DE102007029276A1

DE102007029276A1 - Kombinierter Dampfstripper und Reinkondensaterzeuger

Info

Publication number: DE102007029276A1
Application number: DE200710029276
Authority: DE
Inventors: Thilo Von Dr. Trotha; Frank Schuch; Klaus Dr. Ruthardt; Martin Smith
Original assignee: Uhde GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2008-12-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen kombinierten Dampfstripper und Reinkondensaterzeuger sowie ein Verfahren zum Kühlen eines Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenen Prozessgases damit, wobei gleichzeitig das entstehende Kondensat gereinigt wird. Das Prozessgas wird in einer Wasserstoffgewinnungsanlage durch Dampfreformieren erzeugt. Das Prozessgas 5 wird auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes gekühlt und das dabei anfallende Prozesskondensat 12 wird abgeschieden. Die Enthalpie des Prozesskondensates 12 wird beispielsweise durch Rückführen des Prozesskondensats 12 in den Dampfreformerprozess und die Enthalpie des Prozesskondensates durch Erwärmen eines Stoffstromes genutzt. Erfindungsgemäß wird das Prozessgas 5 in mindestens einem Kontaktapparat 9 mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt, wobei durch Direktkühlung zumindest ein Teil des aus dem Prozessgas abzuscheidenden Wasserdampfes kondensiert und mit der Kühlflüssigkeit ausgeschieden wird. Zusätzlich wird durch die Einbringung eines gas- und/oder dampfförmigen Mediums 20 das Prozesskondensat gereinigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Prozessgases, welches in einer Wasserstoffgewinnungsanlage durch Dampfreformieren erzeugt wird, wobei das Prozessgas auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes gekühlt und das hierbei anfallende Prozesskondensat abgeschieden und gereinigt wird und wobei die Enthalpie des Prozesskondensats beispielsweise durch Rückführen des Prozesskondensats in den Dampfreformerprozess oder durch Erwärmung eines Stoffstromes genutzt wird. Für die Reinigung des Prozesskondensates wird Dampf und/oder ein Gas eingesetzt, dass die im Prozesskondensat enthaltenen Verunreinigungen wie beispielsweise Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Methanol und Ameisensäure entfernt. Durch die Reinigung des Prozesskondensates kann dieses auch erwärmt werden, so dass es mit einer höheren Temperatur sowohl im Prozess als auch außerhalb des Dampfreformerprozesses verwendet werden kann
Im Dampfreformerprozess wird ein Reaktionsgemisch aus Wasserdampf und gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Stoffen zur Reaktion gebracht, wobei die gasförmigen, kohlenstoffhaltigen Reaktionskomponenten zuvor aus gasförmigen, flüssigen oder festen Kohlenstoffträgern erzeugt werden können. Wasserdampf wird zumeist in einem Verhältnis von 2,5 bis 5 mol/mol Kohlenstoff zugemischt, so dass Wasser im Überschuss vorliegt. Das Reaktionsgemisch enthält mehr Wasser als durch die chemischen Reaktionen bei der Dampfreformierung verbraucht wird.
Der Dampfreformerprozess kann eine oder mehrere Reaktionsstufen umfassen, wobei auch Reaktionsstufen vorgesehen sein können, die den Anteil des Wasserstoffes des Produktgemisches erhöhen und/oder unerwünschte Nebenprodukte reduzieren. Zwischen den Reaktionsstufen kann das Reaktionsgemisch durch Zugabe weiterer Stoffe und durch Zufuhr oder Abfuhr von Energie verändert werden. Das Wasserstoff und Wasserdampf enthaltende Prozessgas verlässt die letzte Reaktionsstufe des Dampfreformerprozesses mit einer Temperatur oberhalb von 100°C. Bei in der Praxis ausgeführten Anlagen beträgt die Temperatur des den Dampfreformerprozess verlassenden Prozessgases häufig zwischen 200 und 450°C. Für die weitere Ver wendung des Prozessgases muss dieses auf eine Weiterverarbeitungstemperatur abgekühlt werden. Die Weiterverarbeitungstemperatur liegt bei herkömmlichen Wasserstoffgewinnungsanlagen bei 20 bis 50°C. Die weitere Verwendung kann darin bestehen, dass das Prozessgas gereinigt und/oder der Wasserstoffanteil im Prozessgas beispielsweise durch Druckwechseladsorption, Membranverfahren u. dgl. erhöht wird. Die Abkühlung des Prozessgases erfolgt zumeist in mehreren Stufen durch indirekten Wärmeaustausch. Bei der Abkühlung wird die Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes unterschritten, so dass ein Prozesskondensat durch Partialkondensation anfällt, welches mit einem Abscheider aus dem Prozessgasstrom abgetrennt wird.
Die Energie aus der Abkühlung kann zum Teil genutzt werden, um prozesseigene und/oder prozessfremde Stoffe zu erwärmen. Insbesondere kann durch Wärmeaustausch mit dem Prozessgas Kesselspeisewasser für den Dampfreformerprozess erwärmt werden.
