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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen eines Gasgemisches
(Einsatz) durch Wäsche in einer Waschzone mit einem physikalisch
wirkenden Waschmittel, bei der ein vorwiegend aus Stoffen einer
ersten und einer zweiten Art bestehendes Reingas erzeugt wird, wobei
die Stoffe der ersten Art besser im physikalisch wirkenden Waschmittel
löslich sind, als die Stoffe der zweiten Art und wobei
das bei der Wäsche mit Gaskomponenten beladene Waschmittel
im Anschluss an die Wäsche einer Regenerierung unterzogen
wird, bei der während der Wäsche koabsorbierte
Stoffe durch Strippung aus beladenem Waschmittel entfernt werden.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfahrens.
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Unter
koabsorbierten Stoffen sind Stoffe zu verstehen, deren Verbleib
im Reingas zwar gewünscht ist, die jedoch bei der Wäsche
durch das physikalisch wirkende Waschmittel absorbiert und aus dem
zu reinigenden Gasgemisch abgetrennt werden. Durch geeignete Wahl
des physikalisch wirkenden Waschmittels kann dieser als Koabsorption bezeichnete
Effekt zwar minimiert, jedoch nie vollständig unterdrückt
werden.
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Verfahren
der gattungsgemäßen Art sind seit langem Stand
der Technik und dem Fachmann als sog. physikalische Gaswäschen
seit vielen Jahren bekannt. Sie nutzen die Eigenschaft von Flüssigkeiten
aus, Gase zu absorbieren und in Lösung zu halten, ohne
sie dabei chemisch zu binden. Wie gut ein Gas von einer Flüssigkeit
absorbiert wird, wird durch den Löslichkeitskoeffizienten
ausgedrückt: je besser das Gas in der Flüssigkeit
löslich ist, desto größer ist sein Löslichkeitskoeffizient.
Der Löslichkeitskoeffizient ist temperaturabhängig
und steigt i. Allg. mit fallender Temperatur an.
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Um
eine Gaskomponente i durch physikalische Wäsche aus einem
Gasgemisch herauszulösen, ist hierzu eine Mindestwaschmittelmenge
Wmin 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 zu zerlegenden Gasgemisches,
p den im Gasgemisch herrschenden Druck und λi den
Löslichkeitskoeffizienten der herauszuwaschenden Gaskomponente
bezüglich des eingesetzten Waschmittels. Unter der Voraussetzung,
dass sich die Löslichkeitskoeffizienten der Komponenten
eines Gasgemisches hinreichend stark unterscheiden, ist es durch
eine entsprechende Anpassung der Waschmittelmenge möglich, in
einem Waschschritt diejenige Gaskomponente mit dem größten
Löslichkeitskoeffizienten weitgehend unabhängig
von den übrigen Gaskomponenten abzutrennen, d. h. selektiv
zu entfernen. Mit größeren Waschmittelmengen können
nach dem gleichen Prinzip in folgenden Waschschritten weitere Gaskomponenten
oder Gruppen von Gaskomponenten mit ähnlichen Löslichkeitskoeffizienten
selektiv ausgewaschen werden.
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Die
absorbierten Gaskomponenten werden im Anschluss an die Wäsche
aus dem beladenen Waschmittel wieder abgetrennt, wodurch das Waschmittel
regeneriert wird. Das regenerierte Waschmittel wird normalerweise
wieder in der Gaswäsche eingesetzt, während die
bei der Regenerierung erzeugten Gasströme entweder entsorgt
oder – evtl. nach einer Aufbereitung – einer wirtschaftlichen
Verwertung zugeführt werden.
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In "Gas
Separation & Purification",
December 1988, Vol 2, p. 171–176, wird eine physikalische Gaswäsche
beschrieben, bei der aus einem Wasserstoff (H2),
Kohlenmonoxid (CO) und Kohlendioxid (CO2)
sowie Sauergase (H2S, COS) enthaltenden Einsatz
mit Hilfe von Methanol, das als physikalisch wirkendes Waschmittel
eingesetzt wird, CO2 und Sauergase selektiv
abgetrennt werden. Zur Abtrennung der Sauergase wird Methanol verwendet,
das bereits bei der CO2-Abtrennung mit Kohlendioxid
vorbeladen wurde. Auf diese Weise entstehen zwei Waschmittelströme,
von denen der eine lediglich mit CO2 und
der andere sowohl mit CO2 als auch mit Sauergasen
beladen ist. Bei der sich an die Gaswäsche anschließenden
Regenerierung werden die beiden Waschmittelströme zunächst
getrennt voneinander auf einen mittleren Druck entspannt, um koabsorbierten
Wasserstoff und Kohlenmonoxid, die wegen ihrer kleinen Löslichkeitskoeffizienten
nur vergleichsweise schwach an das Waschmittel gebunden sind, freizusetzen
und wieder in den Einsatz zurückzuführen. Der
erste, sauergasfreie Waschmittelstrom wird anschließend
weiter entspannt, wobei ein Kohlendioxidstrom gewonnen werden kann.
