DE102005045534A1 - Vorrichtung zum tangentialen Einleiten eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in den Kopf einer Kolonne - Google Patents

Vorrichtung zum tangentialen Einleiten eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in den Kopf einer Kolonne Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tangentialen Einleiten eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in den Kopf einer Kolonne, in der Gas und Flüssigkeit getrennt werden. Dabei erfolgt der Eintritt in den Kolonnenkopf durch einen üblichen, radial angeordneten Stutzen, an den sich jedoch eine spezielle Rohrkonstruktion anschließt, die eine möglichst glatte, unverwirbelte Strömung und deren tangentialen Austritt in den Kolonnenkopf gewährleistet.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum tangentialen Einleiten eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in den Kopf einer Kolonne, in der Gas und Flüssigkeit getrennt werden, dabei erfolgt der Eintritt in den Kolonnenkopf durch einen üblichen radial angeordneten Stutzen, an den sich jedoch eine spezielle Rohrkonstruktion anschließt, die eine möglichst glatte, unverwirbelte Strömung und deren tangentialen Austritt in den Kolonnenkopf gewährleistet.
  • In zahlreichen Prozessen in der chemischen Industrie treten Gasströme auf, die Sauergase, wie z. B. CO2, H2S, SO2, CS2, HCN, COS oder Mercaptane als Verunreinigungen enthalten. Bei diesen Gasströmen kann es sich beispielsweise um Erdgas, Synthesegas aus Schweröl oder schweren Rückständen, Raffineriegas oder bei der partiellen Oxidation von organischen Materialien, wie beispielsweise Kohle oder Erdöl, entstehendes Reaktionsgas handeln. Bevor diese Gase transportiert oder weiterverarbeitet werden können, muss der Sauergasgehalt des Gases deutlich reduziert werden. CO2 muss beispielsweise aus Erdgas entfernt werden, da eine hohe Konzentration von CO2 den Brennwert des Gases reduziert. Außerdem kann CO2 in Verbindung mit in den Gasströmen häufig mitgeführtem Wasser zu Korrosion an Leitungen und Armaturen führen.
  • Es ist bekannt, die unerwünschten sauren Gasbestandteile aus den Gasen durch Gaswäsche mit wässrigen oder nichtwässrigen Gemischen organischer Lösungsmittel als Absorptionsmittel zu entfernen. Dabei kommen sowohl physikalische als auch chemische Lösungsmittel zum Einsatz. Bekannte physikalische Lösungsmittel sind beispielsweise Cyclotetramethylensulfon (Sulfolan), N-Methylpyrrolidon und N-alkylierte Piperidone. Bei den chemischen Lösungsmitteln haben sich insbesondere die wässrigen Lösungen von primären, sekundären und tertiären aliphatischen Aminen bzw. Alkanolaminen wie Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA), Monomethylethanolamin (MMEA), Diethylethanolamin (DEEA), Triethanolamin (TEA), Diisopropanolamin (DIPA) und Methyldiethanolamin (MDEA) technisch bewährt, vgl. z. B. WO 03/009924.
  • Die Behandlung des Rohgases mit dem flüssigen Absorptionsmittel erfolgt üblicherweise im Gegenstromverfahren unter Druck in einer Absorptionsvorrichtung. Man erhält dabei einerseits das gewaschene und gewünschte Reingas und andererseits die unter Druck stehende gasbeladene Absorptionsflüssigkeit. Letztere wird in der Regel einer Desorptionsvorrichtung zugeführt, um das wertvolle Absorptionsmittel zurückzugewinnen und es der Absorptionsvorrichtung wieder zuführen zu können. In der Desorptionsvorrichtung wird die gasbeladene Absorptionsflüssigkeit entspannt. Der Druckabfall beim Eintritt in die Desorptionsvorrichtung bewirkt insbesondere bei den modernen und sehr leistungsfähigen Absorptionsmitteln, z.B. den tertiären aliphatischen Alkanolaminen, wie z. B. Methyldiethanolamin (MDEA), die ein sehr hohes Absorptionsvermögen für die oben erwähnten Sauergase besitzen, heftige Gasausbrüche aus der Absorptionsflüssigkeit, so dass bei der Einleitung bestimmte Maßnahmen erforderlich sind, um einen dauerhaften störungsfreien Betrieb einer Gaswaschanlage mit gekoppelten Absorptions- und Regenerationskolonnen zu gewährleisten.