Ein Verfahren mit den eingangs beschriebenen Merkmalen ist aus WO 2005/118466 A2 bekannt. Das in einem Dampfreformerprozess erzeugte Prozessgas wird in zwei Stufen durch indirekten Wärmeaustausch auf eine Weiterverarbeitungstemperatur unterhalb von 45°C abgekühlt. Die Kühl- und Kondensationswärme wird zur Erwärmung von Wasser genutzt, welches dem Dampfreformerprozess zugeführt wird. Das in der zweiten Kühlstufe anfallende Kondensat wird von dem Prozessgasstrom abgetrennt und ebenfalls als Prozessflüssigkeit in den Dampfreformerprozess zurückgeführt.
Aus wirtschaftlichen und/oder technischen Gründen müssen Wärmeaustauscher für einen indirekten Wärmeaustausch mit einer Mindesttemperaturdifferenz zwischen dem Prozessgaseintritt und dem Austritt des zu erwärmenden Stoffes geplant und betrieben werden, wobei in der Praxis die Mindesttemperaturdifferenz typischerweise zwischen 5°C und 50°C liegt. Daraus resultiert ein Energiebetrag, der als Verlustwärme nicht zurück gewonnen wird und sich auf den energetischen Wirkungsgrad des Verfahrens nachteilig auswirkt. Hinzu kommen sicherheitstechnische Erwägungen, die eine Aufwärmung von prozesseigenen Gasströmen mit dem Prozessgas verbieten, weil Undichtigkeiten in den Wärmeaustauschern zu brennbaren oder exp losionsfähigen Gemischen führen könnten. Prozesseigene Gasströme können daher nicht im Wärmeaustausch mit dem Prozessgas zur Abkühlung und zur Verbesserung der Energieausnutzung verwendet werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs beschriebene Verfahren so zu betreiben, dass die Energie des in einem Dampfreformerprozess erzeugten Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenen Prozessgases besser genutzt werden kann und das entstehende Prozesskondensat gleichzeitig gereinigt wird, so dass das Prozesskondensat beispielsweise in einfacher Weise für die Dampferzeugung genutzt werden kann. Durch die Entfernung der Verunreinigungen ist es möglich, dass Prozesskondensat in Apparaten und Leitungen aus weniger hochwertigen Materialen (beispielsweise Nutzung von ferritischen anstatt austenitischen Stählen) zu verwenden.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Prozessgas in mindestens einem Kontaktapparat mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt wird, wobei durch Direktkühlung zumindest ein Teil des aus dem Prozessgas abzuscheidenden Wasserdampfes kondensiert und zusammen mit der Kühlflüssigkeit mit Dampf und/oder einem Gas gestrippt wird.
Als Kühlflüssigkeit können beispielsweise Wasser, Prozesskondensat, Additive enthaltende wässrige Systeme, ein Wasser/Glykol-Gemische oder eine wässrige Salzlösungen verwendet werden. Als Additive kommen beispielsweise Substanzen in Betracht, welche die Abscheidung und/oder die Wirkung der Strippung verbessern. Der Begriff "Wasser" umfasst auch Kesselspeisewasser, welches verwendet werden kann, um den Prozess anzufahren, den Prozess zu steuern und/oder eine ausreichende Menge an Prozesskondensat zu erzeugen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Verlustwärme durch eine Direktkühlung mit einer Flüssigkeit reduziert und der dadurch gewonnene Energieanteil für die Erwärmung von prozesseigenen und/oder prozessfremden Stoffen genutzt werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen direkten Wärmeaustausch im Kontaktapparat ist keine Mindesttemperaturdifferenz zwischen Kühlflüssigkeit und Prozessgas vorhanden. Des Weiteren werden die bei der Strippung ausgetrieben Verunreinigun gen und Reste des für die Strippung verwendeten Dampfes und/oder Gases in das Prozessgas zurückgeführt, so dass keine Stoffstrom- und Energieverluste entstehen. Beim verwendeten Dampf kann es sich beispielsweise um Wasserdampf handeln. Ein mögliches Gas zur Reinigung wäre Wasserstoff und/oder Stickstoff.
Im Ergebnis kann das Prozesskondensat mit einer höheren Temperatur und einer höheren Reinheit für die Wasserstofferzeugung genutzt werden. Ferner fällt mehr Prozesskondensat an, wenn man den direkten Wärmeaustausch mit einem indirekten Wärmeaustausch vergleicht und dieselbe Temperatur der Kühlflüssigkeit zugrunde legt. Der Enthalpiezuwachs des Prozesskondensats kann durch Rückführung des Prozesskondensats in den Dampfreformerprozess zur Wasserstofferzeugung genutzt werden.
