DE102012020469A1 - Method for separating methane from methane-containing synthesis gas in separation unit, involves feeding capacitor with secondary portion of refrigerant of outlet temperature to intermediate temperature and cooling to lower temperature - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Methan aus einem methanhaltigen Synthesegas sowie eine entsprechende Vorrichtung.The present invention relates to a method for the separation of methane from a methane-containing synthesis gas and a corresponding device.
Stand der TechnikState of the art
Synthesegase, die durch bekannte Verfahren aus Kohle, Erdöl oder Erdgas hergestellt werden, enthalten in der Regel nach einer Entfernung von Sauergas neben den erwünschten Komponenten Wasserstoff und Kohlenmonoxid auch noch Methan mit einem typischen Anteil von 3 bis 30 Vol.% sowie geringere Mengen weiterer Komponenten. Hierbei handelt es sich beispielsweise um jeweils weniger als 1 Vol.% Stickstoff, Sauerstoff, Argon, Kohlendioxid und Ethan. Da insbesondere Methan im Synthesegas unerwünscht ist, wird es üblicherweise abgetrennt.Synthesis gases, which are produced by known methods from coal, oil or natural gas, usually after removal of sour gas in addition to the desired components hydrogen and carbon monoxide and methane still with a typical proportion of 3 to 30 vol.% And smaller amounts of other components , These are, for example, each less than 1 vol.% Nitrogen, oxygen, argon, carbon dioxide and ethane. In particular, since methane is undesirable in the synthesis gas, it is usually separated.
Die Abtrennung von Methan aus methanhaltigem Synthesegas kann in einer Tieftemperaturzerlegungsanlage erfolgen. Diese kann mit einem Kältekreislauf betrieben werden, in dem ein Kältemittel, beispielsweise mehrstufig und unter Zwischen- und Nachkühlung, verdichtet wird. Das verdichtete Kältemittel kann dann in einem oder mehreren Wärmetauschern abgekühlt werden. Das verdichtete und abgekühlte Kältemittel wird anschließend kälteleistend entspannt.The separation of methane from methane-containing synthesis gas can be carried out in a cryogenic separation plant. This can be operated with a refrigeration cycle in which a refrigerant, for example, multi-stage and under intermediate and aftercooling, is compressed. The compressed refrigerant may then be cooled in one or more heat exchangers. The compressed and cooled refrigerant is then released cold-performance.
Ein Verfahren und ein System zur Abtrennung von Methan aus methanhaltigem Synthesegas ist beispielsweise aus
Insbesondere in Fällen, in denen in entsprechenden Anlagen flüssiges Kältemittel oder entsprechende Zweiphasengemische benötigt werden, erweisen sich bekannte Verfahren als ineffizient, weil die Erzeugung und/oder Handhabung solcher Gemische, d. h. deren Verdichtung, Abkühlung, Entspannung und/oder Weiterleitung, häufig mit beträchtlichem Aufwand einhergeht.In particular, in cases in which liquid refrigerant or corresponding two-phase mixtures are required in corresponding plants, known processes prove to be inefficient because the production and / or handling of such mixtures, ie. H. their compression, cooling, relaxation and / or transmission, often associated with considerable effort.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, effizientere Möglichkeiten zur Methanabtrennung aus einem methanhaltigen Synthesegas aufzuzeigen.The invention is therefore based on the object to show more efficient ways to methane separation from a methane-containing synthesis gas.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Abtrennung von Methan aus einem methanhaltigen Synthesegas sowie eine entsprechende Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der jeweiligen abhängigen Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes a method for the separation of methane from a methane-containing synthesis gas and a corresponding device with the features of the independent claims. Preferred embodiments are the subject of the respective dependent claims and the following description.
In der vorliegenden Anmeldung werden Stoffe und Stoffgemische in einer Anlage bzw. einem Verfahren, beispielsweise Synthesegas und Kältemittel, als ”Ströme” und ”Fraktionen” bezeichnet. Ein Strom wird üblicherweise als Fluid in einer hierfür eingerichteten Leitung geführt. Eine Fraktion bezeichnet üblicherweise einen aus einem Ausgangsgemisch abgetrennten Anteil des Ausgangsgemischs. Eine Fraktion kann jederzeit einen entsprechenden Strom bilden, wenn sie entsprechend geführt wird. Ein Strom kann umgekehrt beispielsweise zur Bereitstellung eines Ausgangsgemischs dienen, aus welchem eine Fraktion abgetrennt werden kann.In the present application, substances and mixtures of substances in a plant or a process, for example, synthesis gas and refrigerants, referred to as "streams" and "fractions". A stream is usually routed as fluid in a conduit designed for this purpose. A fraction usually denotes a portion of the starting mixture separated from a starting mixture. A political group can generate a corresponding current at any time if it is managed accordingly. Conversely, for example, a stream can serve to provide a starting mixture from which a fraction can be separated.
