DE102012015340A1 - Process for the cryogenic separation of methane from synthesis gas, in particular oxo gas - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Methan aus einem Synthesegasstrom, insbesondere Oxogasstrom (21), aufweisend die Schritte: Ankondensieren des Synthesegasstromes (21), so dass eine methanabgereicherte gasförmige Synthesegasfraktion (22) und ein methanangereichertes CO-reiches Kondensat (23) entstehen, Abscheiden des Kondensats (23), und Trennen des Kondensats (23) in einer Kolonne (35) in eine CH4-reichen, flüssigen Stoffstrom (24) und einen methanabgereicherten, CO-reichen, gasförmigen Stoffstrom (25), Abziehen des CO-reichen Stoffstromes (25) aus dem Kopf der Kolonne (35), Verdichten des CO-reichen Stoffstromes (25), und Mischen des CO-reichen Stoffstromes (25) mit der methanabgereicherten Synthesegasfraktion (26).The invention relates to a method for separating methane from a synthesis gas stream, in particular oxogas stream (21), comprising the steps: condensing the synthesis gas stream (21) so that a methane-depleted gaseous synthesis gas fraction (22) and a methane-enriched CO-rich condensate (23) are formed , Separating the condensate (23), and separating the condensate (23) in a column (35) into a CH4-rich, liquid stream (24) and a methane-depleted, CO-rich, gaseous stream (25), withdrawing the CO rich stream (25) from the top of the column (35), compressing the CO-rich stream (25), and mixing the CO-rich stream (25) with the methane-depleted synthesis gas fraction (26).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Methan aus einem Synthese gas, insbesondere aus einem Oxogas.The invention relates to a method for the separation of methane from a synthesis gas, in particular from an oxo gas.
Ein derartiges Verfahren zur Abtrennung von Methan aus kohlenmonoxidhaltigen Synthesegasen wird z. B. in
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein alternatives Verfahren zur Reduzierung des Methangehalts eines Synthesegasstromes, insbesondere Oxogasstromes, zur Erzielung einer größeren Produktreinheit (H2 + CO) durch Anwendung eines einfachen kryogenen Prozesses zur Verfügung zu stellen. Bei einem Oxogas handelt es sich dabei um ein Synthesegas, das ein vordefiniertes H2/CO-Verhältnis, insbesondere nahe 1, aufweist (vgl. Tabelle 1).On this basis, the present invention seeks to provide an alternative method for reducing the methane content of a synthesis gas stream, in particular Oxogasstromes to achieve greater product purity (H 2 + CO) by applying a simple cryogenic process available. An oxo gas is a synthesis gas which has a predefined H 2 / CO ratio, in particular close to 1 (see Table 1).
Dieses Problem wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This problem is solved by a method having the features of claim 1.
Danach ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen, dass ein Synthesegasstrom (Feed), insbesondere in Form eines Oxogasstromes, partiell kondensiert wird, so dass eine methanabgereicherte (gasförmige) Synthesegasfraktion (hauptsächlich aufweisend CO und H2) und ein methanangereichertes, CO-reiches Kondensat (vergleichsweise geringer H2-Anteil) entstehen, wobei das Kondensat abgeschieden wird und in einer Kolonne in einen CH4-reichen, flüssigen Stoffstrom (Sumpfstrom) und einen entsprechend methanabgereicherten, CO-reichen gasförmigen Stoffstrom (Kopfstrom) getrennt wird, und wobei sodann der CO-reiche Stoffstrom aus dem Kopf der Kolonne abgezogen, verdichtet und mit der methanabgereicherten Synthesegasfraktion (Oxogasfraktion) unter Entstehung eines Synthesegasproduktstromes (z. B. definiert methanabgereichertes Oxogas mit definierter Reinheit bezüglich H2 und CO) gemischt wird.Thereafter, it is provided in the inventive method that a synthesis gas stream (feed), in particular in the form of a Oxogasstromes, is partially condensed, so that a methane-depleted (gaseous) synthesis gas fraction (mainly comprising CO and H 2 ) and a methane-enriched, CO-rich condensate ( comparatively low H 2 content), the condensate being separated off and separated in a column into a CH 4 -rich liquid stream (bottom stream) and a correspondingly methane-depleted, CO-rich gaseous stream (top stream), and then the CO-rich stream is withdrawn from the top of the column, compressed and mixed with the methane-depleted synthesis gas fraction (oxogas fraction) to form a synthesis gas product stream (eg, defined methane-depleted oxo gas of defined purity with respect to H 2 and CO).