Das heiße Prozesskondensat kann ferner verwendet werden, um andere Stoffe zu erwärmen. So kann es beispielsweise für die Verbrennungsluftvorwärmung, die Erwärmung des Reaktionsgemisches für den Dampfreformerprozess, die Erzeugung von Dampf beispielsweise für den Betrieb eines Entgasers, die Erwärmung eines nichtwässrigen Wärmeträgers, insbesondere Glykol, und/oder die Beheizung eines weiteren Strippers verwendet werden. Das heiße Prozesskondensat kann auch vor der Strippung für die im vorherigen Satz genannten Zwecke abgezogen werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die für die Direktkühlung verwendete Flüssigkeit in einem Kühlkreislauf geführt, wobei die im Kühlkreislauf geführte Flüssigkeit aus dem Kontaktapparat abgezogen wird, in einem Wärmeaustauscher gekühlt wird und anschließend dem Kontaktapparat wieder zugeführt wird. Die abgekühlte Flüssigkeit wird wieder mit dem Prozessgas vermischt und nimmt erneut Energie aus dem Prozessgas auf. Die der Flüssigkeit durch Wärmeaustausch im Kühlkreislauf entnommene Enthalpie kann zur Dampferzeugung oder zur Erwärmung prozesseigener oder prozessfremder Stoffe genutzt werden. So kann die dem Flüssigkeitskreislauf entnommene Enthalpie beispielsweise zur Erwärmung von Verbrennungsluft, die Erwärmung des Reaktionsgemisches für den Dampfreformerprozess, die Erzeugung von Dampf, die Erwärmung eines nicht wässrigen Wärmeträgers, oder zur Beheizung eines weiteren Strippers eingesetzt werden. Die im Kontaktapparat durch Kondensation anfallende Menge an Prozesskondensat wird aus dem Kühlkreislauf ausgeschleust und kann dem Dampfreformerprozess zugeführt oder anderweitig genutzt werden. Das Kondensat kann über eine Trennstufe ausgeschleust werden, in der etwaige anorganische oder organische Additive zum Verbleib im Kühlkreislauf abgetrennt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Prozesskondensat vor einer Rückführung in den Dampfreformerprozess noch weiter entgast wird. Das heiße Prozesskondensat kann entspannt werden, um flüchtige Bestandteile auszutreiben. Das entgaste Prozesskondensat kann genutzt werden, um beispielsweise einen Dampf mit noch weniger Inert- und Fremdanteilen, beispielsweise Kohlendioxid, Sauerstoff, Stickstoff, Ammoniak, Methanol, Ameisensäure, zu erzeugen.
Wenn in dem Dampfreformerprozess ein Prozessgas anfällt, dessen Temperatur weit oberhalb der Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes liegt, ist es vorteilhaft, wenn das im Dampfreformerprozess erzeugte Prozessgas zunächst durch indirekten Wärmeaustausch vorgekühlt wird, bevor es dem Kontaktapparat zur Direktkühlung und Strippung/Reinigung zugeführt wird.
Das Prozessgas kann auf eine Temperatur abgekühlt werden, die der Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes entspricht. Eine Absenkung auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur ist unschädlich. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn das Prozessgas vor dem Eintritt in den Kontaktapparat auf eine Temperatur vorgekühlt wird, die um bis zu 70°C größer ist als die Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes. Zur Vorkühlung kann Kesselspeisewasser verwendet werden, welches durch die Vorkühlung erwärmt und dem Dampfreformerprozess zugeführt wird.
In weiterer Ausgestaltung lehrt die Erfindung, dass das Prozessgas im Anschluss an die Direktkühlung im Kontaktapparat in mindestens einer weiteren Kühlstufe auf eine Temperatur von weniger als 50°C, vorzugsweise auf eine Temperatur von 20 bis 50°C, gekühlt wird. Das Kondensat, welches in der nachgeschalteten Kühlstufe anfällt, kann abgetrennt und als Kühlflüssigkeit in den Kontaktapparat zur Direktkühlung des Prozessgases zurückgeführt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Prozessgas nacheinander durch zwei oder mehr Kontaktapparate geführt wird, in denen das Prozessgas mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt und durch Direktkühlung Wasserdampf aus dem Prozessgas durch Kondensation ausgeschieden und/oder gereinigt wird. Die Kontaktapparate sind in Reihe geschaltet. Ihnen kann jeweils ein Kühlkreislauf zugeordnet werden. Kondensat, welches aus den Kühlkreisläufen ausgeschleust wird, kann den beschriebenen Nutzungen zugeführt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, das Kondensat, welches aus einem nachfolgenden Kühlkreislauf ausgeschleust wird, als Kühlflüssigkeit in dem jeweils vorgeschalteten Kontaktapparat verwendet wird.