Um die Sauergase anzureichern, wird CO2 aus
dem zweiten Waschmittelstrom mit Hilfe von Stickstoff ausgetrieben
(abgestrippt). Das mit CO2, aber auch mit
Sauergasen beladene Strippgas wird nachfolgend einer Wäsche
mit sauergasfreiem Methanol unterzogen, bei der die Sauergase rückgewaschen
werden und ein sauergasfreies, vorwiegend aus Kohlendioxid und Stickstoff
bestehendes Tailgas entsteht.
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Bei
der Entspannung auf einen mittleren Druck wird nur ein Teil der
koabsorbierten Stoffe freigesetzt, weshalb in das Tailgas neben
Kohlendioxid auch Wasserstoff und Kohlenmonoxid übergehen und
diese verunreinigen. Häufig ist es daher notwendig, das
Tailgas beispielsweise durch Unterfeuerung oder Nachverbrennung
zu behandeln, um gesetzliche Schadstoffgrenzwerte einhalten zu können.
Eine Rückführung des Tailgases in den Prozess,
um die koabsorbierten Stoffe zurückzugewinnen, ist wegen des
hohen Stickstoffanteils nicht sinnvoll.
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Um
den CO2-Eintrag in die Erdatmosphäre zu
reduzieren und die Auswirkungen des Treibhauseffektes auf das Weltklima
zu begrenzen, wird seit einigen Jahren die Möglichkeit
untersucht, bei technischen Prozessen anfallendes Kohlendioxid in
unterirdische Speicher zu verbringen und dort endzulagern. Bei dieser
als Sequestrierung bezeichneten Methode ist es erforderlich, das
CO2 stark zu verdichten und mit Drücken
von ca. 100 bar in die Speicher einzuleiten. Das Tailgas ist einer
derartigen Behandlung nicht zugänglich, da der Stickstoffballast
mit erheblichem finanziellem Aufwand mitverdichtet werden müsste
und in den CO2-Speichern ohnehin knappen
Speicherplatz belegen würde.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen
Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben,
die es erlauben, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden.
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Die
gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass aus einem Teil des gereinigten Einsatzes durch
eine weitere Wäsche mit regeneriertem Waschmittel ein Gas
mit einem gegenüber dem Reingas reduzierten Gehalt an Stoffen
der zweiten Art erzeugt wird, das nachfolgend als Strippgas zur
Austreibung von koabsorbierten Stoffen der zweiten Art aus beladenem
Waschmittel verwendet wird.
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Die
koabsorbierten Stoffe können umso effektiver aus dem beladenen
Waschmittel ausgetrieben werden, je geringer die Konzentration der
Stoffe der zweiten Art im erzeugten Strippgas sind.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Anwendung
bei jeder physikalischen Gaswäsche, insbesondere bei einer
Gaswäsche, bei der Methanol als physikalisch wirkendes
Waschmittel verwendet wird.
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Das
mit koabsorbierten Stoffen beladene Strippgas besteht zum überwiegenden
Teil aus Stoffen, die im Reingas erwünscht sind. Eine bevorzugte Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor,
dass das beladene Strippgas vor die Waschzone zurückgeführt
und gemeinsam mit dem Einsatz in die Waschzone eingeleitet wird.
Nicht im Reingas erwünschte Stoffe werden in der Waschzone
ausgewaschen, während die übrigen im beladenen
Strippgas enthaltenen Stoffe mit dem Reingas aus der Absorberkolonne
abgeführt werden und die Reingasausbeute erhöhen.
Eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht vor, dass das beladene Strippgas nicht vor die
Waschzone zurückgeführt, sondern anderweitig,
beispielsweise durch Unterfeuerung, behandelt wird.
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Wasserstoff
und Kohlenmonoxid sind wichtige Grundstoffe in der chemischen Industrie.
In großtechnischem Maßstab werden sie heute in
erster Line durch die Vergasung von Kohle oder/und Kohlenwasserstoffeinsätzen
beispielsweise durch Reformieren mit Wasserdampf oder durch partielle
Oxidation erzeugt. Bei der Vergasung fallen zunächst sog.
Syntheserohgase an, die in der Regel neben Wasserstoff und Kohlenmonoxid
einige unerwünschte Bestandteile, wie Kohlendioxid (CO2), Schwefelwasserstoff (H2S),
Kohlenoxidsulfid (COS) oder Blausäure (HCN), enthalten.