Das Verfahren ermöglicht auf diese Weise mit Vorteil die Erzielung einer höheren Oxogasreinheit (H2 + CO) bei gleichzeitig hoher H2- und CO-Ausbeute.In this way, the process advantageously makes it possible to achieve a higher oxogas purity (H 2 + CO) with simultaneously high H 2 and CO yields.
Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Synthesegasstrom zum partiellen Kondensieren in einem ersten und einem nachfolgenden zweiten Wärmetauscher gegen vorhandene Prozessströme abgekühlt. Die beiden separaten Wärmetauscher können auch als ein einheitlicher (erster) Wärmetauscher ausgebildet sein.Preferably, in the method according to the invention, the synthesis gas stream for partial condensation is cooled in a first and a subsequent second heat exchanger against existing process streams. The two separate heat exchangers can also be designed as a uniform (first) heat exchanger.
Das entstehende Kondensat wird hiernach bevorzugt in einem Abscheider von der methanabgereicherten Synthesegasfraktion getrennt, vorzugsweise bei einer Temperatur in einem Bereich von –150°C bis –170°C, insbesondere etwa –165°C, wobei die besagte Synthesegasfraktion insbesondere über Kopf aus dem Abscheider abgezogen wird und daraufhin in den beiden Wärmetauschern angewärmt wird.The resulting condensate is thereafter preferably separated in a separator from the methane-depleted synthesis gas fraction, preferably at a temperature in a range of -150 ° C to -170 ° C, in particular about -165 ° C, said syngas fraction, in particular from the top of the separator is withdrawn and then warmed in the two heat exchangers.
Das erzeugte methanangereicherte, CO-reiche Kondensat wird vorzugsweise zur weiteren Trennung auf den Druck der mit dem Sumpf des Abscheiders verbundenen Kolonne entspannt und über den zweiten Wärmetauscher geführt, dort teilweise verdampft und in die besagte Kolonne (CO/CH4-Trennkolonne) gegeben, in der das Kondensat bevorzugt destillativ in den besagten CH4-reichen, flüssigen Stoffstrom (Sumpfstrom) und den besagten methanabgereicherten, CO-reichen gasförmigen Stoffstrom (Kopfstrom) getrennt wird, und zwar insbesondere bei einem Druck im Bereich von 10 bar bis 70 bar, insbesondere 10 bar bis 20 bar, insbesondere in etwa 14,5 bar.The produced methane-enriched, CO-rich condensate is preferably expanded for further separation to the pressure of the column connected to the bottom of the separator and passed over the second heat exchanger, where it partially evaporated and placed in said column (CO / CH4 separation column), in the condensate is preferably separated by distillation into said CH 4 -rich liquid stream (bottom stream) and said methane-depleted, CO-rich gaseous stream (top stream), in particular at a pressure in the range of 10 bar to 70 bar, in particular 10 bar to 20 bar, in particular in about 14.5 bar.
Zur Realisierung eines Reboilers (Umlaufverdampfers) der Kolonne wird aus dieser ein CH4-reicher flüssiger Stoffstrom (insbesondere von einem Boden der Kolonne oder aus einem Sumpf der Kolonne) abgezogen, in den zweiten Wärmetauscher geführt, dort verdampft und zurück in die Kolonne gegeben. Der Reboiler ist also in den zweiten Wärmetauscher integriert, kann aber alternativ auch in einem eigenen Wärmetauscher realisiert werden.To realize a reboiler (circulation evaporator) of the column, a CH 4 -rich liquid stream (in particular from a bottom of the column or from a bottom of the column) is withdrawn from this, passed into the second heat exchanger, evaporated there and added back into the column. The reboiler is thus integrated in the second heat exchanger, but can alternatively be realized in a separate heat exchanger.
Zum Kühlen der abzukühlenden Prozessströme, insbesondere des eingesetzten Synthesegasstromes (partielle Kondensation), kann z. B. Stickstoff verwendet werden, wobei insbesondere ein flüssiger erster N2-Strom in die beiden Wärmetauscher eingeleitet und dort gegen die besagten Prozessströme angewärmt, insbesondere verdampft werden kann. For cooling the process streams to be cooled, in particular the synthesis gas stream used (partial condensation), z. B. nitrogen can be used, in particular a liquid first N 2 stream introduced into the two heat exchangers and warmed there against the said process streams, in particular can be evaporated.