Wenn das Prozessgas nacheinander durch mehrere Kontaktapparate geführt wird, ist es allerdings nicht notwendig, jedem Kontaktapparat einen Kühlkreislauf zuzuordnen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass Flüssigkeit, die aus einem nachgeschalteten Kontaktapparat abgezogen wird, gegebenenfalls nach einer Zwischenkühlung dem vorgeschalteten Kontaktapparat als Kühlflüssigkeit zur Direktkühlung des Prozessgases zugeführt wird. Die aus dem ersten Kontaktapparat abgezogene Flüssigkeit wird in einen Kühlkreislauf geführt, der den ersten Kontaktapparat mit einem nachgeschalteten Kontaktapparat bindet. Vorzugsweise verbindet der Kühlkreislauf den ersten Kontaktapparat mit dem bei einer Reihenschaltung letzten Kontaktapparat. Die im Kühlkreislauf geführte Flüssigkeit wird aus dem ersten Kontaktapparat abgezogen, in einem Wärmeaustauscher gekühlt und anschließend dem nachgeschalteten bzw. letzten Kontaktapparat als Kühlflüssigkeit zur Direktkühlung des Prozessgases zugeführt. Das bei der Direktkühlung in den Kontaktapparaten anfallende Kondensat wird vor dem Wärmeaustauscher zur weiteren Nutzung aus dem Kühlkreislauf ausgeschleust.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein kombinierter Dampfstripper und Reinkondensaterzeuger als geeigneter Kontaktapparat

• mit mindestens einem Gaseinlass für einen Wasserstoff und Wasserdampfenthaltenden Prozessgasstrom,
• mit mindestens einem Dampf und/oder Gaseinlass für die Strippung/Reinigung des Prozesskondensates
• mindestens einem Gasauslass,
• einer Kontaktzone für einen Gas/Flüssigkeitskontakt,
• einer Einrichtung zur Beaufschlagung der Kontaktzone mit einem Flüssigkeitsstrom und
• mindestens einem Flüssigkeitsauslass,

4

Der Kontaktapparat erfüllt gleichzeitig die Funktion eines Abscheiders und eines Strippers. Innerhalb des Kontaktapparates vor dem Gasauslass kann ein Tropfenabscheider angeordnet sein, wobei Anordnungen mit einem geringen Strömungsdruckverlust bevorzugt sind. Es versteht sich, dass ein Tropfenabscheider auch als nachgeschaltetes separates Aggregat ausgeführt sein kann und hinter dem Gasauslass angeordnet ist. An den Kontaktapparat ist vorzugsweise ein Flüssigkeitskreislauf angeschlossen, der den Flüssigkeitsauslass mit der Einrichtung zur Beaufschlagung der Kontaktzone verbindet und im Strömungsweg einen Wärmeaustauscher zur Kühlung des der Kontaktzone zugeführten Flüssigkeitsstromes aufweist.
Die Erfindung ermöglicht eine effiziente Rückgewinnung der Energie aus einem Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Prozessgas in Wasserstoffanlagen, die auf der Basis der Dampfreformierung arbeiten. Vorteilhaft ist auch, dass Wärmeaustauscher zur indirekten Wärmeübertragung ganz entfallen oder zumindest die Zahl der Wärmeaustauscher und/oder ihre Größe reduziert werden kann. Der Strömungsdruckverlust solcher Wärmeaustauscher kann beachtlich sein. Durch Wegfall der Wärmeaustauscher oder durch Reduzierung ihrer Zahl kann der Druckverlust des Prozessgasweges reduziert werden. Dies hat zur Folge, dass beispielsweise die Druckerhöhung zur Generierung des Reaktionsgemisches und/oder des gereinigten Wasserstoffes geringer wird, wodurch sich weitere Energieeinsparungen ergeben können. Ein geringerer Strömungsdruckverlust kann ferner benutzt werden, um das Druckniveau in der Wasserstofferzeugung zu senken, was sich grundsätzlich günstig auf das Reaktionsgleichgewicht der Dampfreformierung auswirkt. Dieses wird bei niedrigeren Drücken zum Produkt Wasserstoff verschoben. Möglicherweise können bei einem geringeren Druck auch preiswertere Materialien und Materialprüfverfahren eingesetzt werden. Die Erfindung erlaubt es auch, das Prozesskondensat gegenüber dem herkömmlichen Verfahren ganz oder teilweise von Inert- und Fremdanteilen zu reinigen. Diese Reinigung wird durch den Einbauten in der Zone der Direktkühlung und/oder der Zone der Strippung/Reinung verstärkt. Die Reinigung in der Zone der Direktkühlung kann bewirken, dass das heiße Prozesskondensat des Seitenabzuges in weniger hochwertigen Materialien gehandhabt werden kann.
Zusätzlich erlaubt die Erfindung ein Prozesskondensat zu erhalten, das ganz oder teilweise von Inert- und Fremdanteilen gereinigt ist. Dies hat zur Folge, dass das Kondensat in weniger hochwertigen Material und damit in der Regel preiswerteren Materialien geführt und gehandhabt werden kann. Bei ausreichender Reinigung ist für die Erzeugung von Dampf aus dem Prozesskondensat kein gesondertes Dampferzeugungssystem notwendig und kann zusammen mit Kesselspeisewasser in einem Dampferzeugungssystem verwendet werden. Dies kann eine wesentliche Prozessvereinfachung zur Folge haben.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand lediglich Ausführungsbeispiele darstellender Zeichnungen erläutert. Die 1 zeigt ein stark vereinfachtes Anlagenschema für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Kühlen eines Wasserstoff und Wasser dampf enthaltenen Prozessgases und Reinigen des Prozesskondensates, welches in einer Wasserstoffgewinnungsanlage durch Dampfreformieren erzeugt wird. Die 2, 3 und 4 betreffen weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens. 5 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In einem als Anlagenblock 1 dargestellten Dampfreformerprozess wird unter Zugabe von Verbrennungsluft 2, einem gasförmigen Kohlenstoffträger 3 und Wasserdampf 4 ein wasserstoffhaltiges Prozessgas 5 erzeugt. Wasser liegt im Reaktionsgemisch im Überschuss vor, d. h., es ist mehr Wasser enthalten, als durch die chemischen Reaktionen bei der Dampfreformierung verbraucht wird.