Ein Strom oder eine Fraktion kann ”reich” oder ”arm” an einer oder an mehreren enthaltenen Komponenten sein, wobei ”reich” für einen Anteil von mehr als 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 99,5% oder 99,9% und ”arm” für einen Anteil von weniger als 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 1%, 0,5% oder 0,1%, jeweils bezogen auf eine Gewichts- oder Volumenbasis, stehen kann.A stream or fraction may be "rich" or "poor" in one or more of its contained components, with "rich" accounting for greater than 75%, 80%, 85%, 90%, 95%, 99%, 99.5% or 99.9% and "poor" for less than 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 1%, 0.5% or 0.1%, respectively a weight or volume basis, can stand.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Die Erfindung ist beispielsweise in einem Verfahren zur Abtrennung von Methan aus einem methanhaltigen Synthesegas einsetzbar, bei dem aus dem Synthesegas in einer ersten Trennkolonne eine methanreiche und kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion kryogen abgeschieden und aus der Sumpffraktion in einer zweiten Trennkolonne, die einen Kondensator aufweist, Kohlenmonoxid desorbiert wird. Eine hierfür einsetzbare Tieftemperaturzerlegungsanlage wurde von der Anmelderin entwickelt und ist Gegenstand einer parallelen Patentanmeldung. Sie ist teilweise in der
Das methanhaltige Synthesegas kann in einer derartigen Tieftemperaturzerlegungsanlage zunächst durch Wärmetausch abgekühlt werden. Aus dem abgekühlten methanhaltigen Synthesegas wird in der ersten Trennkolonne eine methanreiche und kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion kryogen abgeschieden. Die methanreiche und kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion wird in die zweite Trennkolonne überführt, in der das Kohlenmonoxid weitgehend aus der Sumpffraktion desorbiert (ausgestrippt) wird. Dabei werden unter anderem eine kohlendioxidarme Methanfraktion und ein kohlenmonoxidreicher Kopfstrom erhalten. Letzterer kann als Rücklauf in die erste Trennkolonne zurückgeführt werden.The methane-containing synthesis gas can initially be cooled by heat exchange in such a cryogenic separation plant. From the cooled methane-containing synthesis gas, a methane-rich and carbon monoxide-containing bottom fraction is cryogenically precipitated in the first separation column. The methane-rich and carbon monoxide-containing bottom fraction is transferred to the second separation column, in which the carbon monoxide is largely desorbed (stripped off) from the bottom fraction. Among other things, a low-carbon methane fraction and a carbon monoxide-rich overhead stream are obtained. The latter can be recycled as reflux into the first separation column.
Die Tieftemperaturzerlegungsanlage umfasst einen Kältemittelkreislauf mit einem Kältemittel, beispielsweise Stickstoff. In diesem wird das Kältemittel beispielsweise mehrstufig und unter Zwischen- und Nachkühlung von einem niedrigen Ausgangsdruck auf einen hohen Enddruck verdichtet. Das verdichtete Kältemittel wird dann von der Ausgangstemperatur in einem ersten Wärmetauscher, der auch zur Abkühlung des methanhaltigen Synthesegases verwendet wird, auf eine niedrigere Zwischentemperatur abgekühlt.The cryogenic separation plant comprises a refrigerant circuit with a refrigerant, for example nitrogen. In this, the refrigerant is compressed, for example, multi-stage and intermediate and after-cooling of a low outlet pressure to a high final pressure. The compressed refrigerant is then cooled from the initial temperature in a first heat exchanger, which is also used to cool the methane-containing synthesis gas, to a lower intermediate temperature.
Ein erster Anteil des auf die Zwischentemperatur abgekühlten Kältemittels wird in einem zweiten Wärmetauscher, der ebenfalls zur Abkühlung des methanhaltigen Synthesegases verwendet wird, unmittelbar weiter auf eine nochmals niedrigere Endtemperatur abgekühlt. Ein zweiter Anteil des auf die Zwischentemperatur abgekühlten Kältemittels wird dagegen nicht auf die Endtemperatur abgekühlt sondern einem Sumpfaufkocher und einem Seitenverdampfer der zweiten Trennkolonne zugeführt. Auch hier kühlt das Kältemittel in gewissem Umfang ab. Die beiden Anteile des Kältemittels werden anschließend wieder vereinigt. Hierdurch wird ein Kältemittelstrom erhalten, dessen Temperatur sich aus den Beiträgen der beiden Anteile zusammensetzt.A first portion of the cooled to the intermediate temperature refrigerant is cooled directly in a second heat exchanger, which is also used to cool the methane-containing synthesis gas to an even lower final temperature. A second portion of the cooled to the intermediate temperature refrigerant, however, is not cooled to the final temperature but fed to a bottom reboiler and a side evaporator of the second separation column. Again, the refrigerant cools to some extent. The two parts of the refrigerant are then reunited. As a result, a refrigerant flow is obtained whose temperature is composed of the contributions of the two shares.
