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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Behandeln von Temperaturen
von 200 bis 500°C
besitzendem, kondensierbare Bestandteile enthaltendem Synthesegas
aus festen, flüssigen
oder gasförmigen
Edukten, umfassend einen Reformer zum Umsetzen der Edukte zu Synthesegas,
einen dem Reformer nachgeschalteten Konverter zum Umwandeln von
in dem von Verunreinigungen, wie Schwefelverbindungen und Teerabscheidungen,
gereinigten Synthesegas enthaltenen CO zu CO2 und
weiterem H2, eine dem Konverter nachgeschaltete
Gasreinigungsanlage zum physisorptiven Entfernen von CO2 mit
einem Oxygenat, vorzugsweise CH3OH, aus
dem erzeugten Synthesegas, eine dem Reformer und/oder dem Konverter
nachgeschaltete, aus mehreren in Reihe angeordneten Wärmeübertragern
gebildete Wärmeübertragungszone
zum indirekten Übertragen von
im Synthesegas enthaltener thermischen Energie auf einen in dem
Wärmeübertrager
fließenden Prozessstoffstrom.
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Die
Herstellung von Synthesegas kann prinzipiell aus festen, flüssigen oder
gasförmigen,
Kohlenstoff enthaltenden Edukten, wie festen Brennstoffen, flüssigen Rohöldestillaten,
Erdgas, Erdöl-Begleitgas,
Biogas oder dergl. erfolgen. Bei der Herstellung von Synthesegas,
insbesondere aus festen Edukten, wird vor allem Kohle durch partielle
Oxidation mit O2 und Vergasung mit Wasserdampf
bei Temperaturen von 1200 bis 1500°C bei Drücken von 10 bis 100 bar[a]
zu einem Gemisch aus CO und H2 umgesetzt.
Die Umsetzung mit O2 liefert dabei durch
die exotherme Reaktion die notwendige Energie zum Erzielen der hohen
Reaktionstemperatur und die endotherme Vergasungsreaktion von Kohle
mit Wasserdampf (autothermnichtkatalytische Reaktion). Durch geschickte
Wahl des Ausgangsstoffs kann die Zusammensetzung des Synthesegases
je nach gewünschtem
Gehalt an CO und H2 gesteuert werden. Neben
der Kohle ist prinzipiell auch der Einsatz anderer Feststoffe, wie
z. B. Biomasse (Holz, Stroh) möglich.
Da in Kohle neben Kohlenstoff noch weitere Elemente, wie Schwefelverbindungen
und Teer, enthalten sind, müssen
aus dem erzeugten Synthesegas vor allem die genannten Verunreinigungen
entfernt werden
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Als
flüssige
Edukte zur Herstellung von Synthesegas werden unterschiedliche,
entschwefelte Rohöldestillate
eingesetzt, sowohl leichtsiedende als auch schwersiedende Fraktionen.
Leichtsiedende Fraktionen werden mit Wasserdampf oder sauerstoffreichem
Gas an einem heterogenen Katalysator bei Temperaturen von 800 bis
1000°C bei
Drücken
von 5 bis 70 bar[a] zu CO und H2 gespalten
(autothermkatalytische Reaktion). Beim Einsatz schwersiedender Fraktionen
oder auch von Kohle wird die partielle Oxidation mit O2 in
Gegenwart von Wasserdampf ohne Katalysator durchgeführt.
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Die
bedeutendsten gasförmigen
Edukte für die
Erzeugung von Synthesegas sind Erdgas und Erdöl-Begleitgas, die mit Wasserdampf
an einem heterogenen Katalysator bei Temperaturen von 800 bis 1000°C bei Drücken von
5 bis 70 bar[a] umgesetzt werden. Erdgas und Erdöl-Begleitgas liefern im Vergleich
mit andern Edukten den höchsten
Anteil an H2 im Verhältnis zu CO. Erdgas und Erdölbegleitgas
lassen sich auch durch partielle Oxidation mit O2 in
Gegenwart von Wasserdampf zu H2 und CO umsetzen.