Der als Anlagenblock 1 schematisch dargestellte Dampfreformierungsprozess kann eine oder mehrere Reaktionsstufen umfassen. Es können auch Reaktionsstufen vorgesehen sein, die den Anteil des Wasserstoffes des Produktgemisches verändern und/oder Nebenprodukte verändern.
Das wasserstoffhaltige Prozessgas 5 verlässt die letzte Stufe des Dampfreformerprozesses mit einer Temperatur oberhalb von 100°C und wird für eine weitere Verwendung auf eine Weiterverarbeitungstemperatur von etwa 20 bis 50°C abgekühlt. Das aus dem Dampfreformerprozess stammende heiße Prozessgas 5 wird zunächst durch indirekten Wärmeaustausch 6 vorgekühlt. Zur Vorkühlung wird Kesselspeisewasser 7 für den Dampfreformerprozess verwendet. Das erwärmte Kesselspeisewasser wird einem Dampferzeuger 8 zugeführt, der von beliebiger Bauart sein kann, und anschließend im Dampfreformerprozess genutzt. Das Prozessgas 5 wird auf eine Temperatur vorgekühlt, die vorzugsweise etwa der Kondensationstemperatur entspricht oder etwas größer ist als die Kondensationstemperatur des im Prozessgas 5 enthaltenen Wasserdampfes.
Das vorgekühlte Prozessgas wird anschließend in einem Kontaktapparat 9 mit einer Kühlflüssigkeit und Dampf/Gas 20 beaufschlagt, wobei durch Direktkühlung zumindest ein Teil des aus dem Prozessgas abzuscheidenden Wasserdampfes kondensiert, durch den Dampf/Gas gereinigt und mit der Kühlflüssigkeit ausgeschieden wird. In dem in der Figur dargestellten Verfahren wird für die Direktkühlung als Kühlflüssigkeit Wasser bzw. Prozesskondensat verwendet, welches in einem Kühlkreislauf 10 geführt wird. Die im Kühlkreislauf 10 geführte Flüssigkeit wird aus dem Kontaktapparat 9 mit einem Seitenabzug 30 abgezogen, in einem Wärmetauscher 11 gekühlt und anschließend dem Kontaktapparat 9 wieder zugeführt. Die der Flüssigkeit durch Wärmeaustausch entnommene Enthalpie kann zur Dampferzeugung oder zur Erwärmung prozesseigener oder prozessfremder Stoffe, beispielsweise zur Erwärmung eines Teils der für den Dampfreformerprozess benötigten Verbrennungsluft 2 genutzt werden. Die im Kontaktapparat 9 durch Kondensation anfallende und gereinigte Menge an Prozesskondensat wird ausgeschleust und im Dampfreformerprozess genutzt. Im Ausführungsbeispiel wird das heiße Prozesskondensat 12 als Kesselspeisewasser ebenfalls einem Dampferzeuger 8' zugeführt.
Im Ausführungsbeispiel sind zwei Verdampfer 8, 8' vorgesehen. Im Rahmen der Erfindung liegt es jedoch auch, lediglich einen Verdampfer 8 zur Erzeugung des für den Dampfreformerprozess benötigten Wasserdampfes zu verwenden. Das Prozesskondensat 12 kann in diesem Fall in den mit Kesselspeisewasser 7 betriebenen Verdampfer 8 eingespeist werden. Dabei kann es zweckmäßig sein, das Prozesskondensat 12 vor der Rückführung in den Dampfreformerprozess zusätzlich zu entgasen, um einen Dampf mit weniger Inert- und Fremdanteilen zu erzeugen.
Im Anschluss an die Direktkühlung im Kontaktapparat 9 wird das Prozessgas 5 in mindestens einer weiteren Kühlstufe 13 auf eine Weiterverarbeitungstemperatur von weniger als 50°C gekühlt. Das bei der weiteren Kühlung anfallende Kondensat 12' wird in einem Abscheider 14 von dem Prozessgasstrom 5 getrennt und als Kühlflüssigkeit in den Kontaktapparat 9 zur Direktkühlung des Prozessgases zurückgeführt.
Der Kontaktapparat 9 weist mindestens einen Gaseinlass für den Prozessgasstrom, mindestens einen Gasauslass sowie eine Kontaktzone für einen Gas/Flüssigkeitskontakt auf. Die Kontaktzone kann einbautenfrei ausgeführt sein oder auch Einbauten zur Verbesserung des Stoff- und Wärmeaustausches enthalten. Ferner sind eine Einrichtung 15 zur Beaufschlagung der Kontaktzone mit einem Flüssigkeitsstrom sowie mindestens ein Flüssigkeitsauslass vorgesehen. Im Gasauslass können Abscheider, z. B. Prallabscheider zur Abscheidung von Flüssigkeitstropfen vorgesehen sein.
