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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung eines Kohlendioxid
(CO2) enthaltenden Gasgemisches (Einsatz),
wobei mittels eines physikalisch wirkenden Waschmittels zumindest
CO2 aus dem Einsatz ausgewaschen wird.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens.
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In
industriellen Prozessen besteht häufig die Notwendigkeit, Kohlendioxid
(CO2) aus CO2-haltigen Gasgemischen
abzutrennen. Beispielsweise enthalten Syntheserohgase, die in großtechnischem
Maßstab
in Vergasungsanlagen aus Kohle oder/und Kohlenwasserstoffeinsätzen beispielsweise
durch Reformieren mit Wasserdampf oder durch partielle Oxidation
erzeugt werden, in der Regel neben den erwünschten Bestandteilen Wasserstoff
(H2) und Kohlenmonoxid (CO) auch erhebliche
CO2-Anteile, die aus den Syntheserohgasen
entfernt werden müssen.
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Stand
der Technik ist es, Syntheserohgase einer physikalischen Gaswäsche zu
unterziehen, wobei das CO2 mit einem physikalisch
wirkenden Waschmittel aus dem Syntheserohgas abgetrennt wird. Diese
Verfahren bieten sich an, da Syntheserohgase heute meist unter hohem
Druck erzeugt werden, und die Wirksamkeit von physikalischen Gaswäschen in
erster Näherung
linear mit dem Betriebsdruck zunimmt.
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Physikalische
Gaswäschen
nutzen die Eigenschaft von Flüssigkeiten
aus, gasförmige
Stoffe zu absorbieren und in Lösung
zu halten, ohne die Gase dabei chemisch zu binden. Wie gut ein Gas
von einer Flüssigkeit
absorbiert wird, wird durch den Löslichkeitskoeffizienten ausgedrückt: je
besser sich das Gas in der Flüssigkeit
löst, desto
größer ist
sein Löslichkeitskoeffizient.
Der Löslichkeitskoeffizient
ist temperaturabhängig
und steigt i. Allg. mit fallender Temperatur an.
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Soll
aus einem Gasgemisch eine Gaskomponente durch physikalische Wäsche herausgelöst werden,
so ist hierzu eine Mindestmenge Wmin, der als
Waschmittel eingesetzten Flüssigkeit
notwendig, die sich sehr gut mit der folgenden Formel berechnen lässt: Wmin = V/(p·λi)
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In
der Formel bedeuten V die Gesamtmenge des Gasgemisches, p den im
Gasgemisch herrschenden Druck und λi den
Löslichkeitskoeffizienten der
herauszuwaschenden Gaskomponente bezüglich des eingesetzten Waschmittels.
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Die
ausgewaschenen Gaskomponenten werden im Anschluss an die Gaswäsche aus
dem beladenen Waschmittel entfernt, wodurch das Waschmittel regeneriert
wird. Das regenerierte Waschmittel wird normalerweise wieder in
der Gaswäsche
eingesetzt, während
die ausgewaschenen Gaskomponenten entweder entsorgt oder einer wirtschaftlichen Verwertung
zugeführt
werden.
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Von
besonderer Bedeutung für
die Reinigung von Syntheserohgasen, ist die Methanolwäsche, bei
welcher tiefkaltes Methanol als Waschmittel verwendet wird. Sie
nützt die
Tatsache aus, dass sich der Löslichkeitskoeffizient
von CO2 von den Löslichkeitskoeffizienten von
H2 und CO in tiefkaltem Methanol um mehrere
Größenordnungen
unterscheidet. In einer Methanolwäsche kann CO2 somit
weitgehend selektiv aus Syntheserohgasen abgetrennt werden, da es
sich wesentlich besser in tiefkaltem Methanol löst, als H2 und
CO. Das bei der Gaswäsche
mit CO2 – aber auch in geringem Maß mit H2 und CO – beladene Methanol wird nach
dem Waschvorgang regeneriert und wieder in den Prozess zurückgeführt.
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Da
die Methanolwäsche
bei Temperaturen weit unterhalb von 0°C durchgeführt wird, treten unvermeidlich
Kälteverluste
auf, die durch geeignete Maßnahmen
ausgeglichen werden müssen.
Nach dem Stand der Technik wird der Methanolwäsche hierzu Fremdkälte zugeführt. Zwar
wird auch während
der Waschmittelregeneration Kälte
erzeugt, wenn beispielsweise gelöste
Gase aus beladenem Methanol durch Entspannen (Flushen) oder Strippen abgetrennt
werden, jedoch ist die so erzeugte Kältemenge nicht groß genug
um allein mit ihr den Kältehaushalt
der Methanolwäsche
ausgleichen zu können.
