und Rohrleitungen sowie auf Dissipationseffekte in den Waschmittelpumpen zurückzuführen sind, werden mittels einer Kältemaschine gedeckt. Aufgrund der sehr niedrigen Waschmitteleintrittstemperaturen, die der adiabaten Betriebsweise entspringen, kann die In den Verdampfern erzeugte Kälte entspringen, kann die in den Verdampfern erzeugte Kälte im allgemeinen jedoch nlrht direkt dem Absorbens zugeführt werden. Es muß ein gesonderter Kälteträgerkreislauf aufgebaut werden. Das heißt, daß das Absorptionsmittel aus dem mittleren Teil der Kolonne entnommen, gekühlt und oberhalb der Entnahmestelle wieder in die Kolonne zurückgeführt wird. Der Zweckmäßigkeit halber wird hierfür beladenes Waschmittel eingesetzt. (Patent BRD 1814 064) Bei dieser Art der Verfahrensgestaltung sind aber eine Reihe von Nachtellen vorhanden. Ein wesentlicher besteht darin, daß durch diese zusätzliche Flüssigkeitsbeaufschlagung die Kolonnenhydraulik ungünstig beeinflußt wird, d. h. die Staugrenze wird in Richtung niedrigerer Gasgrenzgeschwindigkeiten verschoben.

Außerdem resultieren aus den sehr niedrigen Waschmitteltemperaturen, die am Kopf des Absorbers vorherrschen, erhebliche Materialprobleme. Sie kommen in den hohen Anforderungen zum Ausdruck, die an den Einsatz der kaltzähen Stähle gestellt werden, überdies kann wegen der vorgegebenen Temperaturunterschiede die zur Verfügung stehende, prozeßextern produzierte Kälte nicht, wie es technisch sinnvoll wäre, zur Unterkühlung des der Waschsäule zugeführten Absorbens verwendet werden. Der Ausgleich kann nur über einen erhöhten Regenerieraufwand, z. B. weitere Druckminderung bis unterhalb des Umgebungsdruckes, geschaffen werden. '

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den externen Kältekreislauf einzusparen. Neben der Einsparung an Elektroenergie für die Umlaufpumpe, wird eine Verbesserung der Kolonnenhydrodynamik und eine Senkung der Materialanforderungen für die Absorptionskolonne erreicht.

Wesen der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bei einer physikalischen Tieftemperatur — Gaswäsche zwischen Kopf und Sumpf

der Absorptionskolonne bestehenden hohen Temperaturdifferenzen soweit zu verringern, daß die auftretenden Kälteverrustedirekt über das eigentliche Absorbens gedeckt werden können. Der externe Kälteträgerkreislauf entfällt. Entsprechend dererreichten Unterkühlung verbessern sich damit auch die Regonerierungsbedingungen. Darüber hinaus sollen die

Anforderungen reduziert werden, die an den Einsatz von kältebeständigem Material, insbesondere kaltzähem Stahl, gestallt

werden.

Erfindungsgemäß werden die bei der Entspannungsdesorption anfallenden kalten regenerierten Absorptionsmittelmengen zur Aufnahme der Absorptionsenthalpie im eigentlichen Waschturm verwendet. Diese thermische Kopplung kann auch stufenweise

erfolgen.

Zur Gewährleistung der erforderlichen Wärmetransportleistung wird der Waschturm als Fallstromabsorber nach dem Grundprinzip der Rohrbündelwärmeübertragor gestaltet. Auf der einen Seite strömen das Absorbens sowie das zu reinigende Rohgas. Sie weren im Gegenstrom zueinander geführt, wobei die Waschmittelaufgabe vorteilhafterweise so erfolgt, daß ein

direkter Kontakt zwischen Flüssigkeit und der Trennwand zur benachbarten F'üssigkeit, dem (teil·) regeneriertem Waschmittel,hergestellt wird. Letztere wird zur Intensivierung des Wärmeüberganges in der gleichen Art und Weise wie das Absorbensaufgegeben und verteilt. Zwischen beiden liegt Gleichstromführung vor, die von oben nach unten gerichtet ist. Durch die

Wärmezufuhr auf der Seite des (teil-) regenerierten Waschmittels gebildete Desorptionsgase werden oben abgezogen. Für die stufenweise wärmetechnische Kopplung von Absorption und Desorption erwies sich eine technologische Lösung als

günstig, bei der die aus gleichartigen Rohrbündelsegmenten aufgebaute Rieselfilmabsorptionskoionne in der Reihenfolge der

Desorptionsstufen von unten beginnend verbunden war. Bedingt durch die Aufnahme der Absorptionsenthalpie verläßt das regenerierte Waschmittel die kombinierte Absorptions-/ Wärmetransport-Kolonne mit einem Temperaturniveau, das es gestattet, die entstandenen Kälteverluste mittels einer Kälteanlage direkt über das Absorbens zu kompensieren. Auf den Aufbau eines gesonderten Kälteträgerkreislaufes kann

verzichtet werden.

