DE102005054891A1

DE102005054891A1 - Verfahren zur Vermeidung von Ablagerungen in Wärmetauschern

Info

Publication number: DE102005054891A1
Application number: DE200510054891
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Hock; Heinz-Wolfgang Dr. Häring
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-05-24

Abstract

Verfahren zur Regenerierung des beladenen, flüssigen Waschmittels in einer physikalischen oder chemischen Gaswäsche, wobei das beladene Waschmnittel in einem rekuperativ arbeitenden Wärmetauscher erhitzt wird. Zur Erhitzung des beladenen Waschmittels werden Wärmetauscher eingesetzt, deren innere Oberflächen entweder mit einem Antihafteigenschaften aufweisenden Material beschichtet oder durch besondere, glättende Verfahren (z. B. Elektropolieren) antihaftend ausgeführt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regenerierung des beladenen, flüssigen Waschmittels in einer physikalischen oder chemischen Gaswäsche, wobei das beladene Waschmittel in einem rekuperativ arbeitenden Wärmetauscher erhitzt wird.

In der chemischen bzw. petrochemischen Industrie besteht häufig die Notwendigkeit, Verfahrensströme von störenden Gasen, insbesondere von Kohlendioxid (CO₂), zu reinigen. Beispielsweise muss in Anlagen, in denen Synthesegas durch partielle Oxidation oder Dampfreformierung aus Kohlenwasserstoffen erzeugt wird, der Spaltgasstrom vor der Tieftemperaturfraktionierung von Sauergasen befreit werden. Häufig wird zur CO₂-Entfernung eine Aminwäsche eingesetzt, wie z. B. eine nach dem sog. aktivierten Methyldiethanolamin-Verfahren arbeitende Sauergaswäsche. Hierbei wird der zu reinigende Gasstrom durch eine Waschkolonne geleitet, in der als Waschmittel ein aminbasiertes Lösemittel im Kreislauf geführt wird. Das CO₂ aus dem Gasstrom wird bei Temperaturen zwischen 40 und 70°C durch das Waschmittel absorbiert und reichert sich in diesem an. Da mit steigender CO₂-Konzentation die Waschaktivität des Waschmittels sinkt, wird es aus der Waschkolonne geführt und in einem rekuperativ arbeitenden Wärmetauscher auf ca. 110°C erhitzt. Das CO₂ geht hierdurch teilweise in die Gasphase über und wird in einer sich an den Wärmetauscher anschließenden Stripperkolonne mittels Wasserdampf weiter vom Waschmittel abgetrennt. Nach der solchermaßen durchgeführten Regenerierung ist das Waschmittel wieder für CO₂ aufnahmefähige, und wird zum Kopf der Waschkolonne zurückgefahren.

Die Waschkolonnen selbst und die in den Waschkolonnen angeordneten Einbauten (Packungen, Böden), die i.Allg. aus Stählen gefertigt sind, werden häufig durch das Waschmittel angegriffen. Selbst wenn das Waschmittel in frischem Zustand nicht korrosiv wirkt, kann durch die Wirkung der im beladenen Waschmittel vorliegenden Verunreinigungen (z. B. Ameisensäure) Eisen (Fe) aus Stählen herausgelöst und als Eisenhydrogencarbonat (Fe(HCO₃)₂), das im Waschmittel löslich ist, und als unlösliches Eisencarbonat (FeCO₃) gebunden werden. Zwischen Fe(HCO₃)₂ und FeCO₃ besteht ein Gleichgewicht, dessen Lage von der CO₂-Konzentration im Waschmittel abhängt. Während der Regenerierung des beladenen Waschmittels nimmt die CO₂-Konzentration im Waschmittel ab, wodurch sich das Gleichgewicht von Fe(HCO₃)₂ in Richtung FeCO₃ verschiebt und Eisencarbonat in Form von Kristalliten aus dem Waschmittel ausfällt. Die FeCO₃-Kristallite lagern sich während der Regenerierung in situ an den Oberflächen der Wärmetauscherkanäle an und bilden dort Schichten, deren Dicke im Laufe der Zeit anwächst. Dieser als Fouling bezeichnete Vorgang führt zu einer Erhöhung des Druckverlustes über den Wärmetauscher sowie zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs im Wärmetauscher; im ungünstigsten Fall können sogar Blockierungen auftreten, die mit unplanmäßigen Unterbrechungen der gesamten Synthesegasproduktion verbunden sind. Um dies zu verhindern, sind nach dem Stand der Technik die Wärmetauscher redundant vorhanden. In periodischen Zeitabständen wird ein Wärmetauscher stillgelegt und gereinigt oder – falls eine Reinigung nicht möglich ist – durch einen neuen Wärmetauscher ersetzt. Neben den Kosten für die Reinigung bzw. den Ersatz eines Wärmetauschers, fallen wegen der notwendigen Redundanz erhöhte Investitionskosten an, wodurch die Wirtschaftlichkeit einer Sauergaswäsche mit einem aminbasierten Waschmittel stark beeinträchtigt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrund, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass die Wirtschaftlichkeit einer Gaswäsche mit einem flüssigen Waschmittel im Vergleich zum Stand der Technik gesteigert wird.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Erhitzung des beladenen Waschmittels wenigstens ein aus einem metallischen Werkstoff gefertigter Wärmetauscher verwendet wird, bei dem zumindest die Oberflächen derjenigen Kanäle, durch welche das zu regenerierende Waschmittel geführt wird, mit einem Antihafteigenschaften aufweisenden Material beschichtet oder/und durch Polieren geglättet sind.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Haftkräfte zwischen Feststoffen, die sich in dem zu regenerierenden Waschmittel befinden bzw. aus diesem während der Regenerierung ausfallen und den Oberflächen des Wärmetauschers so gering sind, dass sie aufgrund der in den Wärmetauscherkanälen wirkenden Strömungskräfte mitgerissen werden und sich erst außerhalb des Wärmetauschers an Stellen mit hinreichend kleiner Strömungsgeschwindigkeit ablagern, von wo sie aus dem Waschmittelkreislauf zweckmäßiger Weise ausgeschleust werden.