Die Versorgung mit Fremdkälte
wirkt sich negativ auf die Wirtschaftlichkeit einer Methanolwäsche aus,
da die Fremdkälte
mit hohem Energieaufwand in einem extemen Kühlaggregat erzeugt und über einen oder
mehrere Kühlkreisläufe, in
denen beispielsweise Propylen oder Ammoniak als Kältemittel
zirkulieren, in die Methanolwäsche
eingebracht werden muss.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten
Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die es ermöglichen,
den Kältebedarf
einer Methanolwäsche auf
wirtschaftlichere Weise zu decken, als dies nach dem Stand der Technik
möglich
ist.
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Die
gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass mit CO2 beladenes Waschmittel entspannt
und dabei abgekühlt wird
und bei der Entspannung aus dem Waschmittel frei gesetztes CO2 verdichtet, zurückgeführt und dem Einsatz zugemischt
wird.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die, die bei der Entspannung
von CO2-beladenem Waschmittel gewinnbare
Kältemenge
mit der CO2-Konzentration ansteigt. Durch
die erfindungsgemäße Rückführung von
Kohlendioxid erhöht
sich die Menge des in der Gaswäsche
zu zerlegenden Gasgemisches im Vergleich zum Stand der Technik.
Stärker
noch als die Gasmenge steigt, erhöht sich jedoch der CO2-Gehalt des in die Gaswäsche eingeleiteten Gasgemisches.
Nach der oben angegebenen Formel zur Bestimmung der minimal benötigten Waschmittelmenge,
wird daher zwar mehr Waschmittel benötigt, um das CO2 aus
dem Einsatz abzutrennen, wegen der angehobenen Kohlendioxidkonzentration
ist der CO2-Gehalt im beladenen Waschmittel
jedoch höher
als bei einer Gaswäsche
nach dem Stand der Technik.
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Je
geringer die Temperaturen sind, bei denen eine gattungsgemäße Gaszerlegung
durchgeführt
wird, desto größer sind
die dabei auftretenden Kälteverluste
die durch geeignete Maßnahmen
kompensiert werden müssen.
Gaszerlegungsverfahren, bei denen Methanol als Waschmittel eingesetzt
wird, arbeiten typischer Weise bei Temperaturen von ca. –40°C. Aber auch
wenn die Gaszerlegung mittels Polyethylenglykoldimethylether (PEGE)
durchgeführt wird,
ist es erforderlich, Temperaturen von ca. –15°C dauerhaft aufrecht zu erhalten.
Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen daher vor,
dass es sich bei dem physikalisch wirkenden Waschmittel um Methanol
oder um Polyethylenglykoldimethylether (PEGE) handelt.
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Eine
weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
es zur Abtrennung von Sauergasen aus einem Syntheserohgas eingesetzt
wird.
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Eine
andere Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass
Kohlendioxid von jenseits der Anlagengrenzen zugeführt und
dem Einsatz zugemischt wird. Diese Verfahrensvariante ist in erster
Linie dazu gedacht, die während
der Waschmittelregenerierung erzielbare Kälteleistung während eines
begrenzten Zeitraums zu erhöhen,
um beispielsweise die Zeit bis zum Erreichen eines neuen Betriebspunkt
zu verkürzen.
Mit besonderem Vorteil kann diese Verfahrensvariante während der
Inbetriebnahmephase eingesetzt werden, wenn die zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete
Gaszerlegungseinrichtung auf Betriebstemperatur abgekühlt werden
muss.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Zerlegung eines Kohlendioxid
(CO2) enthaltenden Gasgemisches (Einsatz),
umfassend eine Absorptionskolonne, in der zumindest CO2 mittels
eines physikalisch wirkenden Waschmittels aus dem Einsatz auswaschbar
ist
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Die
gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass sie einen Entspannungsbehälter
(E2) aufweist, in den mit CO2 beladenes
physikalisches Waschmittel entspannbar ist und aus dem bei der Entspannung
aus dem Waschmittel frei gesetztes CO2 abziehbar
und, nach Verdichtung, gemeinsam mit dem zu trennenden Gasgemisch
in die Absorptionskolonne zurückführbar ist.
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Eine
bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass als physikalisch wirkendes Waschmittel Methanol oder PEGE einsetzbar
ist.
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Eine
weitere bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass sie zur Abtrennung von Sauergasen aus einen Syntheserohgas
einsetzbar ist.