  • Die Zuläufe zu Regenerationskolonnen sind daher vielfältig ausgestaltet worden. Vorwiegend handelt es sich um radiale Zulaufvarianten; es sind aber auch tangentiale Zuläufe bekannt. Die beiliegenden 1 und 2 zeigen heute übliche Ausgestaltungen von sogenannten flashenden Zuläufen zu Regenerationskolonnen. Mit flashenden Zuläufen sind unter Druck stehende gasbeladene Absorptionsflüssigkeitszuläufe gemeint, die beim Eintritt in eine unter wesentlich niedrigerem Druck arbeitende Regenerationskolonne aufgrund des Druckgefälles sofort große Mengen der Gasbeladung abgeben.
  • 1 ist die schematische Darstellung eines Kopfes einer Regenerationskolonne mit tangentialem Zulauf des Standes der Technik;
  • 2 zeigt schematisch drei radiale Zulaufvarianten des Standes der Technik.
  • Wie in 1 dargestellt, weist der Kopf (15) einer Regenerationskolonne des hier in Rede stehenden Typs einen Zulauf (17) für die gasbeladene Absorptionsflüssigkeit auf. Dieser Zulauf mündet in eine Galerie (18), auf der die erste große Entspannung der Flüssigkeit erfolgt und große Mengen Gas freigesetzt werden. Über der Galerie sind Einbauten (19) vorgesehen. Die freigesetzten Gase verlassen durch den Ausgang (16) die Kolonne. Der in 1 dargestellte Zulauf (17) mündet tangential in die Kolonne, was im Schnittbild A-A deutlicher dargestellt ist. Dieser tangentiale Zulauf gewährleistet eine turbulenzarme sanfte Überleitung in die Kolonne und eine gleichmäßige Freisetzung der Gaslast, so dass keine schnell wechselnden und/oder asymmetrischen Impulskräfte auftreten, die auf Dauer zu einer Beschädigung der Kolonne oder der Einbauten aufgrund von Wechselbeanspruchung führen würden. Eine tangentiale Ausgestaltung des Zulaufs ist daher insbesondere bei flashenden Zuläufen vorteilhaft bis unabdingbar.
  • Die Mehrzahl der heute im Betrieb befindlichen Regenerationskolonnen ist jedoch mit einem radialen Zulauf versehen, wie beispielsweise in 2 dargestellt.
  • 2 zeigt in drei Schnittbildern a, b und c drei Ausführungsformen von radialen Zuläufen. Die Schnittbilder a und b stellen Querschnitte durch eine Regenerationskolonne des in 1 dargestellten Typs auf der Höhe des Schnittes A-A dar. Der zylindrische Mantel (25, 35) einer Regenerationskolonne weist einen radialen Zulauf (26, 36) auf, der im Falle der in 2a dargestellten Ausführungsform direkt in einen an der Innenwand der Kolonne anliegenden Deflektor (27) mündet, in welchem sich der Zustrom teilt und abrupt um 90° abgelenkt wird. In der Galerie (28) verteilen sich dann die beiden aus dem Deflektor (27) austretenden gegenläufigen Ströme. Die abrupte Umlenkung des Zustroms im Deflektor (27) bei gleichzeitiger Entspannung führt zu heftigen Turbulenzen, Schlägen und Stößen, die sich im gesamten Kolonnenkopf und auf dessen Einbauten auswirken, so dass auf Dauer Schäden unvermeidbar sind. Ähnlich ist die Situation bei der in 2b dargestellten Ausführungsform. Der durch die zylindrische Kolonnenwand (35) geführte radiale Zulauf (36) ist mit einem im axialen Zentrum der Kolonne angeordneten T-Stück (37) verbunden, dessen Enden (39, 39') in den Raum zwischen Galerie (38) und Kolonnenmantel (35) in der T-Ebene um 90° abgewinkelt sind. Der Zustrom wird in diesem Falle sogar zweimal um jeweils 90° abrupt umgelenkt, was, wie im zuvor geschilderten Falle, erhebliche Turbulenzen, Schläge und Stöße im Kolonnenkopf verursacht. Auch in diesem Falle sind auf Dauer Schäden unvermeidbar. Keilförmige Strömungsteiler, wie in 2c dargestellt, bringen keine wesentliche Verbesserung. Der keilförmige Strömungsteiler (47) weist notgedrungen ziemlich enge Radien auf, so dass die 90° Umlenkung auch sehr abrupt erfolgt. Der flashende Zulauf entwickelt in diesem Entspannungsstadium viel Gas. Der Wechsel zwischen kompressiblem Medium (Gas) und inkompressiblem Medium (Flüssigkeit) verursacht dann das oben bereits erwähnte Stoßen und Schlagen des Zustroms und die auf Dauer unvermeidbaren Schäden.