Mittels eines derartigen Kältemittels kann insbesondere auch ein Kopfkondensator der Kolonne betrieben werden, der zum Kondensieren des Kolonnenrücklaufs im Kopf der Kolonne dient. Hierbei kann ein flüssiger zweiter N2-Strom in einer den Kopfkondensator bildenden Leitung (Rohrschlange) durch den Kopf der Kolonne geführt und dabei verdampft werden, wobei jener zweite N2-Strom vorzugsweise zum weiteren Anwärmen dem ersten N2-Strom stromauf des zweiten Wärmetauschers zugegeben wird. Alternativ kann anstelle einer integrierten Rohrschlange als Kopfkondensator auch ein Plattenwärmetauscher oder ein externer Kondensator eingesetzt werden.By means of such a refrigerant, in particular, a top condenser of the column can be operated, which serves to condense the column reflux in the top of the column. In this case, a liquid second N 2 stream in a line forming the top condenser (tube coil) are passed through the top of the column and thereby vaporized, said second N 2 stream preferably for further heating the first N 2 stream upstream of the second heat exchanger is added. Alternatively, instead of an integrated tube coil, a plate heat exchanger or an external capacitor can also be used as top condenser.
Der CH4-reiche, flüssige Stoffstrom (Sumpfprodukt der Kolonne) wird vorzugsweise aus dem Sumpf der Kolonne abgezogen, in den beiden Wärmetauschern angewärmt und insbesondere an einer Anlagengrenze abgegeben. Der CH4-reiche Stoffstrom kann beispielsweise als Brennstoff verfeuert werden.The CH 4 -rich, liquid stream (bottom product of the column) is preferably withdrawn from the bottom of the column, warmed in the two heat exchangers and delivered in particular at a plant boundary. The CH 4 -rich material stream can be burned, for example, as fuel.
Der CO-reiche, aus dem Kopf der Kolonne abgezogene Stoffstrom wird schließlich bevorzugt in den beiden Wärmetauschern angewärmt und in einen nachfolgenden Verdichter geführt, in dem der CO-reiche Stoffstrom verdichtet und sodann mit der methanabgereicherten Synthesegasfraktion (Gasphase aus dem Abscheider) gemischt wird.The CO-rich, withdrawn from the top of the column stream is finally preferably heated in the two heat exchangers and fed into a subsequent compressor in which the CO-rich material stream is compressed and then mixed with the methane-depleted synthesis gas fraction (gas phase from the separator).
Die solchermaßen mit Vorteil hergestellte Mischung (Synthesegasproduktstrom) stellt ein Synthesegas (Oxogas) mit einem definiert reduzierten CH4-Gehalt sowie einer definierten Reinheit an (H2 + CO) dar.The thus advantageously prepared mixture (synthesis gas product stream) is a synthesis gas (oxo gas) with a defined reduced CH 4 content and a defined purity (H 2 + CO).
Bevorzugt sind vorliegend die beiden Wärmetauscher, der Abscheider sowie die Kolonne in einer Cold Box angeordnet bzw. stellen Komponenten einer Cold Box dar, die jene Komponenten isolierend umgibt, um Kälteverluste zu begrenzen.In the present case, the two heat exchangers, the separator and the column are preferably arranged in a cold box or constitute components of a cold box which surrounds those components in an insulating manner in order to limit cooling losses.
Gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Teil des Synthesegasstromes (Einsatz) an der besagten Cold Box vorbeigeführt werden (durchläuft also nicht die oben beschriebene Trennung) und mit dem aus der Cold Box kommenden, methanabgereicherten Synthesegasproduktstrom (Oxogasproduktstrom) vermischt werden. Soll die CH4-Spezifikation des vorgenannten Endproduktes dabei gehalten werden, muss entsprechend mehr CH4 im Trennprozess entfernt werden (siehe unten).According to a variant of the process according to the invention, part of the synthesis gas stream (feed) can be led past the said cold box (thus not passing through the separation described above) and mixed with the methane-depleted synthesis gas product stream (oxogas product stream) coming from the cold box. If the CH 4 specification of the abovementioned end product is to be kept, more CH 4 must be removed during the separation process (see below).