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Eine
andere Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor,
dass zumindest während eines
begrenzten Zeitraums der Absorptionskolonne gemeinsam mit dem zu
trennenden Gasgemisch Kohlendioxid von jenseits der Anlagengrenzen
zuführbar
ist.
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Die
Erfindung erlaubt es, den Einsatz von teurer Fremdkälte bei
einer gattungsgemäßen Gaszerlegung
gegenüber
dem Stand der Technik zu reduzieren; unter Umständen kann auf Fremdkälte vollständig verzichtet
werden. Darüber
hinaus wird durch die Erfindung die Inbetriebnahme einer Gaszerlegungseinrichtung
deutlich beschleunigt, da die Waschmittelkreisläufe erheblich schneller auf
Betriebstemperatur abgekühlt
werden können,
als dies gegenwärtig
möglich
ist.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch
dargestellten Ausführungsbeispieles
näher erläutert werden.
Die Figur zeigt einen Ausschnitt aus einer physikalischen Gaswäsche, die
bei Temperaturen weit unterhalb von 0°C durchgeführt und in der ein Wasserstoff,
Kohlenmonoxid und CO2 enthaltendes Syntheserohgas
in eine aus Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid
(CO) bestehendes Synthesegas und ein CO2-Produkt
zerlegt wird.
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Über Leitung 1 wird
das Syntheserohgas in den unteren Teil der Absorptionskolonne W
eingeleitet und dort im Gegenstrom zu einem physikalisch wirkenden
Waschmittel 2 (z. B. Methanol oder PEGE) nach oben geführt. Bei
der Gaswäsche
wird vorwiegend CO2 durch das Waschmittel
absorbiert und aus dem Syntheserohgas ausgewaschen. Über Leitung 3 wird
ein aus H2 und CO bestehendes Synthesegas
aus der Waschkolonne W geführt,
während über Leitung 4 beladenes
Waschmittel abgezogen wird. Zur Regenerierung wird das Waschmittel 4,
das in erster Linie mit CO2 beladen ist,
aber auch geringe Mengen Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, aus
der Waschkolonne W abgezogen und zunächst über das Drosselorgan a in einen
ersten Entspannungsbehälter
E1 kälteleistend
entspannt. Die Druckabsenkung ist hierbei so gewählt, dass vorwiegend H2 und CO desorbiert werden, während die überwiegende
Menge des Kohlendioxids in Lösung verbleibt.
Die desorbierten Stoffe werden über
Leitung 5 aus dem ersten Entspannungsbehälter E1
abgezogen, im Verdichter V1 verdichtet und über Leitung 6 zurückgeführt. Gemeinsam
mit dem zu zerlegenden Syntheserohgas werden sie anschließend in die
Absorptionskolonne W eingeleitet. Das immer noch mit CO2 beladene
Waschmittel 7 wird über
das Drosselorgan b in einen zweiten Entspannungsbehälter E2
kälteleistend
entspannt. Bei dieser Entspannung, bei der die Druckabsenkung wesentlich höher ist
als bei der ersten Entspannung über
das Drosselorgan a, desorbiert der größte Teil des im beladenen Waschmittel 7 gelösten Kohlendioxids
und gleichzeitig wird ein großer
Teil der für
die Gaswäsche
benötigten
Kälteleistung
erzeugt. Über
Leitung 8 wird ein Teil des desorbierten Kohlendioxids,
das Produktqualität
besitzt, als CO2-Produkt zur Anlagengrenze
geführt.
Die restliche Menge des Kohlendioxids wird über Leitung 9 aus
dem zweiten Entspannungsbehälter
E2 abgezogen, im Verdichter V2 verdichtet und über Leitung 10 der
Leitung 5 zugeführt. Gemeinsam
mit dem aus dem ersten Entspannungsbehälter E1 abgezogenen Gasstrom
wird das CO2 schließlich vor die Absorptionskolonne
W zurückgeführt. Das
immer noch mit bei der Gaswäsche
absorbierten Stoffen beladene Waschmittel 11 wird aus dem
zweiten Entspannungsbehälter
E2 abgezogen und einer weiteren Regenerierung (nicht dargestellt) zugeführt.
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Durch
eine Veränderung
des Mengenverhältnisses
der beiden CO2-Stöme 8 und 9,
ist es möglich,
die CO2-Konzentration im beladenen Waschmittel 7 einzustellen
und die bei der kälteleistenden
Entspannung über
das Drosselorgan b erzielbare Kälteleitung
den Erfordernissen anzupassen.