Zur Reinigung eines Syntheserohgases von unerwünschten
Bestandteilen und zur Gewinnung eines vorwiegend aus Wasserstoff
und/oder Kohlenmonoxid bestehenden Reingases bietet sich der Einsatz
physikalischer Wäschen an, da die Syntheserohgase heute
meist unter hohem Druck erzeugt werden und die Wirksamkeit von physikalischen
Wäschen in erster Näherung linear mit dem Betriebsdruck
zunimmt. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Verfahrens sieht daher vor, dass es zur Reinigung eines Syntheserohgases
eingesetzt wird, das neben Wasserstoff und Kohlenmonoxid vor allem
Kohlendioxid (CO2) sowie Schwefelwasserstoff
(H2S) und/oder Kohlenoxidsulfid (COS) und/oder
Blausäure (HCN) enthält.
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Weiterhin
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Reinigung eines Gasgemisches
(Einsatz), umfassend eine Absorberkolonne mit einer Waschzone, in
der aus dem Einsatz mit Hilfe eines physikalisch wirkenden Waschmittels
Gaskomponenten auswaschbar sind und ein Reingas erzeugbar ist sowie eine
Regeneriereinrichtung, in der ausgewaschene Gaskomponenten aus dem
bei der Wäsche beladenen Waschmittel abtrennbar sind, wobei
die Regeneriereinrichtung eine Strippeinrichtung aufweist, in der koabsorbierte
Stoffe aus beladenem Waschmittel durch Strippung mit einem Strippgas
entfernbar sind.
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Die
gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch
gelöst, sie eine Wascheinrichtung aufweist, in der aus
einem Teil des gereinigten Einsatzes mittels regeneriertem Waschmittel
ein Gas erzeugbar ist, das in die Strippeinrichtung als Strippgas
einleitbar ist.
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Um
die Ausbeute an Reingas zu erhöhen, kann das beladene Strippgas
zurückgeführt und in die Absorberkolonne eingeleitet
werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung sieht daher vor, dass sie einen Verdichter aufweist, über
den in der Strippeinrichtung mit koabsorbierten Stoffen beladenes
Strippgas vor die Absorberkolonne zurückführbar
ist.
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Im
Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch
dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert
werden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Ausschnitt
aus einer physikalischen Gaswäsche, in der aus einem zum überwiegenden
Teil aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Kohlendioxid
und Schwefelkomponenten enthaltenden Syntheserohgas Schwefelkomponenten
und Kohlendioxid durch Wäsche mit tiefkaltem, flüssigem Methanol
selektiv abgetrennt werden, wobei ein weitgehend aus Wasserstoff
und Kohlenmonoxid bestehendes Reingas erzeugt wird.
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Über
Leitung 1 wird das zu reinigende Syntheserohgas als Einsatz
in den Wärmtauscher E eingeleitet, dort gegen anzuwärmende
Verfahrensströme abgekühlt und über Leitung 2 der
Waschkolonne W zugeführt, in der eine Waschzone angeordnet
ist, die die beiden durch den Kaminboden K voneinander getrennten
Waschsektionen S1 und S2 umfasst. Das Syntheserohgas steigt in der
ersten Waschsektion S1 nach oben, wobei es intensiv mit von oben
nach unten strömendem Waschmittel in Kontakt gebracht und
von Schwefelkomponenten befreit wird. Bei dem Waschmittel, das am
oberen Ende der Waschsektion S1 über Leitung 3 in
einer dem Löslichkeitskoeffizienten der Schwefelkomponenten
angepassten Menge zugeführt wird, handelt es sich um einen
Teil des mit Kohlendioxid beladenen, jedoch von Schwefelkomponenten
freien Methanolwaschmittels, das über Leitung 4 aus
dem Kaminboden K abgezogen wird.
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Das
von Schwelkomponenten gereinigte Syntheserohgas strömt über
den Kaminboden K in die zweite Waschsektion S2, in der es nach oben
geführt, dabei mit im Gegenstrom geleitetem Waschmittel
gewaschen und von Kohlendioxid befreit wird. Über Leitung 5 wird
die Hauptmenge des gereinigten Syntheserohgases, das nahezu ausschließlich
aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht, als Reingas aus der Waschkolonne
W abgezogen, im Wärmetauscher E gegen abzukühlende
Verfahrensströme angewärmt und über Leitung 6 einer
Verwertung (nicht dargestellt) zugeführt. Als Waschmittel
wird am oberen Ende der zweiten Waschsektion S2 der Hauptsrom 7 des
regenerierten Methanols 17 zugeführt.