Weiterhin kann der zum Kühlen verwendete Stickstoff auch in einem geschlossenen Kreislauf bewegt werden und muss dann z. B. nicht von einer Anlagengrenze herangeführt werden.Furthermore, the nitrogen used for cooling can also be moved in a closed circuit and then z. B. are not introduced by a plant boundary.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung bzw. Anlage zur Abtrennung von Methan aus einem Synthesegas, insbesondere Oxogas, insbesondere zur Verwendung bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Another idea of the invention is to provide a device or plant for the separation of methane from a synthesis gas, in particular oxo gas, in particular for use in carrying out the method according to the invention.
Danach weist eine derartige Vorrichtung (Anlage) einen ersten und einen zweiten Wärmetauscher zum Ankondensieren eines Synthesegasstromes (Oxogasstromes) auf, die auch als ein einheitlicher Wärmetauscher ausgebildet sein können (siehe oben), so dass eine methanabgereicherte (gasförmige) Synthesegasfraktion und ein methanangereichertes CO-reiches Kondensat entstehen, wobei die Wärmetauscher mit einem Abscheider verbunden sind, der zum Abscheiden des Kondensats ausgebildet ist, wobei ein Sumpf des Abscheiders mit einem Einlass einer Kolonne verbunden ist, so dass das Kondensat aus dem Sumpf des Abscheiders in die Kolonne einleitbar ist, wobei die Kolonne zum Trennen des Kondensats in einen CH4-reichen, flüssigen Stoffstrom (Sumpfstrom) und einen methanabgereicherten, CO-reichen, gasförmigen Stoffstrom (Kopfstrom) ausgebildet ist, wobei ein Kopf der Kolonne, über die beiden Wärmetauscher mit einem Verdichter verbunden ist, so dass der CO-reiche Stoffstrom zum Anwärmen des CO-reichen Stoffstromes über die Wärmetauscher in den Verdichter führbar und dort verdichtbar ist, und wobei der Verdichter in eine vom Kopf des Abscheiders abgehende Leitung einmündet, so dass der verdichtete CO-reiche Stoffstrom mit der methanabgereicherten Synthesegasfraktion vermischbar ist, wobei jene Leitung dazu ausgebildet ist, die aus dem Kopf des Abscheiders stammende, methanabgereicherte Synthesegasfraktion zum Anwärmen über die beiden Wärmetauscher zu führen.Thereafter, such a device (plant) has a first and a second heat exchanger for condensing a synthesis gas stream (Oxogasstromes), which may also be formed as a uniform heat exchanger (see above), so that a methane-depleted (gaseous) synthesis gas fraction and a methane-enriched CO rich condensate arise, wherein the heat exchangers are connected to a separator, which is designed for separating the condensate, wherein a bottom of the separator is connected to an inlet of a column, so that the condensate from the bottom of the separator is introduced into the column, wherein the column for separating the condensate into a CH 4 -rich liquid stream (bottom stream) and a methane-depleted, CO-rich, gaseous stream (top stream) is formed, wherein a head of the column is connected via the two heat exchangers with a compressor, so that the CO-rich material flow for heating the CO-r oak stream can be guided through the heat exchanger in the compressor and there compressible, and wherein the compressor opens into an outgoing from the head of the separator line so that the compressed CO-rich stream is miscible with the methane-depleted synthesis gas fraction, said conduit is adapted to to pass the methane-depleted synthesis gas fraction originating from the top of the separator over the two heat exchangers for heating.
Bevorzugt sind die beiden Wärmetauscher, der Abscheider und die Kolonne in einer Cold Box angeordnet (siehe oben).Preferably, the two heat exchangers, the separator and the column are arranged in a cold box (see above).
