DE102009034980A1

DE102009034980A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gaswäsche

Info

Publication number: DE102009034980A1
Application number: DE102009034980A
Authority: DE
Inventors: Ulvi Kerestecioglu; Alexander Brandl
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2009-07-28
Filing date: 2009-07-28
Publication date: 2011-02-03
Also published as: CN101985082A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Zerlegen eines Gasgemisches (1) durch Gaswäsche (A), wobei die bei der Gaswäsche eingesetzte Waschflüssigkeit (2) mit aus dem Gasgemisch abgetrennten Stoffen beladen und anschließend einer Regenerierung (R) unterzogen wird, bei der ein erster Gasstrom (5) erzeugt wird, der sich aus unproblematischen und problematischen Stoffen zusammensetzt, wobei die Konzentration der problematischen Stoffe einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet. Der erste Gasstrom (5) wird einer Behandlung (V) unterzogen, bei der problematische Stoffe aus dem Gasstrom entfernt und/oder in unproblematische Stoffe umgewandelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches durch Gaswäsche, wobei eine bei der Gaswäsche eingesetzte Waschflüssigkeit mit aus dem Gasgemisch abgetrennten Stoffen beladen und anschließend einer Regenerierung unterzogen wird, bei der ein erster Gasstrom erzeugt wird, der sich aus unproblematischen und problematische Stoffen zusammensetzt, wobei die Konzentration der problematischen Stoffe einen vorgegeben Grenzwert überschreitet.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Unter einem unproblematischen Stoff ist ein solcher Stoff zu verstehen, der in jeder beliebigen Konzentration vorliegen kann, ohne dass dadurch die Verwendbarkeit des ersten Gasstroms als Produkt beeinträchtigt oder seine Freisetzung in die Atmosphäre verhindert wird.
Unter einem problematischen Stoff ist ein solcher Stoff zu verstehen, der die Verwendbarkeit des ersten Gasstromes als Produkt beeinträchtigt oder dessen Freisetzung in die Atmosphäre verhindert, sobald seine Konzentration einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Verfahren der gattungsgemäßen Art sind seit langem Stand der Technik und dem Fachmann seit vielen Jahren bekannt. Sie nutzen die Eigenschaft von Flüssigkeiten aus, Gase zu absorbieren und physikalisch oder 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. Unter der Voraussetzung, dass sich die Löslichkeitskoeffizienten der Komponenten eines Gasgemisches hinreichend stark unterscheiden, ist es möglich, mittels einer Waschflüssigkeit Gaskomponenten selektiv aus dem Gasgemisch abzutrennen und dieses auf diese Weise zu zerlegen. Die Waschflüssigkeit wird dabei mit den aus dem Gasgemisch abgetrennten Gaskomponenten beladen.
Die abgetrennten Gaskomponenten werden normalerweise im Anschluss an die Wäsche aus der beladenen Waschflüssigkeit wieder entfernt, wodurch die Waschflüssigkeit regeneriert wird. Die regenerierte Waschflüssigkeit wird nachfolgend wieder zur Gaswäsche eingesetzt, während die bei der Regenerierung erzeugten Gasströme entweder entsorgt oder einer wirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden.
Durch den Effekt der Koabsorption gelangen bei einer Gaswäsche auch solche Stoffe in die Waschflüssigkeit, deren Verbleib in der Gasphase eigentlich gewünscht ist. Durch geeignete Wahl der Prozessparameter kann dieser Effekt zwar minimiert, jedoch nie vollständig unterdrückt werden.
Bei einem bekannten Verfahren zur Gaswäsche wird Methanol als Waschflüssigkeit eingesetzt, um selektiv Kohlendioxid sowie andere Sauergase beispielsweise aus einem Kohlenmonoxid und Wasserstoff enthaltenden Syntheserohgas zu entfernen. Als Produkt entsteht hierbei ein weitgehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas. Im Zuge der Regenerierung fällt wenigstens ein kohlendioxidreicher Gasstrom an, der entweder ebenfalls als Produkt abgegeben oder einer Entsorgung zugeführt wird. Kohlenmonoxid, das durch Koabsorption in die Waschflüssigkeit gelangt, wird bei der Regenerierung gemeinsam mit Kohlendioxid desorbiert und gelangt als Verunreinigung in den oder die kohlendioxidreichen Gasströme. Insbesondere dann, wenn das zu zerlegende Syntheserohgas einen hohen Kohlenmonoxidgehalt aufweist, können Grenzwerte überschritten werden, wie sie beispielsweise für den Kohlenmonoxidgehalt eines Gasstrom gelten, der zur besseren Ausbeutung von Ölfeldern (Enhanced Oil Recovery) eingesetzt oder durch Sequestrierung entsorgt werden soll oder der an die Atmosphäre abgegeben werden muss.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, durch die es möglich ist, den ersten Gasstrom als Produkt abgeben oder einer ordnungsgemäßen Entsorgung zuführen zu können.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der erste Gasstrom einer Behandlung unterzogen wird, bei der problematische Stoffe aus dem Gasstrom entfernt und/oder in unproblematische Stoffe umgewandelt werden.