Bei der in 2 dargestellten Verfahrensvariante wird das Prozessgas nacheinander durch zwei oder mehr Kontaktapparate 9, 9' geführt, in denen das Prozessgas mit einer Kühlflüssigkeit und Dampf/Gas (20 und 20') beaufschlagt und durch Direktkühlung Wasserdampf aus dem Prozessgas durch Kondensation ausgeschieden wird. Den Kontaktapparaten ist jeweils ein Kühlkreislauf 10, 10' zugeordnet. Kondensat, welches aus dem zweiten Kühlkreislauf 10' ausgeschleust wird, wird als Kühlflüssigkeit in dem ersten Kontaktapparat 9 verwendet.
Im zweiten Kühlkreislauf 10' wird als Kühlflüssigkeit beispielsweise ein Wasser/Glykol-Gemisch oder ein wässriges System, welches Additive enthält, verwendet. Kondensat wird über eine Trennstufe 16 ausgeschleust, in der anorganische oder organische Additive zum Verbleib im Kühlkreislauf abgetrennt werden. Um den Prozess anzufahren, kann die Kontaktzone des Kontaktapparates 9' mit Kesselspeisewasser beaufschlagt werden, welches beispielsweise über eine separate Speiseleitung 17 zugeführt wird. Durch Zuführung von Kesselspeisewasser und/oder Dampf/Gas kann der Prozess ferner gesteuert und sichergestellt werden, dass stets eine ausreichende Menge an Prozesskondensat erzeugt wird und eine ausreichende Reinigung des Prozesskondensates erfolgt. Über die Speiseleitung 17 können auch Additive zugeführt werden können.
Die Kühlkreisläufe 10, 10' der in Reihe geschalteten Kontaktapparate 9, 9' können mit der gleichen Kühlflüssigkeit oder unterschiedlichen Kühlflüssigkeiten betrieben werden. Lediglich beispielhaft wurde dargestellt, dass der erste Kühlkreislauf 10 mit Prozesskondensat und der zweite Kühlkreislauf 10' mit einem Wasser/Glykol-Gemisch oder einem wässrigen, Additive enthaltenden System betrieben wird.
Auch bei der in 3 dargestellten Verfahrensvariante wird das Prozessgas nacheinander durch zwei oder mehr Kontaktapparate 9, 9' geführt, in denen das Prozessgas mit einer Kühlflüssigkeit und Dampf/Gas (20 und 20') beaufschlagt und durch Direktkühlung Wasserdampf aus dem Prozessgas durch Kondensation ausgeschieden wird, Die Kontaktapparate 9, 9' weisen jedoch keine separaten Kühlkreisläufe auf. Sie sind miteinander so verschaltet, dass Flüssigkeit, die aus dem zweiten bzw. einem nachgeschalteten Kontaktapparat 9' abgezogen wird, dem ersten bzw. dem jeweils vorgeschalteten Kontaktapparat 9 als Kühlflüssigkeit zur Direktkühlung des Prozessgases zugeführt wird. Gegebenenfalls kann eine Zwischenkühlung in einem Wärmeaustauscher 18 erfolgen. Die aus dem ersten Kontaktapparat 9 abgezogene Flüssigkeit wird in einem Kühlkreislauf 19 geführt, der den ersten Kontaktapparat 9 mit dem in der Reihenschaltung letzten Kontaktapparat 9' verbindet. Die im Kühlkreislauf 19 geführte Flüssigkeit wird aus dem ersten Kontaktapparat 9 abgezogen, in einem Wärmeaustauscher 11 gekühlt und anschließend im nachgeschalteten bzw. letzten Kontaktapparat 9' als Kühlflüssigkeit zur Direktkühlung des Prozessgases zugeführt. Das bei der Direktkühlung in den Kontaktapparaten 9, 9' anfallende Kondensat wird vor dem Wärmeaustauscher 11 zur weiteren Nutzung aus dem Kühlkreislauf 19 ausgeschleust.
In 4 ist der in 1 enthaltene Kontaktapparat 9 in die zwei Apparate 22 und 23 geteilt. Im Apparat 22 erfolgt die Strippung/Reinigung des Prozesskondensates 21 aus dem Apparat 23 mit dem Dampf/Gas 20. Der Inert- und Fremdanteilhaltige Strom 24 wird in den Apparat 23 zurückgeführt. Das gereinigte Prozesskondensat 12 wird den Dampferzeugern 8 und 8' zugeführt.