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einleiten eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in den Kopf einer Regenerationskolonne, in der Gas und Flüssigkeit getrennt werden, bereitzustellen, die an einen herkömmlichen radialen Zulauf anschließbar ist aber keine jähen 90° Strömungsumlenkungen aufweist, sondern im Ergebnis ein turbulenzarmes tangentiales Einleiten eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in den Kopf einer Regenerationskolonne ermöglicht.
  • Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung der vorbezeichneten Art, die gekennzeichnet ist durch einen ersten Rohrbogen mit einem Krümmungswinkel γ < 90°, der am Eintritt einer radialen Zuleitung für den gasbeladenen Flüssigkeitsstrom in den Kolonnenkopf angeordnet ist und einen mit dem ersten Rohrbogen verbundenen zweiten Rohrbogen mit einem Krümmungswinkel von γ' < 90°, der entgegen dem ersten Rohrbogen gekrümmt und so angeordnet ist, dass seine Austrittsöffnung sich in der Nähe der Innenwand der Kolonne befindet und den gasbeladenen Flüssigkeitsstrom im Wesentlichen tangential zur Innenwand der Kolonne in diese austreten lässt.
  • Es ist vorteilhaft, den zweiten Rohrbogen durch ein gerades Rohrstück mit dem ersten Rohrbogen zu verbinden. Die Länge des geraden Rohrstückes wird vorteilhafterweise so gewählt, dass die Austrittsöffnung des zweiten Rohrbogens um etwa 90° auf dem Kreisbogen, den der Innenumfang der Kolonne beschreibt, gegenüber dem Eintritt in die Kolonne verlagert ist.
  • Die Krümmungswinkel γ und γ' der beiden Rohrbögen können gleich oder verschieden sein und 30 bis 60°, insbesondere 40 bis 50° betragen; vorteilhafterweise beträgt jeder Krümmungswinkel γ γ' etwa 45°.
  • Es empfiehlt sich, die Innenwand der Kolonne im Bereich der Austrittsöffnung des zweiten Rohrbogens und ein Stück weit stromabwärts zu verstärken, da in diesem Bereich der eingeleitete Flüssigkeitsstrom auf die Kolonnenwand auftrifft und einen erheblichen Teil seiner Gaslast abgibt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat den Vorteil, dass sie anstelle der bekannten radialen Zuläufe in übliche Regenerationskolonnen des hier in Rede stehenden Typs eingebaut werden kann, wobei keine aufwendigen Umbauten oder Veränderungen an der Kolonne selbst erforderlich sind. Der unproblematische Ersatz üblicher radialer Kolonnenzuläufe durch die erfindungsgemäße tangential einleitende Vorrichtung ist von großer praktischer Bedeutung, da ständig verbesserte Absorptionsmittel für die Gaswäsche entwickelt und bereitgestellt werden, die z.B. eine höhere Aufnahmekapazität für die zu absorbierenden Sauergase haben und diese auch leichter und vollständiger wieder abgeben. Wird nun in einer Regenerationskolonne ein herkömmliches Absorptionsmittel mit sehr starker chemischer Bindung für das zu absorbierende Sauergas (z.B. CO2) durch ein verbessertes Absorptionsmittel, z.B. Methyldiethanolamin (MDEA) ersetzt, man bezeichnet dies als „solvent swap", so treten meist die oben geschilderten Probleme mit den bekannten radialen Zuläufen auf, nämlich das Entstehen von Turbulenzen, Schlägen und Stößen im Kolonnenkopf, die auf Dauer Schäden verursachen. In der Vergangenheit musste man daher oft auf „solvent swaps" verzichten. Aufgrund der vorliegenden Erfindung ist es jedoch jetzt ohne weiteres möglich, derartige „solvent swaps" durchzuführen.