Ausführurgtbelsplel

Die Erfindung soll im folgenden mittels eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Das Ausführungsbelsplel bezieht sich auf eine Tieftemperatur-Gaswäsche, die im Rahmen der Stadtgashereteilung zur Reinigung von Gasen aus der Kohleveredlung verwendet wird. Der Einsatz der erfindungsgemäßen Lösung erfolgt innerhalb der sogenannten Kohlendioxid-Hauptwaschstufe. Ausschlaggebend hierfür ist, daß diese Absorbensmenge ausschließlich entspannungsregeneriert wird. Zur Aufrechterhaltung der Waschmittelqualität muß lediglich eine definierte Menge verunreinigtes Kreistaufprodukt gegen frisches Absorbens ausgetauscht werden.

Die genannte Verfahronsstufe besteht aus einem Absorptionsturm 1 und zwei parallel geschalteten Desorptlonstürmen 2 und je drei Entspannungsstufen 3,4,5, von denen wiederum je zwei zusammen gehören.

Eine aus energetischer Sicht günstige Art der Prozeßgestaltung konnte für jene Fälle nachgewiesen werden, bei denen die drei gleichartigen Rohrbündelsegmente 6,7,8 der kombinierten Absorptions-ÄVärmetransport-Kolonne 1 in der Reihenfolge der Desorptionsstufen 3,4,5, von unten beginnend, mit diesen wärmetechnisch verbunden sind. Dies ist deshalb von Vorteil, well im unteren Kolonnenabschnitt 6 der Großteil der abzuführenden Absorptionsenthalpie anfällt. Zu deren Kompensation muß eine äquivalente Menge Desorptionsgas 9 freigesetzt werden. Am günstigsten ist daher die technologische Variante, bei der zum Abtransport der Entspannungsgase 9 keine oder nur wenig Verdichtungsarbeit geleistet werden muß. Deshalb erfolgt die thermische Kopplung der dritten, im Unterdruck arbeitenden Desorptionsstufe 5 mit dem oberen Segment 8 der Absorptionskolonne 1.

Wie im technologischen Schema dargestellt, wird das beladene Waschmittel 10 in der jeweiligen Entspannungsstufen 3,4,5 der Desorptionskolonnen 2 auf adiabatem Wege partiell entgast. Natürlich kühlt es sich bei diesem Prozeß ab. Hiernach tritt es mit niedriger Temperatur in das entsprechende Kolonnensegment 6,7,8 des Waschturmes 1 ein, um die Absorptionsenthalpie aufnehmen zu können. Die dabei noch frei werdenden Desorptionsgase 9 werden, nachdem sie am obren Ende der jeweiligen Absorptionsstufe 6,7,8 ausgeströmt sind, mit dom beim Drossolvorgang anfallenden gemischt und abtransportiert. Im vorliegenden Beispiel wird zur Intensivierung des Wärmetransporieffoi ttjs sowohl r!as als Absorbens als auch das als Kühlmittel dienende Waschmittel 1OaIs Flüssigkeitsfilm aufgegeben. Um eine durchgehende Gasströmung des zu reinigenden Rohgases 11 zu verwirklichen, wurde die Rohrinnenseite für did Durchführung des Absorptionsprozesses gewählt. Das Kühlmittel 10 (teilregeneriertes Absorptionsnittel),rieselt demzufolge Im Mantelraum auf der Außenseite der Innenrohre herab. Das Kühlmittel 10 des obersten Kolonnensegmetes 8 wird mit frischem Absorptionsmittel 12 gemischt, mittels Pumpe 13 über den Kühler 14 der Absorptionskolonne 1 aufgegeben.

Die Deckung der Wärmeverluste erfolgt somit mittels Kühler 14 direkt am Absorptionsmittel. Zur vollständigen Regeneration des Waschmittels wird ein Teilstrom 15 abgezogen.

Claims (5)

1. Verfahren zur kompensation der Kälteverluste In den Waschstufen der physikalischen Tieftemperatur-Gaswäsche unter Verwendung einer Desorptionselnheit, die mehrstufig sein kann, und bei Gegenstromfahrweise zwischen zu reinigendem Gas und dem Absorptionsmittel, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Absorptionskolonne fi aigesetzte Absorptionsenthalpie mit Hilfe des entspannungsregenerierten Waschmittel über eine Trennwand hinweg abgeführt wird, wozu der Gegenstrombetrieb zwischen zu reinigendem Gas und Absorptionsmittel vom Kreislauf des entspannungsregenerierten Waschmittels getrennt wird, daß dieser Kreislauf im Gleichstrom oder Kreuzstrom zum Absorptionsmittel geführt wird und daß zum Betrieb des Systems sine dem Wärmetauscherprinzip entsprechende Einrichtung betrieben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei dem die thermische Kopplung mittels Fallstromrohrbündelabsorber erfolgt, gekennzeichnet dadurch, daß zu reinigendes Gas und Absorptionsmittel im Rohrraum und das teilregenerierte Waschmittel im Mantelraum des Fallstromrohrbündelabsorbers geführt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die entstehenden Kälteverluste direkt über das Absorptionsmittel vor dessen Eintritt in die Absorptionskolonne gedeckt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die thermische Kopplung zwischen Absorptions· und Desorptionseinheit auch stufenweise vollzogen werden kann, und daß diese thermische Kopplung in der Reihenfolge der Desorptionsstufen von unten beginnend erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die bei der Erwärmung des zur Aufnahme der Absorptionsenthalpie eingesetzten Waschmittels entstehenden Entspannungsgase aus der Absorptionskolonne abgeführt werden und mit denen der entsprechenden Druckstufen der Desorptionskolonne gemischt werden.