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In
einer zweiten Reaktionsstufe wird das in dem erzeugten Synthesegas
enthaltene CO mit Wasserdampf bei Temperaturen von 150 bis 500°C bei Drücken von
20 bis 70 bar[a] an einem Katalysator zu CO2 und
weiterem H2 konvertiert. In einer dem Konverter
nachgeordneten mehrstufigen Gasreinigungsanlage wird CO2 physisorptiv
mit Oxygenat, vorzugsweise mit kaltem CH3OH
(„The
Rectidol®-Process": Technologieinformation
Nr. 274e/03.06/10 der Lurgi AG, Frankfurt am Main) oder auch chemisorptiv
mit Aminen („Gas
Sweetening with Alkonolamines": Technologieinformation
Nr. 1689e/3.99/10 Lurgi Öl Gas
Chemie GmbH, Frankfurt am Main) oder mit K2CO3 entfernt.
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Üblicherweise
befindet sich unmittelbar hinter dem Reaktor und/oder dem Konverter
und/oder der NH3-Syntheseanlage eine aus
mehreren in Reihe hintereinander angeordneten Wärmeübertragern gebildete Wärmeübertragungszone,
in dem die in dem Synthesegas bzw. in dem NH3 enthaltene
thermische Energie auf einen andern Prozessstoffstrom übertragen
und die in dem Synthesegas bzw. in dem NH3 enthaltenen
kondensierbaren Komponenten abgeschieden werden. Dabei ist es von
Nachteil, dass stromab hinter jedem Wärmeübertrager ein Trennmittel für aus dem
Synthesegas bzw. aus dem NH3 abgeschiedenen
Kondensat erforderlich ist und die in Reihe hintereinander angeordneten
Wärmeübertrager über mehrere
Rohrleitungen verbunden sein müssen,
die den jeweils herrschenden großen Temperaturen und Drücken angepasst
sind.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die eingangs beschriebene
Vorrichtung zum Behandeln von Synthesegas so zu gestalten, dass, bezogen
auf eine Wärmeübertragungszone,
das in einem Wärmeübertrager
nach erfolgter Übertragung von
thermischer Energie von dem eine höhere Temperatur aufweisenden
Synthesegas- bzw. NH3-Strom auf in einem
Rohr- oder Kanalsystem strömenden Prozessstoffstrom
mit niedrigerer Temperatur anfallende Kondensat auf einfache Weise
von dem Synthesegas- bzw. von dem NH3-Strom
zu trennen und den Synthesegas- bzw. den NH3-Strom
frei von Rohrleitungen dem stromab nächst folgenden Wärmeübertrager
aufzugeben.
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Gelöst ist diese
Aufgabe dadurch, dass die eine Wärmeübertragungszone
umfassenden Wärmeübertrager
senkrecht untereinander in einer Kolonne mit Zulauf des Synthesegases
bzw. des NH3 am Kolonnenkopf eingebaut sind,
zwischen mindestens zwei benachbarten Wärmeübertragern ein mit einer durch
eine kaminartige Röhre
nach oben verlängerten
zentralen Öffnung
mit einer locker aufsitzenden glockenförmigen Abdeckung versehenes Lochblechboden
angebracht und stromab unter dem letzten Wärmeübertrager ein Ablenkblech für die Trennung
von Kondensat und Synthesegas vorgesehen ist.
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Im
Rahmen der weiteren Ausbildung der Erfindung besitzt der Lochblechboden
die Form eines flachen Hohlkegelstumpfs, durch den das entstandene
Kondensat zur Kolonnenwand geführt
und von dort aus der Kolonne geleitet wird. Das Synthesegas bzw.
das NH3 wird an den Lochblechböden in Fraktionen
mit unterschiedlichen Kondensationspunkten aufgetrennt. Durch die
kaminartigen Röhren
strömt das Synthesegas
bzw. das NH3 stromab über den nächstfolgenden Wärmeübertrager
auf den unter dem Wärmeübertrager
befindlichen Lochblechboden, wobei die Temperatur des Synthesegases
bzw. des NH3 niedriger ist als auf dem stromauf
nächst
liegenden Lochblechboden ist. An den glockenförmigen Abdeckungen der kaminartigen
Röhren
kondensieren die in dem Synthesegas bzw. dem NH3 enthaltenen
kondensierbaren Bestandteile.