  • Das vorstehend Ausgeführte gilt auch für sogenannte „revamps", womit die Wiederinbetriebnahme überholter Anlagen gemeint ist, die bisher mit weniger leistungsfähigen Absorptionsmitteln betrieben wurden und aufgrund der erfindungsgemäßen Vorrichtung nun auf den Betrieb mit den modernen, verbesserten Absorptionsmitteln umgestellt werden können.
  • Gegenstand der Erfindung ist daher auch die Umwandlung einer Regenerationskolonne mit bekannter radialer Einleitung eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in einer Regenerationskolonne mit tangentialer Einleitung des Flüssigkeitsstroms, wobei man die bekannte radiale Einleitung entfernt und an deren radialem Eintrittsstutzen die oben beschriebene erfindungsgemäße Vorrichtung befestigt.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich somit insbesondere für die Verwendung in Regenerationskolonnen von Anlagen zur Sauergaswäsche. Verwendet man als Absorptionsmittel für die Sauergaswäsche eine wässrige Lösung mindestens eines Alkanolamins ausgewählt aus MethylDiEthanolAmin (MDEA), MonoEthanolAmin (MEA), DiEthanolAmin (DEA), TriEthanolAmin (TEA), DilsopropanolAmin (DIPA), AminoDiEthylenGlykol (ADG), empfiehlt es sich sehr, die Regenerationskolonne mit einem erfindungsgemäßen tangentialen Zulauf zu versehen. Die genannten Absorptionsmittel haben eine besonders große Aufnahmekapazität für Sauergase, die sie bei reduziertem Druck leicht und weitestgehend wieder abgeben. Die Freisetzung der Gaslast erfolgt daher nur dann einigermaßen störungsfrei, wenn eine turbulenzarme glatte, tangentiale Einleitung des gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in die Regenerationskolonne erfolgt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dafür besonders geeignet. Es ist vorteilhaft, die Gesamtalkanolaminkonzentration der wässrigen Absorptionslösung im Bereich von 38 bis 50 Gewichtsprozent zu wählen. Darüber hinaus ist es vorteilhaft, der wässrigen Absorptionslösung, Piperazin, Methylpiperazin und/oder 3-Methylamino-1-propylamin (MAPA) als Aktivator zuzusetzen. Bei Verwendung von MDEA als Absorptionsmittel ist die Mitverwendung der besagten Aktivatoren besonders vorteilhaft.
