DE102010049575A1

DE102010049575A1 - Method and apparatus for cooling gases

Info

Publication number: DE102010049575A1
Application number: DE201010049575
Authority: DE
Inventors: Dr. Reinke Michael; Carsten Taube; Roland THALHAMMER; Christian Thaller
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2010-10-26
Filing date: 2010-10-26
Publication date: 2012-04-26
Also published as: WO2012055479A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abkühlung von heißem Prozessgas (6), wobei entmineralisiertes und entgastes Wasser (5) in indirektem Wärmetausch (E) gegen heißes Prozessgas (6) angewärmt wird. Erfindungsgemäß wird das entmineralisierte Wasser (1) vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas (6) durch Membranentgasung (MK) von gelöstem Gas befreit.The invention relates to a method and a device for cooling hot process gas (6), demineralized and degassed water (5) being heated in indirect heat exchange (E) against hot process gas (6). According to the invention, the demineralized water (1) is freed of dissolved gas by membrane degassing (MK) before it is heated against hot process gas (6).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abkühlung von heißem Prozessgas, wobei entmineralisiertes und entgastes Wasser in indirektem Wärmetausch gegen heißes Prozessgas angewärmt wird.The invention relates to a method for cooling hot process gas, wherein demineralized and degassed water is heated in indirect heat exchange against hot process gas.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method according to the invention.

Unter Prozessgas ist ein Gas zu verstehen, das in einem industriellen Prozess als Zwischen- oder Endprodukt erzeugt wird. Häufig müssen diese Gase vor ihrer Weiterverarbeitung abgekühlt werden. Beispiele für Prozessgase sind Syntheserohgase, die bei der Vergasung von Kohlenstoff enthaltenden Einsatzstoffen entstehen, oder Spaltgase, die durch thermische Spaltung von langkettigen Kohlenwasserstoffen gewonnen werden.Process gas is a gas that is produced in an industrial process as an intermediate or end product. Often, these gases must be cooled before further processing. Examples of process gases are synthesis gas gases, which are formed during the gasification of carbon-containing feedstocks, or fission gases, which are obtained by thermal decomposition of long-chain hydrocarbons.

Wasserstoff und Kohlenmonoxid werden heute im großtechnischem Maßstab in erster Linie durch Dampfreformierung oder Partielle Oxidation gewonnen. Hierbei werden kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe gemeinsam mit Wasserdampf in einen Reaktor eingeleitet und zu einem Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie Wasser enthaltenden Syntheserohgas umgesetzt, das mit einer Temperatur aus dem Reaktor abgezogen wird, die typischerweise zwischen 200 und 400°C liegt. Die im Syntheserohgas enthaltene Wärme wird zur Erzeugung von Reindampf genutzt, der im Prozess – beispielsweise als Einsatz zum Reaktor – genutzt oder als Exportdampf an den Anlagengrenzen abgegeben wird.Hydrogen and carbon monoxide are nowadays obtained on an industrial scale primarily by steam reforming or partial oxidation. Here, carbonaceous feedstocks are introduced together with steam into a reactor and converted to a hydrogen and carbon monoxide and water-containing synthesis crude, which is withdrawn at a temperature from the reactor, which is typically between 200 and 400 ° C. The heat contained in the synthesis gas is used to generate pure steam, which is used in the process - for example, as an insert to the reactor - or released as export steam at the plant boundaries.