Die Größe der Haftkräfte zwischen Feststoffen und den Oberflächen der Wärmetauscherkanäle wird im Wesentlichen von der chemischen Zusammensetzung des die Oberfläche bildenden Materials und der Oberflächerauhigkeit bestimmt: je kleiner die Oberflächenrauhigkeit, desto geringer sind die Haftkräfte. Unter Umständen können alleine durch hinreichend gute Glättung der Oberflächenrauhigkeiten die Antihafteigenschaften der Oberflächen von Wärmetauscherkanälen soweit verbessert werden, dass ein solchermaßen behandelter Wärmetauscher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt werden kann. Bevorzugt handelt es sich dabei um Wärmetauscher die aus einem rotfreien Stahl gefertigt sind und deren innere Oberflächen zumindest teilweise durch Elektropolieren geglättet sind.

Durch das Aufbringen einer Beschichtung mit einer Dicke, die größer ist als die mittlere Rauhigkeit der beschichteten Oberfläche, kann eine weitgehend glatte Oberfläche erzeigt werden, deren Antihafteigenschaften in erster Linie nur von den Antihafteigenschaften des Beschichtungsmaterials bestimmt werden. Soll die Beschichtung aus einem Antihafteigenschaften aufweisenden Material als Nanoschicht (Dicke im Bereich von wenigen Nanometern) auf eine Oberfläche aufgebracht werden, so ist es daher sinnvoll, die Oberfläche vor der Beschichtung soweit zu glätten, dass die mittlere Oberflächenrauhigkeit nur wenige Nanometer beträgt. Handelt es sich bei der Oberfläche, auf die ein Antihafteigenschaften aufweisenden Material als Nanoschicht aufgebracht werden soll, um eine rostfreie Stahloberfläche, so bietet es sich an, die Stahloberflächen durch Elektropolieren zu glätten, da mit dieser Methode Oberflächen mit mittleren Rauhigkeiten im unteren Nonometerbereich leicht erzeugt werden können.

Erfindungsgemäß werden zur Durchführung des Verfahrens bevorzugt Wärmetauscher eingesetzt, deren Antihafteigenschaften aufweisende Beschichtungen, die zweckmäßiger Weise als Nanoschichten auf die Wärmetauscheroberflächen aufgebracht werden, aus einem thermoplastischen Kunststoff oder aus Graphit bestehen. Besonders bevorzugt werden solche Wärmetauscher eingesetzt, deren Antihafteigenschaften aufweisende Beschichtungen aus einem fluorierten thermoplastischen Kunststoff wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) oder einem Copolymer aus Ethylen und Chlortrifluorethylen, bestehen.

Polytetrafluorethylen (PTFE) bietet sich als Beschichtungsmaterial an, da dieser Kunststoff nicht nur bis zu Temperaturen von 260°C beständig ist, sehr gute Antihafteigenschaften besitzt und einen niedrigen Reibungskoeffizienten aufweist, sondern darüber hinaus abriebfest und widerstandsfähig gegenüber beladenen und unbeladenen Waschmitteln ist, wie sie in physikalischen und chemischen Gaswäschen eingesetzten werden.
Während der Regenerierung erfolgt ein Wärmeübergang von einer Wärmeträgersubstanz auf das beladene Waschmittel. Eine Beschichtung aus einem Antihafteigenschaften aufweisenden Material weist daher auf der dem Waschmittel abgewandten Seite eine höhere Temperatur auf als auf der dem Waschmittel zugewandten Seite. Die Diffusion von Wasserdampf aus dem Waschmittel durch die Antihaftbeschichtung und hin zum metallischen Träger und eine damit verbundene Ablösung der Antihaftbeschichtung sind somit nicht möglich.

Claims

Verfahren zur Regenerierung des beladenen, flüssigen Waschmittels in einer physikalischen oder chemischen Gaswäsche, wobei das beladene Waschmittel in einem rekuperativ arbeitenden Wärmetauscher erhitzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhitzung des beladenen Waschmittels wenigstens ein aus einem metallischen Werkstoff gefertigter Wärmetauscher verwendet wird, bei dem zumindest die Oberflächen derjenigen Kanäle, durch welche das zu regenerierende Waschmittel geführt wird, mit einem Antihafteigenschaften aufweisenden Material beschichtet oder/und durch Polieren geglättet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscher eingesetzt werden, bei denen die inneren Oberflächen durch Elektropolieren geglättet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscher eingesetzt werden, deren Antihafteigenschaften aufweisende Beschichtungen aus einem thermoplastischen Kunststoff oder Graphit bestehen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscher eingesetzt werden, deren Antihafteigenschaften aufweisende Beschichtungen aus einem fluorierten thermoplastischen Kunststoff wie beispielsweise Polytetrafluorethylen (PTFE) oder einem Copolymer aus Ethylen und Chlortrifluorethylen, bestehen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihafteigenschaften aufweisenden Beschichtungen als Nanoschichten auf die Wärmetauscheroberflächen aufgebracht werden.