    •
  • Die vorliegende Erfindung wird anhand der beiliegenden 3 nun näher erläutert:
  • 3 zeigt schematisch den Querschnitt einer Regenerationskolonne auf dem Niveau der Einleitung des gasbeladenen Flüssigkeitsstroms. Der mit 1 bezeichnete Mantel des Kopfes einer Regenerationskolonne ist mit einer radialen Zuleitung 3 versehen, die nach dem Eintritt in die Kolonne sofort in einen ersten Rohrbogen 2 übergeht. An der Eintrittsstelle der Zuleitung 3 in die Kolonne kann man einen Flansch vorsehen, mit dem die erfindungsgemäße Rohrbogenkonstruktion an der Zuleitung 3 befestigt wird. Der in 3 gezeigte Rohrbogen 2 weist einen Krümmungswinkel γ von 45° auf und ist mit einem geraden Rohrstück 7 verbunden, das in einen zweiten, entgegengesetzt gekrümmten Rohrbogen 4 übergeht. Dieser zweite Rohrbogen weist ebenfalls einen Krümmungswinkel (γ') von 45° auf. Die Länge des geraden Rohrstücks 7 ist in dem in 3 gezeigten Fall so gewählt, dass der zweite Rohrbogen etwa 90° auf dem Kreisbogen, den der Innenumfang der Kolonne beschreibt, gegenüber dem Eintrittsstutzen 3 versetzt ist. Seine Austrittsöffnung 5 befindet sich ganz in der Nähe der Kolonneninnenwand 6, so dass beim Einleiten des gasbeladenen Flüssigkeitsstroms dieser in fast tangentialer Weise auf die Innenwand 6 der Kolonne 1 trifft, wo letzterer eine Verstärkung 8 aufweist. Der eintretende Flüssigkeitsstrom verteilt sich in und auf einer üblichen Galerie 9 im Kolonnenkopf. Die erfindungsgemäße Rohrkonstruktion, die einen radialen Zulauf in einen tangentialen Zulauf umwandelt, hat die Form eines liegenden gestreckten Fragezeichens bzw. eines gestreckten S.
  • Wie oben bereits geschildert, können herkömmliche radiale Flüssigkeitszuläufe, von denen einige Ausführungsformen in 2 dargestellt sind, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf sehr einfache Weise in tangentiale Zuläufe umgewandelt werden, was wiederum sogenannte „solvent swaps" und „revamps" ermöglicht.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zum tangentialen Einleiten eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in den Kopf einer Kolonne (1), in der Gas und Flüssigkeit getrennt werden, gekennzeichnet durch einen ersten Rohrbogen (2) mit einem Krümmungswinkel γ < 90°, der am Eintritt einer radialen Zuleitung (3) für den gasbeladenen Flüssigkeitsstrom in den Kolonnenkopf angeordnet ist und einen mit dem ersten Rohrbogen verbundenen zweiten Rohrbogen (4) mit einem Krümmungswinkel γ' ebenfalls < 90°, der entgegen dem ersten Rohrbogen gekrümmt und so angeordnet ist, dass seine Austrittsöffnung (5) sich in der Nähe der Innenwand (6) der Kolonne befindet und den gasbeladenen Flüssigkeitsstrom im wesentlichen tangential zur Innenwand der Kolonne in diese austreten lässt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Rohrbogen (4) durch ein gerades Rohrstück (7) mit dem ersten Rohrbogen (2) verbunden ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungswinkel γ und γ', die gleich oder verschieden sein können, 30 bis 60° betragen.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Krümmungswinkel γ, γ' ca. 45° beträgt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwand (6) der Kolonne im Bereich der Austrittsöffnung (5) des zweiten Rohrbogens (4) und ein Stück weit stromabwärts verstärkt (8) ist.
  6. Umwandlung des Kopfes einer Kolonne mit bekannter radialer Einleitung eines gasbeladenen Flüssigkeitsstroms in einen Kopf mit tangentialer Einleitung des Flüssigkeitsstroms, dadurch gekennzeichnet, dass man die radiale Einleitung entfernt und an deren radialem Eintrittsstutzen (3) eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 befestigt.
  7. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in Regenerationskolonnen von Anlagen zur Sauergaswäsche.
  8. Verwendung nach Anspruch 7, wobei als Absorptionsmittel zur Sauergaswäsche eine wässrige Lösung mindestens eines Alkanolamins ausgewählt aus MethylDiEthanolAmin (MDEA), MonoEthanolAmin (MEA), DiEthanolAmin (DEA), TriEthanolAmin (TEA), DilsopropanolAmin (DIPA), AminoDiEthylenGlykol (ADG) verwendet wird.
  9. Verwendung nach Anspruch 8, wobei die Gesamtalkanolaminkonzentration der wässrigen Lösung 38 bis 50 Gewichtsprozent beträgt.
  10. Verwendung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, wobei eine wässrige Lösung von MDEA, die ein oder mehrere Amine der Reihe Piperazin, Methylpiperazin oder 3-Methylamino-1-propylamin (MAPA) als Aktivator enthält, verwendet wird.
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