Um Reindampf zu erzeugen, wird gewöhnlich entmineralisiertes Wasser importiert, das zwar weitgehend von mineralischen Verunreinigungen befreit ist, jedoch gelöste Gase enthält. Da insbesondere Sauerstoff in den mit Reindampf in Berührung kommenden Anlagenteilen, wie beispielsweise Dampfkesseln, zu Korrosion führen würde, werden die gelösten Gase aus dem entmineralisierten Wasser entfernt, bevor es als sog. Kesselspeisewasser der Verdampfung zugeführt wird. Nach dem Stand der Technik wird das entmineralisierte Wasser in einem Wärmetauscher gegen abzukühlendes Syntheserohgas bis nahe an seine Verdampfungstemperatur angewärmt und anschließend einer thermischen Entgasungseinrichtung zugeleitet, um gelöste Gase mit Hilfe von Dampf auszutreiben. Die Nutzung der im Syntheserohgas enthaltenen Wärme wird durch die maximal mögliche Vorwärmung des entmineralisierten Wassers begrenzt, die ihrerseits von dem Druck abhängt, mit dem das entmineralisierte Wasser der thermischen Entgasungseinrichtung zuführbar ist. Typischerweise wird die thermische Entgasungseinrichtung bei einem Druck von ca. 1,3 bar betrieben, so dass das entmineralisierte Wasser auf nicht mehr als ca. 98°C angewärmt werden kann, wobei das Syntheserohgas auf ca. 160°C abgekühlt wird. Um das Syntheserohgas weiter abzukühlen und um insbesondere Wasser auszukondensieren, wird ihm in nachfolgenden Verfahrensschritten beispielsweise in Luftwärmetauschern Wärme entzogen. Wegen ihres geringen Temperaturniveaus ist eine wirtschaftliche Nutzung dieser Wärme gewöhnlich nicht möglich, so dass sie mit der Kühlluft an die Atmosphäre abgegeben wird und dem Prozess verloren geht.To produce pure steam, demineralised water is usually imported, which is largely free of mineral impurities but contains dissolved gases. In particular, since oxygen in the pure steam coming into contact parts of the system, such as steam boilers, would lead to corrosion, the dissolved gases are removed from the demineralized water before it is fed as so-called boiler feed water to the evaporation. In the prior art, the demineralized water is heated in a heat exchanger against the synthesis gas to be cooled close to its vaporization temperature and then fed to a thermal degassing device to drive out dissolved gases by means of steam. The use of the heat contained in the synthesis gas is limited by the maximum possible preheating of the demineralized water, which in turn depends on the pressure at which the demineralized water of the thermal degassing device can be fed. Typically, the thermal degassing is operated at a pressure of about 1.3 bar, so that the demineralized water can be heated to not more than about 98 ° C, wherein the synthesis gas is cooled to about 160 ° C. In order to further cool the synthesis gas and in particular to condense out water, heat is removed from it in subsequent process steps, for example in air heat exchangers. Because of their low temperature level, an economic use of this heat is usually not possible, so that it is released with the cooling air to the atmosphere and the process is lost.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die es erlauben, einen größeren Teil der im heißen Prozessgas enthaltenen Wärme wirtschaftlich zu nutzen, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.Object of the present invention is therefore to provide a method and an apparatus of the type described above, which allow to economically use a larger part of the heat contained in the hot process gas, as is possible in the prior art.

Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das entmineralisierte Wasser vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas durch Membranentgasung von gelöstem Gas befreit wird.According to the invention, the stated object is achieved in that the demineralized water is freed from dissolved gas by membrane degassing before being heated against hot process gas.