Bei dem in den 1 bis 4 dargestellten Verfahren kann als Kühlflüssigkeit für die Direktkühlung des Prozessgases stets Wasser, Prozesskondensat, ein Additive enthaltendes wässriges System, ein Wasser/Glykol-Gemisch oder eine wässrige Salzlösung verwendet werden. Als Additive kommen beispielsweise Substanzen in Betracht, welche die Abscheidung und/oder Reinigung verbessern. Der Begriff "Wasser" umfasst insbesondere auch Kesselspeisewasser, welches verwendet werden kann, um den Prozess anzufahren, den Prozess zu steuern und/oder eine ausreichende Menge an Prozesskondensat zu erzeugen. Die der Kühlflüssigkeit durch Wärmeaustausch entnommene Enthalpie kann in allen Verfahrensvarianten zur Erwärmung prozesseigener oder prozessfremder Stoffe genutzt werden. So kann die dem Flüssigkeitskreislauf entnommene Enthalpie beispielsweise zur Erwärmung von Verbrennungsluft, zur Erwärmung des Reaktionsgemisches für den Dampfreformerprozess, zur Erzeugung von Dampf, beispielsweise für den Betrieb eines Entgasers, die Erwärmung eines nichtwässrigen Wärmeträgers, zur Beheizung eines Strippers oder dergleichen genutzt werden. Die in den Kontaktapparaten durch Direktkühlung anfallende Menge an Prozesskondensat kann dem Dampfreformerprozess zugeführt oder anderweitig genutzt werden.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen kombinierten Dampfstripper und Reinkondensaterzeuger (9), enthaltend einen oberen und einen unteren Kolonnenteil, der obere Kolonnenteil mit einem Anschluss 5 für heißes Prozessgas, einen Auslass 32 für abgekühltes Prozessgas am Kolonnenkopf, einen am Kolonnenkopf angeordneten Anschluss für wässrige Lösung 12' mit einer Verteilvorichtung 15, einem weiteren Anschluss 31 für Kreislaufkondensat, ebenfalls mit einer Verteilvorrichtung 33, einer Sammelvorrichtung 34 im unteren Teil des oberen Kolonnenteils mit einem Abzug für erwärmtes Prozesskondensat, wobei zwischen der Verteilvorrichtung 15 und der Verteilvorrichtung 33 eine Trennvorrichtung 36, z. B. eine Packung, angeordnet ist, weiterhin zwischen der Verteilvorrichtung 33 und der Ebene des Anschlusses 5 eine weitere Trennvorrichtung 37, z. B. eine Packung angeordnet ist, weiterhin optional zwischen der Ebene des Anschlusses 5 und der Sammelvorrichtung 34 ebenfalls eine Trennvorrichtung, z. B. ein Trennboden, angeordnet ist.
Im unteren Teil der Kolonne, der schmaler ausgeführt ist, als der obere Teil der Kolonne, ist eine Abzugsvorrichtung 12 für heißes und gereinigtes Prozesskondensat vorgesehen, welches aus einem Kolonensumpf 35 abgezogen werden kann. Im Kolonnensumpf 35 oder darüber ist ein Dampfzugabestelle 20 angeordnet, der z. B. als Düse oder als Vorrichtung zur Versprudelung ausgeführt sein kann. Oberhalb der Dampfzugabestelle 20 sind weitere Trennvorrichtungen, z. B. eine Packung 38 und Trennböden angeordnet.
Alternativ zu den erwähnten Packungen können selbstverstädnlich auch Trennböden, Schüttungen oder dergleichen zum Einsatz kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/118466 A2 [0005]

Claims

Verfahren zum Kühlen eines Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Prozessgases, welches in einer Wasserstoffgewinnungsanlage durch Dampfreformieren erzeugt wird, wobei das Prozessgas (5) auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes gekühlt und das dabei anfallende Prozesskondensat (12) abgeschieden wird und, wobei die Enthalpie des Prozesskondensats (30) zur Erwärmung eines Stoffstromes genutzt wird, und wobei das anfallende Prozesskondensat (12) durch ein gas- und/oder dampfförmiges Medium (20) gereinigt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (5) in mindestens einem Kontaktapparat (9) mit einer Kühlflüssigkeit und einem gas- und/oder dampfförmigen Medium (20) beaufschlagt wird, wobei durch Direktkühlung zumindest ein Teil des aus dem Prozessgas abzuscheidenden Wasserdampfes kondensiert und mit der Kühlflüssigkeit ausgeschieden wird und die Abscheidung ganz oder teilweise von Inert- und Fremdanteilen gereinigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, der Kontaktapparat in mindestens zwei einzelnen Apparaten ausgeführt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlflüssigkeit Wasser, Prozesskondensat, ein Additive enthaltendes wässriges System, ein Wasser/Glykol-Gemisch oder eine wässrige Salzlösung verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete gasförmige Medium auch Anteile von Flüssigkeit und Feststoffen enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete gasförmige Medium dadurch gewonnen wird, dass ein flüssiges Medium entspannt wird und sich dabei gasförmige Anteile bilden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Direktkühlung verwendete Flüssigkeit in einem Kühlkreislauf (10) geführt wird, wobei die im Kühlkreislauf (10) geführte Flüssigkeit aus dem Kontaktapparat (9) abgezogen wird, in einem Wärmetauscher (11) gekühlt wird und anschließend dem Kontaktapparat (9) wieder zugeführt wird und wobei das bei der Direkt-Kühlung anfallende Kondensat zur weiteren Nutzung aus dem