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Zweckmäßigerweise
wird das von den Lochblechenböden
abgezogene aus der Kolonne ausgeleitete Kondensat über siphonartig
ausgebildete Rohrleitungen dem Sumpf der Kolonne zugeführt.
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Eine
vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass das durch
das dem stromab letzten Wärmeübertrager
nachgeordnete Ablenkblech abgetrennte aus der Kolonne ausgeleitete
Synthesegas bzw. NH3 als zu erwärmender
Prozessstoffstrom einem Wärmeübertrager
zugeführt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachstehend
durch zwei Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine Kolonne mit drei untereinander angeordneten Wärmeübertragern
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch
eine Kolonne mit vier untereinander angeordneten Wärmeübertragern
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Zur
Herstellung von Synthesegas für
die Herstellung von NH3 werden stündlich 263
t entschwefeltes, einen Druck von 61 bar[a] aufweisendes und auf eine
Temperatur von 65°C
vorgeheiztes Erdgas der Zusammensetzung (trocken gerechnet) 27 Vol.% CH4, 1,6 Vol.% CO, 0,6 Vol.% CO2,
3,2 Vol.% H2, 0,3 Vol.% N2 und
67,3 Vol.% H2O unter Zumischung von O2-reichem Gas mit einem O2-Gehalt
von 95 Vol.% dem Brenner eines autothermen Reformers mit einem Festbett
aus körnigem
Spaltkatalysator, beispielsweise auf Nickel-Basis, aufgegeben. In
dem Reformer wird bei einer Temperatur 950 ± 10°C ein Synthesegas der Zusammensetzung
1,8 Vol.% CH4, 10,6 Vol.% CO, 7,1 Vol.%
CO2, 38,7 Vol.% H2,
0,4 Vol.% N2 und 41,1 Vol.% H2O
(Dampf) erzeugt. Nach einer Zwischenkühlung wird das Synthesegas mit
einer Temperatur von 95°C
bei einem Druck von 60 bar[a] bei einer Temperatur von 362°± 10°C bei einem
Druck von 58 bar[a] an einem Festbett-Katalysators, beispielsweise
auf Eisenbasis, zu Synthesegas, das 1,4 Vol.% CH4,
1,6 Vol.% CO, 15,9 Vol.% CO2, 47,4 Vol.%
H2, 0,2 Vol.% N2 und
33,1 Vol.% H2O enthält, konvertiert. Durch die
Konvertierung wird das anfallende CO zu CO2 und
weiterem H2 umgesetzt.
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Gemäß 1 wird
das aus dem nicht dargestellten Konverter über Leitung (1) in
einer Menge von 477 t/h abgezogene Synthesegas am Kopf (2) der
Kolonne (3) aufgegeben. In der Kolonne sind drei Rohrbündelwärmeübertrager
(4, 5, 6) untereinander eingebaut, wobei
stromab zwischen dem ersten Rohrbündelwärmeübertrager (4) und
dem zweiten Rohrbündelwärmeübertrager
(5) sowie dem zweiten Rohrbündelwärmeübertrager (5) und
dem dritten Rohrbündelwärmeübertrager
(6) jeweils ein flacher hohlkegelstumpfförmiger Lochblechboden
(7, 8) angeordnet ist. Das Loch (9, 10)
des Lochblechbodens (7, 8) ist nach oben mit einer
locker aufsitzenden glockenförmigen
Abdeckung (11, 12) versehenen kaminartigen Röhre (13, 14)
verlängert.