Unter Membranentgasung ist ein Verfahren zur Abtrennung von gelösten Gasen aus Flüssigkeiten, insbesondere aus Wasser, unter Einsatz von Membrankontaktoren zu verstehen. Dieses Verfahren wird seit Jahren beispielsweise in der Getränkeindustrie eingesetzt, um Sauerstoff und/oder Kohlendioxid aus Flüssigkeiten zu entfernen. Die Membrankontaktoren weisen hydrophobe Membranen auf, auf deren einen Seite die zu entgasende Flüssigkeit geführt werden kann. Durch mikroskopisch kleine Poren gelangen die in der Flüssigkeit gelösten Gase auf die andere Seite der Membran, von wo sie, beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe, abgezogen werden können. Durch Membranentgasung ist es möglich, Flüssigkeiten auch bei niedrigen Temperaturen bis auf Restgehalte von wenigen ppb zu entgasen; auf eine Anwärmung der zu entgasenden Flüssigkeit kann daher im Allgemeinen verzichtet werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das entmineralisierte Wasser vor der Membranentgasung nicht angewärmt wird.Membrane degassing is understood to mean a process for the separation of dissolved gases from liquids, in particular from water, using membrane contactors. This method has been used for years, for example, in the beverage industry to remove oxygen and / or carbon dioxide from liquids. The membrane contactors have hydrophobic membranes, on one side of which the liquid to be degassed can be conducted. By microscopically small pores, the gases dissolved in the liquid reach the other side of the membrane, from where they can be withdrawn, for example by means of a pump. By membrane degassing, it is possible to degas liquids even at low temperatures to residual contents of a few ppb; Warming up of the liquid to be degassed can therefore generally be dispensed with. A preferred embodiment of the method according to the invention provides that the demineralized water is not heated prior to the membrane degassing.

In erster Linie wird die Membranentgasung zur Entfernung von gelöstem Sauerstoff aus dem entmineralisierten Wasser eingesetzt. Sinnvollerweise werden jedoch auch andere gelöste Gase, wie Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffe durch die Membranentgasung entfernt.First and foremost, membrane degassing is used to remove dissolved oxygen from the demineralized water. It makes sense, however, also other dissolved gases, such as carbon dioxide and / or hydrocarbons removed by the membrane degassing.

Die auf das entmineralisierte Wasser übertragbare Wärmemenge ist abhängig von der Verdampfungstemperatur des Wassers: je höher die Verdampfungstemperatur, umso mehr Wärme kann dem heißen Prozessgas entnommen und zu umso tieferen Temperaturen kann das Prozessgas abgekühlt werden. Da die Verdampfungstemperatur des entmineralisierten Wassers mit seinem Druck ansteigt, wird vorgeschlagen, im Anschluss an die Membranentgasung, die im Allgemeinen bei niedrigen Drücken durchgeführt wird, und noch vor seiner Anwärmung gegen das abzukühlende Prozessgas, den Druck des entmineralisierten Wassers anzuheben. Häufig wird das gegen heißes Prozessgas angewärmte entmineralisierte Wasser als sog. Kesselspeisewasser einem Dampferzeuger zugeführt und dort verdampft und ggf. überhitzt. Der dabei erzeugte sog. Reindampf wird als Exportdampf an einen externen Verbraucher abgegeben und/oder im Prozess selbst genutzt. In einem solchen Fall wird der Druck des entmineralisierten Wassers vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas zweckmäßigerweise auf den maximal möglichen Druck des Kesselspeisewassers angehoben.The amount of heat transferable to the demineralized water depends on the evaporation temperature of the water: the higher the evaporation temperature, the more heat can be taken from the hot process gas, and the lower the temperatures, the process gas can be cooled. As the evaporation temperature of the demineralized water increases with its pressure, it is proposed to increase the pressure of the demineralized water following the membrane degassing, which is generally carried out at low pressures, and prior to its warming up against the process gas to be cooled. Frequently, the demineralized water warmed to hot process gas is fed as a so-called boiler feed water to a steam generator where it is vaporized and possibly overheated. The so-called pure steam produced is released as export steam to an external consumer and / or used in the process itself. In such a case, the pressure of the demineralized water is raised prior to its warming against hot process gas expediently to the maximum possible pressure of the boiler feed water.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das entgaste entmineralisierte Wasser vor der Druckanhebung in einen als Vorlage für die zur Druckerhöhung eingesetzte Pumpe dienenden Behälter eingeleitet und dort zwischengespeichert wird. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Prozess anfallendes Reindampfkondensat in diesen Behälter entspannt wird.An embodiment of the method according to the invention provides that the degassed demineralized water is introduced before the pressure increase in a serving as a template for the pump used to increase pressure tank and cached there. A further embodiment of the method according to the invention provides that in the process accumulating pure steam condensate is released into this container.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Abkühlung von heißen Prozessgasen aller Arten. Mit besonderem Vorzug wird es jedoch zur Abkühlung von heißem Syntheserohgas, das durch Dampfreformierung oder partielle Oxidation aus kohlenstoffhaltigen Einsätzen gewonnen wird, oder heißem Spaltgas, das durch thermische Spaltung von langkettigen Kohlenwasserstoffen gewonnen wird, eingesetzt.The inventive method is suitable for cooling of hot process gases of all types. However, with particular preference it is used for cooling of hot synthesis gas, which is obtained by steam reforming or partial oxidation of carbonaceous inserts, or hot cracking gas, which is obtained by thermal cleavage of long-chain hydrocarbons.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abkühlung von heißem Prozessgas, aufweisend eine Wärmeübertragungseinrichtung, in der entmineralisiertes Wasser in indirektem Wärmetausch gegen heißes Prozessgas angewärmt werden kann.Furthermore, the invention relates to a device for cooling of hot process gas, comprising a heat transfer device can be warmed in the demineralized water in indirect heat exchange against hot process gas.

Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen stromaufwärts der Wärmeübertragungseinrichtung angeordneten Membrankontaktor aufweist, in dem das entmineralisierte Wasser von gelöstem Gas befreit werden kann.According to the invention, the stated object is achieved by having a membrane contactor arranged upstream of the heat transfer device, in which the demineralized water can be freed of dissolved gas.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Membrankontaktor zur Abtrennung von gelöstem Sauerstoff und/oder Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffen aus dem Kesselspeisewasser ausgelegt ist.An embodiment of the device according to the invention provides that the membrane contactor for the separation of dissolved oxygen and / or carbon dioxide and / or hydrocarbons from the boiler feed water is designed.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie eine stromabwärts des Membrankontaktors und stromaufwärts der Wärmeübertragungseinrichtung angeordnete Pumpe aufweist, mit deren Hilfe der Druck des im Membrankontaktor entgasten entmineralisierten Wassers angehoben werden kann.A further embodiment of the device according to the invention provides that it has a pump arranged downstream of the membrane contactor and upstream of the heat transfer device, with the aid of which the pressure of the demineralized water degassed in the membrane contactor can be raised.

Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie einen als Pumpenvorlage dienenden Behälter aufweist, in dem entgastes entmineralisiertes Wasser zwischengespeichert werden kann. Zweckmäßigerweise ist der Behälter als Entspannungsgefäß ausgeführt, in den im Prozess anfallendes Kondensat entspannt werden kann.Another embodiment of the device according to the invention provides that it has a container serving as a pump tank, can be cached in the degassed demineralized water. Conveniently, the container is designed as a flash vessel, can be relaxed in the resulting condensate in the process.

Durch die Erfindung kann heißes Prozessgas auf tiefere Temperaturen abgekühlt werden, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Dies ist mit wirtschaftlichen Vorteilen verbunden, da einerseits die im Prozessgas enthaltene Wärme effektiver genutzt werden kann und andererseits ein geringerer Aufwand erforderlich ist, um das Prozessgas auf seine Endtemperatur abzukühlen.By the invention, hot process gas can be cooled to lower temperatures than is possible in the prior art. This is associated with economic advantages, since on the one hand the heat contained in the process gas can be used more effectively and on the other hand less effort is required to cool the process gas to its final temperature.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.In the following, the invention is based on a in the 1 schematically illustrated embodiment.

Die 1 zeigt eine Einrichtung in der heißes Prozessgas, wie beispielsweise heißes Syntheserohgas, unter Erzeugung von Kesselspeisewasser abgekühlt wird.The 1 shows a device in which hot process gas, such as hot syngas, is cooled to produce boiler feed water.