Kühlkreislauf (10) ausgeschleust wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat über eine Trennstufe (16) ausgeschleust wird, in der anorganische oder organische Additive zum Verbleib im Kühlkreislauf (10) abgetrennt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die der Flüssigkeit durch Wärmeaustausch entnommene Enthalpie zur Dampferzeugung oder zur Erwärmung prozesseigener oder prozessfremder Stoffe, vorzugsweise zur Erwärmung von Verbrennungsluft oder eines Wärmeträgers, genutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Kontaktapparat (9) durch Kondensation anfallende Menge an Prozesskondensat (12') aus dem Kühlkreislauf (10) ausgeschleust und im Dampfreformerprozess (1) genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozesskondensat (12) vor der Rückführung in den Dampfreformerprozess (1) entgast wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das im Dampfreformerprozess (1) erzeugte Prozessgas (5) durch indirekten Wärmeaustausch (6) vorgekühlt wird, bevor es dem Kontaktapparat (9) zur Direktkühlung und Strippung/Reinigung zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (5) vor dem Eintritt in den Kontaktapparat (9) auf eine Temperatur vorgekühlt wird, die um bis zu 70°C größer ist als die Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Vorkühlung Kesselspeisewasser (7) für den Dampfreformerprozess (1) erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (5) im Anschluss an die Direktkühlung im Kontaktapparat (9) in mindestens einer weiteren Kühlstufe (13) auf eine Temperatur von 20 bis 50°C gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondensat (12'), welches in der weiteren Kühlstufe (13) anfällt, abgetrennt und als Kühlflüssigkeit in den Kontaktapparat (9) zur Direktkühlung und oder Strippung/Reinigung des Prozessgases (5) zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas nacheinander durch zwei oder mehr Kontaktapparate (9, 9') geführt wird, in denen das Prozessgas mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt und durch Direktkühlung Wasserdampf aus dem Prozessgas durch Kondensation ausgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass den Kontaktapparaten (9, 9') jeweils ein Kühlkreislauf (10, 10') zugeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass Kondensat, welches aus einem nachfolgenden Kühlkreislauf (10') ausgeschleust wird, als Kühlflüssigkeit in dem jeweils vorgeschalteten Kontaktapparat (9) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit, die aus einem nachgeschalteten Kontaktapparat (9') abgezogen wird, dem vor geschalteten Kontaktapparat (9) als Kühlflüssigkeit zur Direktkühlung des Prozessgases zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die aus dem ersten Kontaktapparat (9) abgezogene Flüssigkeit in einem Kühlkreislauf (19) geführt wird, der den ersten Kontaktapparat (9) mit einem nachgeschalteten Kontaktapparat (9) verbindet, wobei die im Kühlkreislauf (19) geführte Flüssigkeit aus dem ersten Kontaktapparat (9) abgezogen wird, in einem Wärmeaustauscher (11) gekühlt wird und anschließend im nachgeschalteten Kontaktapparat (9') als Kühlflüssigkeit zur Direktkühlung des Prozessgases zugeführt wird und wobei das bei der Direktkühlung in den Kontaktapparaten (9, 9') anfallende Kondensat vor dem Wärmeaustauscher (11) zur weiteren Nutzung aus dem Kühlkreislauf (17) ausgeschleust wird.
Kombinierter Dampfstripper und Reinkondensaterzeuger mit • mindestens einem Gaseinlass für einen Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Prozessgasstrom, • mit mindestens einem Dampf und/oder Gaseinlass für die Strippung/Reinigung des Prozesskondensates • mindestens einem Gasauslass, einer Kontaktzone für einen Gas/Flüssigkeitskontakt, • einer Einrichtung (15) zur Beaufschlagung der Kontaktzone mit einem Flüssigkeitsstrom und • mindestens einem Flüssigkeitsauslass.
Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der kombinierte Dampfstripper und Reinkondensaterzeuger als bauliche Einheit ausgeführt wird, wobei die Dampfstrippungsvorrichtung im unteren Abschnitt einer Trennkolonne angeordnet ist, deren Durchmesser kleiner ist, als der des Kondensationsteils, der im oberen Teil einer Trennkolonne angeordnet ist, wobei die Trennkolonne in beiden Abschnitten Trennböden oder Packungen aufweist.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 oder 22 zur Direktkühlung eines durch Dampfreformierung in einer Wasserstoffgewinnungsanlage erzeugten Wasserstoff und Wasserdampf enthaltenden Prozessgasstromes (5) auf eine Temperatur unterhalb der Kondensationstemperatur des im Prozessgas enthaltenen Wasserdampfes und zur Abscheidung des hierbei entstehenden Kondensats (12).
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 oder 22, wobei an den Kontaktapparat (9) ein Flüssigkeitskreislauf (10) angeschlossen ist, der den Flüssigkeitsauslass mit der Einrichtung (15) zur Beaufschlagung der Kontaktzone verbindet und im Strömungsweg einen Wärmeaustauscher (11) zur Kühlung des der Kontaktzone zugeführten Flüssigkeitsstromes aufweist.