Es ist gängige Praxis, Stoffe aus einem Gasgemisch durch Adsorption zu entfernen, wobei die zu entfernenden Stoffe durch einen als Adsorbens bezeichneten Feststoff adsorbiert werden. So wird etwa ein durch kryogene Synthesegaszerlegung erhaltener Wasserstoffstrom über ein Adsorbens geleitet und dabei von Kohlenmonoxidresten befreit, bevor er als Wasserstoffprodukt an der Anlagengrenze abgegeben wird. Das Verfahren ist nicht nur auf die Trennung von Wasserstoff und Kohlenmonoxid beschränkt, vielmehr eignet es sich zur Trennung einer Vielzahl von Gasgemischen, wobei die Auswahl des Adsorbens von der zu lösenden Trennaufgabe bestimmt wird. Eine bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass problematische Stoffe aus dem ersten Gasstrom durch Adsorption entfernt werden.
In einem aus einer ersten und einer zweiten Stoffart bestehenden Gasgemisch kann die Konzentration der ersten Stoffart nicht nur durch Entfernen von Mitgliedern dieser Stoffart unter einen vorgegebenen Grenzwert gesenkt werden. Es ist auch möglich, Mitglieder der ersten Stoffart in solche einer anderen, beispielsweise der zweiten Stoffart umzuwandeln, um das angestrebte Ziel zu erreichen. Häufig kann eine derartige Umwandlung durch Oxidation von Mitgliedern der ersten Stoffart bewirkt werden. Eine weitere bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht daher vor, dass im ersten Gasstrom enthaltene problematische Stoffe durch thermische und/oder katalytische Oxidation in unproblematische Stoffe umgewandelt werden.
Die erforderliche Entfernung bzw. Umwandlung von im ersten Gasstrom enthaltenen problematischen Stoffen ist mit Investitions- und Betriebskosten verbunden, durch die die Wirtschaftlichkeit der Gaszerlegung beeinträchtigt wird. Die Höhe dieser Kosten, die in erster Linie durch die Baugröße der zur Behandlung des ersten Gasstroms notwendigen Einrichtungen bestimmt wird, sinkt mit der Größe des ersten Gasstroms. Um die Größe des ersten Gasstroms zu reduzieren, sieht eine andere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass bei der Regenerierung der beladenen Waschflüssigkeit wenigstens ein zweiter Gasstrom erzeugt wird, der zumindest einen der unproblematischen Stoffe umfasst, die auch im ersten Gasstrom enthalten sind, wobei die Konzentration problematischer Stoffe im zweiten Gasstrom einen vorgegebenen Grenzwert unterschreitet.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zum Zerlegen einer Vielzahl von Gasgemischen, wobei sowohl physikalische als auch chemische Waschflüssigkeiten verwendet werden können. Mit besonderem Vorzug wird es jedoch zur Abtrennung von Kohlendioxid aus einem Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umfassenden Syntheserohgas eingesetzt, wobei Methanol als Waschflüssigkeit dient. Kohlenmonoxid, das durch Koabsorption aus dem Syntheserohgas abgetrennt wird, gelangt bei der Regenerierung des hauptsächlich mit Kohlendioxid beladenen Methanols als problematischer Stoff in einen hierbei gewonnenen Gasstrom, der Kohlendioxid als unproblematischen Stoff enthält.