Stromab ist unter dem letzten Rohrbündelwärmebertrager (6) ein sich
nahezu über
etwa die Hälfte
des Querschnitts der Kolonne (3) erstreckendes Ablenkblech
(15) für die
Gas/Flüssig-Trennung
eingebaut. Der stromab erste Rohrbündelwärmeübertrager (4) wird über die Leitung
(16) mit einem eine Temperatur von 185°C besitzenden Rückkühlwasserstrom
eines Sättigungsapparates
in einer Menge von 1225 t/h beaufschlagt, so dass die Temperatur
des Synthesegases auf 198°C
gesenkt und gleichzeitig die Temperatur des über die Leitung (17)
abgeführten
Rückkühlwasserstroms
auf 230°C
erhöht
werden. Über
den stromab unter dem ersten Rohrbündelwärmeübertrager (4) befindlichen
Lochblechboden (7) wird der aus dem Rohrbündelwärmeübertrager
(4) austretende Synthesegasstrom durch die Röhre (13)
abgeleitet und dem zweiten Rohrbündelwärmeübertrager
(5) zugeführt.
Das auf dem Lochblechboden (7) entstandene, 99,8 Vol.%
H2O und 0,2 Vol.% CO2 enthaltende
Kondensat, das eine Temperatur von 198°C bei einem Druck von 58 bar[a]
besitzt, wird in einer Menge von 31 t/h über die siphonartig ausgebildete
Leitung (18) in den Sumpf (19) der Kolonne (3)
geleitet. Der stromwärts
zweiten Rohrbündelwärmeübertrager
(5) wird mit 107°C
heißem
unter einem Druck von 126 bar[a] stehenden, über die Leitung (20)
zugeführten Kesselspeisewasser
in einer Menge von 607 t/h beaufschlagt; dabei werden die Temperatur
des Synthesegases auf 171°C
gesenkt und die Temperatur des über
die Leitung (21) aus der Kolonne (3) abgeführten Kesselspeisewassers
auf 185°C
erhöht.
Der den zweiten Rohrbündelwärmeübertrager
(5) verlassende Synthesegasstrom und fließt durch
die Röhre (14)
des Lochblechbodens (8) in den dritten Rohrbündelwärmeübertrager
(6). Das auf dem Lochblechboden (8) anfallende,
einen Druck von 57 bar[a] und eine Temperatur von 171°C besitzende,
99,8 Vol.% und 0,2 Vol.% CO2 enthaltende
Kondensat wird in einer Menge von 86 t/h über die siphonartig gestaltete Leitung
(22) aus der Kolonne abgeführt und in den Sumpf (19)
der Kolonne (3) geleitet. Über Leitung (23) werden
dem stromab dritten Rohrbündelwärmeübertrager
(6) 600 t/h Frischwasser mit einer Temperatur von 40°C zugeführt. Durch
diese Maßnahme werden
die Temperatur des Synthesegasstroms auf eine Temperatur von 123°C gesenkt
und die Temperatur des über
die Leitung (24) aus der Kolonne (3) abgeführten Frischwassers
auf 105°C
erhöht. Über die
im unteren Abschnitt der Kolonne (3) oberhalb des Sumpfes
(19) der Kolonne (3) unter dem Ablenkblech (15)
angebrachte Leitung (21) werden 302 t/h Synthesegas, enthaltend
2,1 Vol.% CH4, 2,2 Vol.% CO, 22,7 Vol.%
CO2, 67,9 Vol.% H2,
0,3 Vol.% N2 und 4,3 Vol.% H2O
mit einer Temperatur von 123°C
und unter einem Druck von 56 bar[a], aus der Kolonne (3) abgezogen.
Aus dem Sumpf der Kolonne werden über die Leitung (26)
193 t/h H2O mit einer Temperatur von 150°C unter einem
Druck von 56 bar[a] abgeführt.
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Gemäß 2 sind
in der Kolonne (27) stromab untereinander vier Rohrbündelwärmeübertrager
(28, 29, 30, 31) eingebaut.
Am Kopf (32) wird die Kolonne (27) über die
Leitung (33) mit eine Temperatur von 210°C und einen
Druck von 95 bar[a] besitzendem NH3-Synthesegas
der Zusammensetzung 53,7 Vol.% H2, 20,2
Vol.% N2, 26 Vol.% NH3 beaufschlagt.