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Der
Teil des gereinigten Syntheserohgases, der nicht als Reingas 5 aus
der Waschkolonne W abgezogen wird, wird in einer dritten Waschsektion
S3 einer weiteren Wäsche mit einem Teilstrom 18 des regenerierten
Methanols 17 unterzogen, bei der vor allem besser lösliches
Kohlenmonoxid ausgewaschen wird. Über Leitung 19 wird
daher ein Gas aus der Waschkolonne W abgezogen, das einen im Vergleich
zum Reingas 5 verringerten Kohlenmonoxidgehalt aufweist.
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Über
Leitung 8 wird aus der Waschkolonne W ein mit Schwefelkomponenten
und Kohlendioxid beladenes Methanol abgezogen, über das
Drosselorgan a entspannt, in den Abscheider D1 geleitet und dort
in eine Gas- und eine Flüssigphase getrennt. Die Gasphase,
die vor allem aus bei der Gaswäsche koabsorbiertem Wasserstoff
und Kohlenmonoxid besteht, wird über Leitung 9 aus
dem Abscheider D1 abgezogen und über Leitung 10 sowie
den Verdichter V1 vor die Waschkolonne W zurückgeführt.
Die Flüssigphase wird über Leitung 11 abgezogen, über
das Drosselorgan b weiter entspannt und zum Kopf der Strippkolonne
R1 geführt.
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Der
zweite Teil des mit Kohlendioxid beladenen, an Schwefelkomponenten
freien Methanolstroms 4, der nicht als Waschmittel in der
ersten Waschsektion S1 benötigt wird, wird über
Leitung 12 weiter geführt und nach Entspannung über
das Drosselorgan c in den Abscheider D2 eingeleitet. Die bei der
Entspannung gebildete Gasphase, die überwiegend aus bei
der Gaswäsche koabsorbiertem Wasserstoff und Kohlenmonoxid
besteht, wird über Leitung 13 aus dem Abscheider
D2 abgezogen und gemeinsam mit der Gasphase 9 über
Leitung 10 vor die Waschkolonne W zurückgeführt. Über
Leitung 14 wird die Flüssigphase aus dem Abscheider
D2 abgezogen, über das Drosselorgan d weiter entspannt und
zum Kopf der Strippkolonne R2 geführt.
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Über
die Leitung 22 und das Regelorgan g wird der Strippkolonne
R1 eine Teilmenge des Gasstromes 19 als Strippgas zugeführt
und im Gegenstrom zu den entspannten Methanolströmen geführt, wobei überwiegend
koabsorbiertes Kohlenmonoxid ausgetrieben wird und in das Strippgas übergeht. Vom
Kopf der Strippkolonne R1 wird das beladene Strippgas 23 abgezogen
und zur Rückgewinnung von koabsorbierten Stoffen über
den Verdichter V2 vor die Waschkolonne W zurückgeführt.
Der Strippkolonne R2 wird über die Leitung 20 und
das Regelorgan f der verbleibende Teil des Gasstromes 19 ebenfalls
als Strippgas zugeführt, im Gegenstrom zu entspanntem Methanol
nach oben geleitet und dabei vorwiegend mit koabsorbiertem Kohlenmonoxid
beladen. Das beladene Strippgas wird über Leitung 21 abgezogen
und in die Strippkolonne R1 geleitet.
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Aus
dem Sumpfraum der Strippkolonne R1 wird mit Kohlendioxid und Schwefelkomponenten
beladenes Methanol 26 abgezogen und über das Drosselorgan
h in den unteren Tei der Anreicherungskolonne A entspannt. Bei der
Entspannung werden Kohlendioxid und Schwefelkomponenten freigesetzt und
steigen als Gasgemisch nach oben. Über Leitung 25 und
das Drosselorgan i wird Kohlendioxid enthaltendes, schwefelfreies
Methanol am Kopf der Anreicherungskolonne A aufgegeben, wobei der größte
Teil des gelösten Kohlendioxids ausgast. Auf seinem Weg
nach unten löst das flüssige Methanol vorwiegend
die bei der Entspannung des Stoffstroms 26 frei gesetzten
Schwefelkomponenten aus dem nach oben geführten Gasgemisch,
so dass aus dem Sumpfraum ein mit Schwefelkomponenten angereicherter,
weitgehend kohlendioxidfreier Methanolstrom 27 abgezogen
und einer Heißregenerierung (nicht dargestellt) zur Gewinnung
der Schwefelkomponenten zugeführt werden kann. Am Kopf
der Anreicherungskolonne A wird ein Produktreinheit aufweisender
Kohlendioxidstrom 28 abgezogen, im Wärmetauscher
E gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmt
und über Leitung 29 beispielsweise einer Sequestrierung
zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”Gas
Separation & Purification”,
December 1988, Vol 2, p. 171–176 [0008]