Stand der Technik ist es, das absorbierte Kohlendioxid bei der Regenerierung möglichst vollständig durch eine Druckabsenkung aus dem beladenen Methanol abzutrennen. Soll das dabei anfallende Kohlendioxid beispielsweise in die Atmosphäre entsorgt werden, wird der Druck in einem Schritt auf einen Wert abgesenkt, der in der Nähe des Atmosphärendruckes liegt. In Fällen, in denen das abgetrennte Kohlendioxid mit erhöhtem Druck abgegeben wird, wie etwa dann, wenn es für eine Sequestrierung bestimmt ist, erfolgt die Druckabsenkung des beladenen Methanols vorzugsweise in zwei Schritten, wobei im ersten Schritt auf einen mittleren und im zweiten auf den tiefstmöglichen Druck entspannt wird. Um Verdichtungsarbeit zu sparen, wird hierbei angestrebt, einen möglichst großen Teil des Kohlendioxids mit mittlerem Druck zu gewinnen. Koabsorbiertes Kohlenmonoxid, das bezüglich Methanol einen wesentlich kleineren Löslichkeitskoeffizienten aufweist als Kohlendioxid, wird gleichzeitig mit diesem abgetrennt. Unter Umständen überschreitet der Kohlenmonoxidgehalt in dem oder den kohlendioxidreichen Strömen einen vorgegebenen Grenzwert, so dass es erforderlich ist, die gesamte Menge des abgetrennten Kohlendioxids einer Nachbehandlung zu unterziehen, bevor es abgegeben werden kann. Um die Menge des nachzubehandelnden Kohlendioxids zu reduzieren, ist erfindungsgemäß wenigstens ein weiterer Entspannungsschritt vorgesehen, in dem das beladene Methanol auf einen Druck entspannt wird, bei dem aufgrund des geringeren Löslichkeitskoeffizienten zwar der größte Teil des koabsorbierten Kohlenmonoxids, jedoch nur ein kleiner Teil des absorbierten Kohlendioxids abgetrennt wird, so dass die Kohlenmonoxidkonzentration in dem oder den nachfolgend erzeugten kohlendioxidreichen Strömen unterhalb des vorgegebenen Grenzwerts bleibt. Als Konsequenz braucht nur der im zusätzlichen Entspannungsschritt erzeugte vergleichsweise kleine kohlendioxidreiche Strom einer Nachbehandlung unterzogen zu werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Zerlegen eines Gasgemisches, umfassend eine Wascheinrichtung, in der das Gasgemisch einer Gaswäsche mit einer Waschflüssigkeit unterziehbar ist, sowie eine Regeneriereinrichtung zur Regenerierung der mit aus dem Gasgemisch abgetrennten Stoffen beladenen Waschflüssigkeit, in dem ein erster Gasstrom erzeugt werden kann, der sich aus unproblematischen und problematischen Stoffen zusammensetzt, wobei die Konzentration der problematischen Stoffe einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es eine Einrichtung zur Behandlung des ersten Gasstroms umfasst, in der problematische Stoffe aus dem ersten Gasstrom entfernt und/oder in unproblematische Stoffe umgewandelt werden können.
Adsorber haben sich seit vielen Jahren bewährt, um Gaskomponenten aus Gasgemischen abzutrennen. Durch die Wahl des Adsorbens können sie für eine Vielzahl von Trennaufgaben eingesetzt werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass die Einrichtung zur Behandlung des ersten Gasstroms eine Einrichtung umfasst, in der problematische Stoffe durch Adsorption aus dem ersten Gasstrom entfernt werden können.
Häufig können problematische Stoffe, wie beispielsweise Kohlenmonoxid, durch Oxidation in unproblematische Stoffe umgewandelt werden. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht daher vor, dass die Einrichtung zur Behandlung des ersten Gasstroms eine Einrichtung umfasst, in der im ersten Gasstrom vorliegende problematische Stoffe durch thermische und/oder katalytische Oxidation in unproblematische Stoffe umgewandelt werden können.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass in der Regeneriereinrichtung wenigstens ein zweiter Gasstrom erzeugbar ist, der zumindest einen der unproblematischen Stoffe umfasst, die auch im ersten Gasstrom enthalten sind, wobei die Konzentration problematischer Stoffe im zweiten Gasstrom den vorgegeben Grenzwert unterschreitet. Diese Ausgestaltung erlaubt es, die Größe des ersten Gasstroms zu reduzieren und die problematischen Stoffe zu konzentrieren. Die Einrichtung zur Behandlung des ersten Gasstroms kann daher mit geringeren Investitionskosten verwirklicht und mit kleinerem Aufwand betrieben werden.
Bei der Wascheinrichtung kann es sich um jede Art von physikalischer oder chemischer Gaswäsche handeln. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um eine Gaswäsche zur Zerlegung eines Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid umfassenden Syntheserohgases, wobei als erster Gasstrom ein kohlendioxidreicher Gasstrom erzeugbar ist, der Kohlenmonoxid als problematischen Stoff enthält. Ein Beispiel für eine derartige Gaswäsche ist die Methanolwäsche, in der Methanol als Waschflüssigkeit einsetzbar ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die 1 zeigt eine Wascheinrichtung, in der ein vorwiegend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid bestehendes Syntheserohgas einer Gaswäsche mit Methanol unterzogen wird. Bei der Regenerierung des bei der Gaswäsche mit abgetrennten Stoffen beladenen Methanols werden zwei kohlendioxidreiche Gasströme erzeugt, die unterschiedliche Kohlenmonoxidgehalte aufweisen.