Weiterhin weist die Kolonne bevorzugt einen Reboiler (Umlaufverdampfer) auf, der vorzugsweise durch den zweiten Wärmetauscher gebildet ist bzw. in diesen integriert ist. Der Reboiler weist insbesondere eine Leitung auf, über die ein CH4-reicher flüssiger Stoffstrom aus der Kolonne abziehbar und in den zweiten Wärmetauscher einleitbar ist, sowie eine weitere Leitung für den Rücklauf der im Wärmetauscher verdampften Komponenten des CH4-reichen Stoffstromes in die Kolonne. Furthermore, the column preferably has a reboiler (circulation evaporator), which is preferably formed by the second heat exchanger or integrated into it. The reboiler has, in particular, a line, via which a CH 4 -rich liquid stream can be withdrawn from the column and introduced into the second heat exchanger, and a further line for the return of the components of the CH 4 -rich material stream evaporated in the heat exchanger into the column ,
Weiterhin weist die Kolonne vorzugsweise einen Kopfkondensator auf, insbesondere zum Kondensieren des Kolonnenrücklaufs, wobei jener Kopfkondensator vorzugsweise eine im Kopf der Kolonne angeordnete Rohrschlange zur Aufnahme eines Kältemittelstromes (z. B. Stickstoff) aufweist. Die Vorrichtung kann insbesondere dazu ausgebildet sein, einen von der Anlagengrenze herangeführten Kältemittelstrom in einen ersten Kältemittelteilstrom (N2-Strom) und einen zweiten Kältemittelteilstrom (N2-Strom) zu teilen, wobei die Vorrichtung (Anlage) insbesondere dazu ausgebildet ist, den ersten Kältemittelteilstrom in den beiden Wärmetauschern zur Kältebereitstellung für abzukühlende Prozessströme zu verdampfen, und wobei die Vorrichtung insbesondere dazu ausgebildet ist, den zweiten Kältemittelteilstrom durch die besagte Leitung (Rohrschlange) des Kopfkondensators zu führen, dort zu verdampfen und zum weiteren Anwärmen in den ersten Kältemittelteilstrom (z. B. stromauf des zweiten Wärmetauschers) zurückzugeben.Furthermore, the column preferably has a top condenser, in particular for condensing the column reflux, wherein that head condenser preferably has a tube coil arranged in the top of the column for receiving a refrigerant stream (eg nitrogen). The device may be designed, in particular, to divide a refrigerant stream brought from the boundary of the plant into a first partial refrigerant flow (N 2 flow) and a second partial refrigerant flow (N 2 flow), the device (system) being designed in particular to accommodate the first Refrigerant partial flow to evaporate in the two heat exchangers for cooling for cooling process streams, and wherein the device is in particular adapted to lead the second partial refrigerant flow through said line (coil) of the top condenser, evaporate there and for further heating in the first partial refrigerant flow (z B. upstream of the second heat exchanger).
Schließlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung (Anlage) dazu ausgebildet sein, ein Teil des Synthesegasstromes über eine Überbrückungsleitung an der Cold Box vorbeizuführen und mit dem aus der Cold Box kommenden Synthesegasproduktstrom (Oxogasproduktstrom) zu mischen.Finally, the device according to the invention (system) can be designed to pass a portion of the synthesis gas stream via a bypass line to the cold box and to mix it with the synthesis gas product stream (oxogas product stream) coming from the cold box.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen durch die nachfolgende Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels und dessen Varianten anhand der Figur erläutert werden.Further details and advantages of the invention will be explained by the following description of an embodiment and its variants with reference to the figure.
Es zeigt:It shows:
Gemäß
Ein so entstehender Zweiphasenstrom wird in einen nachfolgenden Abscheider
Die Gasphase
Das Sumpfprodukt
Am Kopf der Kolonne
Der Kältebedarf des vorstehend beschriebenen Prozesses wird bevorzugt durch flüssiges N2
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt insbesondere darin, dass der Großteil des eingesetzten Oxogasstromes (Einsatz)
Die Adsorber
In einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, einen Teil des Einsatzgases
In einer weiteren Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, anstatt flüssigem N2 von der Anlagengrenze einen Kältekreislauf z. B. mit N2 zu verwenden, um die benötigte Kälte für den vorstehend beschriebenen Trennprozess zur Verfügung zu stellen.In a further modification of the method according to the invention is provided, instead of liquid N 2 from the plant boundary a refrigeration cycle z. B. with N2 to provide the required cold for the separation process described above.
Wie eingangs bereits dargelegt, ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Oxogas als Einsatzstoff beschränkt, sondern kann auch für die CH4-Abtrennung anderer Synthesegase verwendet werden. Der beschriebene Prozess ist weiterhin nicht auf den vorstehend angegebenen Einsatzdruck beschränkt. Bezugszeichenliste
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