Über Leitung 1 wird entmineralisiertes Wasser drucklos und mit einer Temperatur von typischerweise 20°C dem Membrankontaktor MK zugeführt. Das Wasser 1 ist zwar frei von mineralischen Stoffen, enthält jedoch Gase wie Sauerstoff, Kohlendioxid oder Kohlenwasserstoffe in gelöster Form. Der Membrankontaktor MK umfasst eine hydrophobe Membran M, an deren einen Seite das entmineralisierte Wasser geführt wird. Durch Mikroporen diffundieren vorwiegend die im Wasser gelösten Gase auf die andere Seite der Membran M, so dass über Leitung 2 aus dem Wasser 1 abgetrenntes Gas und über Leitung 3 entmineralisiertes und entgastes Wasser abgezogen werden können. Das entgaste Wasser 3, dessen Temperatur sich im Membrankontaktor MK allenfalls unwesentlich geändert hat, wird in den Behälter B eingeleitet und dort zwischengespeichert. Der Behälter B dient als Vorlage für die Pumpe P, mit deren Hilfe der Druck des entgasten Wassers 4 angehoben wird. Das mit erhöhtem Druck aus der Pumpe P austretende entgaste Wasser 5 wird im Wärmetauscher E gegen heißes Prozessgas 6 angewärmt und nachfolgend als Kesselspeisewasser 7 einem nicht dargestellten Dampferzeuger zugeführt, wo es zu Reindampf umgesetzt wird.Via wire 1 Demineralized water is fed without pressure and at a temperature of typically 20 ° C the membrane contactor MK. The water 1 Although it is free of mineral substances, it contains gases such as oxygen, carbon dioxide or hydrocarbons in dissolved form. The membrane contactor MK comprises a hydrophobic membrane M, on one side of which the demineralized water is conducted. Through micropores, mainly the gases dissolved in the water diffuse to the other side of the membrane M, so that via line 2 out of the water 1 separated gas and via pipe 3 demineralized and degassed water can be withdrawn. The degassed water 3 whose temperature has changed insignificantly in the membrane contactor MK at most, is introduced into the container B and cached there. The container B serves as a template for the pump P, with the help of the pressure of the degassed water 4 is raised. The with increased pressure from the pump P exiting degassed water 5 is in the heat exchanger E against hot process gas 6 warmed up and subsequently as boiler feed water 7 fed to a steam generator, not shown, where it is converted to pure steam.

Claims

A process for cooling hot process gas, wherein demineralized water is warmed in indirect heat exchange against hot process gas, characterized in that the demineralized water is freed from dissolved gas before being heated against hot process gas by membrane degassing.

A method according to claim 1, characterized in that the demineralized water is freed in the membrane degassing of oxygen and / or carbon dioxide and / or hydrocarbons.

Method according to one of claims 1 or 2, characterized in that the pressure of degassed demineralized water is raised before it is heated against hot process gas.

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the demineralized water is cached before being heated in a container.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that it is in the hot process gas to synthesis gas or cracking gas.

A device for cooling hot process gas, comprising a heat transfer device in which demineralized water can be heated in indirect heat exchange with hot process gas, characterized in that it comprises a membrane contactor arranged upstream of the heat transfer device, in which the demineralized water can be freed of dissolved gas.

Apparatus according to claim 7, characterized in that the membrane contactor for the separation of oxygen and / or carbon dioxide and / or hydrocarbons from the boiler feed water is designed.

Device according to one of claims 6 or 7, characterized in that it comprises a pump arranged downstream of the membrane contactor and upstream of the heat transfer means, by means of which the pressure of the demineralized water degassed in the membrane contactor can be increased.

Apparatus according to claim 8, characterized in that it has a serving as a pump reservoir container in which degassed, demineralized water can be cached.

Apparatus according to claim 9, characterized in that the container is designed as a flash vessel.