Über Leitung 1 wird das zu zerlegende Syntheserohgas in den Absorber A der Wascheinrichtung G eingeleitet, wo es intensiv mit dem über Leitung 2 als Waschflüssigkeit zugeführten Methanol in Kontakt gebracht wird. Der größte Teil des im Syntheserohgas enthaltenen Kohlendioxids wird durch das Methanol absorbiert, so dass über Leitung 3 ein weitgehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas als Produkt aus der Wascheinrichtung G abgezogen wird. Über Leitung 4 wird das vorwiegend mit Kohlendioxid beladene Methanol, das jedoch auch koabsorbiertes Kohlenmonoxid enthält, aus dem Absorber A abgezogen und der Regeneriereinrichtung R zugeleitet. Die bei der Gaswäsche absorbierten Stoffe werden während der Regenerierung aus dem beladenen Methanol 4 desorbiert, wobei ein erster 5 und ein zweiter kohlendioxidreicher Gasstrom 6 erzeugt werden. Der erste Gasstrom 5, der den größten Teil des koabsorbierten Kohlenmonoxids enthält und dessen Kohlenmonoxidgehalt einen vorgegeben Grenzwert überschreitet, wird in die Einrichtung V eingeleitet, in der Kohlenmonoxid durch Oxidation in Kohlendioxid umgewandelt wird. Aus der Einrichtung V wird somit ein Kohlendioxidstrom 7 abgezogen, dessen Kohlenmonoxidgehalt, genauso wie der des zweiten Gasstroms 6, den vorgegebenen Grenzwert unterschreitet. Die beiden Gasströme 6 und 7 werden zum Gasstrom 8 vereinigt, der problemlos an der Anlagengrenze abgegeben werden kann, um beispielsweise in die Atmosphäre freigesetzt zu werden. Über die Leitung 2 wird das regenerierte Methanol aus der Regeneriereinrichtung R abgezogen und dem Absorber A wieder als Waschflüssigkeit zugeführt.

Claims

Verfahren zum Zerlegen eines Gasgemisches (1) durch Gaswäsche (A), wobei eine bei der Gaswäsche eingesetzte Waschflüssigkeit (2) mit aus dem Gasgemisch abgetrennten Stoffen beladen und anschließend einer Regenerierung (R) unterzogen wird, bei der ein erster Gasstrom (5) erzeugt wird, der sich aus unproblematischen und problematische Stoffen zusammensetzt, wobei die Konzentration der problematischen Stoffe einen vorgegeben Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasstrom (5) einer Behandlung (V) unterzogen wird, bei der problematische Stoffe aus dem Gasstrom entfernt und/oder in unproblematische Stoffe umgewandelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass problematische Stoffe durch Adsorption aus dem ersten Gastrom entfernt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Gasstrom (1) enthaltene problematische Stoffe durch thermische und/oder katalytische Oxidation in unproblematische Stoffe umgewandelt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Regenerierung (R) wenigstens ein zweiter Gasstrom (6) erzeugt wird, der wenigstens einen der unproblematischen Stoffe umfasst, die auch im ersten Gasstrom (5) enthalten sind, wobei die Konzentration problematischer Stoffe im zweiten Gasstrom (6) einen vorgegeben Grenzwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Gasstrom (5) vorwiegend aus Kohlendioxid besteht und als problematischen Stoff Kohlenmonoxid enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Gaswäsche (A) Methanol als Waschflüssigkeit (2) eingesetzt wird.
Vorrichtung zum Zerlegen eines Gasgemisches (1), umfassend eine Wascheinrichtung (A), in der das Gasgemisch einer Gaswäsche mit einer Waschflüssigkeit (2) unterziehbar ist, sowie eine Regeneriereinrichtung (R) zur Regenerierung der mit aus dem Gasgemisch abgetrennten Stoffen beladenen Waschflüssigkeit (4), in dem ein erster Gasstrom (5) erzeugt werden kann, der sich aus unproblematischen und problematischen Stoffen zusammensetzt, wobei die Konzentration der problematischen Stoffe einen vorgegeben Grenzwert überschreitet, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Einrichtung (V) zur Behandlung des ersten Gasstroms umfasst, in der problematische Stoffe aus dem ersten Gasstrom (5) entfernt und/oder in unproblematische Stoffe umgewandelt werden können.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (V) zur Behandlung des ersten Gasstroms eine Einrichtung umfasst, in der problematische Stoffe durch Absorption aus dem ersten Gasstrom (5) entfernt werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (V) zur Behandlung des ersten Gasstroms (5) eine Einrichtung umfasst, in der im ersten Gasstrom (5) vorliegende problematische Stoffe durch thermische und/oder katalytische Oxidation in unproblematische Stoffe umgewandelt werden können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Regeneriereinrichtung (R) wenigstens ein zweiter Gasstrom (6) erzeugbar ist, der wenigstens einen der unproblematischen Stoffe umfasst, die auch im ersten Gasstrom (5) enthalten sind, wobei die Konzentration problematischer Stoffe im zweiten Gasstrom (6) den vorgegeben Grenzwert unterschreitet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wascheinrichtung (A) um eine Methanolwäsche handelt.