Die Temperatur des NH3-Synthesegases wird
in dem stromab ersten Rohrbündelwärmeübertrager
(28), dem über
Leitung (34) im Kreislauf geführtes NH3-Synthesegas
mit einer Temperatur von 74°C
und einem Druck von 200 bar[a] zugeführt wird, auf eine Temperatur
von 190°C
erniedrigt. Das aus dem Rohrbündelwärmeübertrager
(28) über
Leitung (35) in den nicht dargestellten Reaktor rückgeführte NH3-Synthesegas besitzt eine Temperatur von 190°C. In dem
stromab zweiten mit 4248 t/h Kühlwasser
mit einer Temperatur von 25°C
und einem Druck von 5 bar[a] über
Leitung (36) beaufschlagten Rohrbündelwärmeübertrager (29) wird
die Temperatur des NH3-Synthesegases auf 40°C abgekühlt und der
Druck auf 194 bar[a] gesenkt. Das über Leitung (37) den
Wärmeaustauscher
(29) verlassende Kühlwasser
besitzt eine Temperatur von 35°C
auf. Von dem unter dem stromab zweiten Rohrbündelwärmeübertrager (25) angeordneten
Lochblechboden (38) wird über dessen mit einer glockenförmigen Abdeckung
(39) versehenen Röhre
(40) 114 t/h NH3-Kondensat, bestehend
aus 1,3 Vol.% H2, 0,6 Vol.% N2 und
98 Vol.% H2O, mit einer Temperatur von 40°C und einem
Druck von 194 bar[a] über
Leitung (41) abgezogen. Das NH3Synthesegas
strömt
durch den dritten und danach durch den vierten Rohrbündelwärmeübertrager
(30, 31). Der stromab vierte Rohrbündekwärmeübertrager
(31) wird über
Leitung (42) mit eine Temperatur von 1°C und einen Druck von 4,4 bar[a]
besitzenden flüssigem
NH3 in einer Menge von 59 t/h beaufschlagt
und über
die Leitung (43) ausgeleitet. Unterhalb des stromab vierten
Rohrbündelwärmeübertragers
(31) ist ein etwa die Hälfte
des Querschnitts der Kolonne (27) abdeckendes Ablenkblech (44)
für die
Gas/Flüssig-Trennung
angeordnet. Oberhalb des Sumpfes (45) der Kolonne (27)
werden unter dem Ablenkblech (44) über die Leitung (46)
325 t/h NH3-Synthesegas der Zusammensetzung 69 Vol.%
H2, 26 Vol.% N2 und
4,7 vol.% NH3 bei einem Druck von 193 bar[a]
und mit einer Temperatur von 5°C
aus der Kolonne abgeleitet und als Kühlmittel in den stromab dritten
Rohrbündelwärmeübertrager (30)
geleitet, aus diesem über
die Leitung (47) mit einer auf 37°C erhöhten Temperatur ausgeleitet
und in den nicht dargestellten Kreislauf der NH3-Synthesegases
rückgeführt. Aus
dem Sumpf (45) der Kolonne (27) werden 56 t/h
kondensiertes NH3, das noch 0,7 Vol% H2 und 0,3 vol.% N2 enthält, bei
einem Druck von 193 bar[a] und mit einer Temperatur von 5°C über die
Leitung (48) abgezogen.
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Durch
das unterhalb des stromab letzten Rohrbündelwärmeübertragers (6, 31)
eingebaute Ablenkblech (15, 44) wird die Geschwindigkeit
des abwärtsfließenden Synthesegasstroms
beschleunigt und der Synthesegasstrom scharf nach oben abgelenkt,
so dass im Synthesegasstrom enthaltende Flüssigkeitströpfchen abgeschieden werden.
Der aufwärts
gerichtete Synthesegasstrom fließt durch einen nicht dargestellten
Tropfenabscheider bevor er über
ein Ventil die Kolonne (3, 23) verlässt.