Der Kältemittelstrom wird dann in einem Expander kälte- und arbeitsleistend entspannt und in einen Kondensator der zweiten Trennkolonne eingespeist. Der Kondensator ist beispielsweise als Kopfkondensator ausgebildet. Das Kältemittel kondensiert bei der Entspannung teilweise aus. Der sich aufgrund der Entspannung ergebende Druck wird im Rahmen dieser Anmeldung als Einspeisedruck bezeichnet.The refrigerant flow is then expanded in an expander cold and work and fed into a condenser of the second separation column. The capacitor is designed, for example, as a top condenser. The refrigerant partially condenses during relaxation. The resulting due to the relaxation pressure is referred to in the context of this application as feed pressure.
Der Kondensator der zweiten Trennkolonne, der zur Kühlung eines kopfseitig der zweiten Trennkolonne abgezogenen Fluids verwendet wird, wird also dadurch gekühlt, dass ein verdichteter und abgekühlter Kältemittelstrom auf einen Einspeisedruck entspannt und in den Kondensator eingespeist wird, wodurch sich der Kältemittelstrom abkühlt. Hierdurch wird der Kältemittelstrom zumindest teilweise verflüssigt. Ein weiterer verdichteter und abgekühlter Kältemittelstrom wird zum Betrieb eines Expanders verwendet. In dem Expander wird der Kältemittelstrom kälte- und arbeitsleistend entspannt.The condenser of the second separation column, which is used for cooling a head side of the second separation column withdrawn fluid is thus cooled by a compressed and cooled refrigerant flow is expanded to a feed pressure and fed into the condenser, whereby the refrigerant flow cools. As a result, the refrigerant flow is at least partially liquefied. Another compressed and cooled refrigerant flow is used to operate an expander. In the expander, the refrigerant flow is released in a cold-working and working capacity.
Das teilweise auskondensierte Kältemittel kann nach der Entnahme aus dem Kondensator erwärmt und vollständig verdampft werden. Es weist hiernach wieder seinen Ausgangsdruck und seine Ausgangstemperatur auf und kann erneut, wie erläutert, auf den Enddruck verdichtet werden. Der Kältemittelkreislauf ist damit geschlossen.The partially condensed refrigerant can be heated after removal from the condenser and completely evaporated. It has hereafter back to its output pressure and its initial temperature and can again, as explained, be compressed to the final pressure. The refrigerant circuit is closed.
Zur Kühlung des Kondensators ist ein bestimmter Flüssiganteil des auf den Einspeisedruck entspannten Kältemittels erforderlich, weil der Kondensator zur Kühlung einer Kopffraktion aus der zweiten zweiten Trennkolonne einen getauchten Wärmetauscher aufweist, der im Betrieb von Flüssigkeit bedeckt sein muss. Dieser Flüssiganteil des Kältemittels, der am Ausgang des verwendeten Expanders vorliegt, verschlechtert jedoch dessen Wirkungsgrad. Außerdem ist in dem erläuterten Verfahren der maximal verwendbare Ausgangsdruck des Kältemittels limitiert, weil unter anderem aufgrund des steigenden Flüssiganteils in dem auf den Einspeisedruck entspannten Kältemittels in der Leitung zum Kondensator einen Druckverlust verursacht. Daher wird relativ viel Kreislaufenergie benötigt, um das Kältemittel jeweils auf seinen Enddruck zu verdichten. Die benötigten Verdichter sind entsprechend teuer.For cooling the condenser, a certain amount of liquid of the refrigerant depressurized to the feed pressure is required because the condenser for cooling a top fraction from the second second separating column has a submerged heat exchanger which must be covered by liquid during operation. However, this liquid content of the refrigerant, which is present at the output of the expander used deteriorates its efficiency. In addition, the maximum usable output pressure of the refrigerant is limited in the described method, because inter alia due to the increasing liquid content in the relaxed to the feed pressure refrigerant in the line to the condenser causes a pressure loss. Therefore, a relatively large amount of cycle energy is required to compress the refrigerant to its final pressure. The required compressors are correspondingly expensive.
In allgemeinerer Formulierung handelt es sich also um ein Verfahren zur Abtrennung von Methan aus einem methanhaltigen Synthesegas in einer Tieftemperaturzerlegungsanlage, die einen Kältemittelkreislauf mit wenigstens einem Expander und wenigstens eine Trennkolonne mit einem Kondensator aufweist, wobei der wenigstens eine Expander und der Kondensator jeweils mit verdichteten und abgekühlten Anteilen eines Kältemittels aus dem Kältemittelkreislauf gespeist werdenIn more general terms, it is a method for separating methane from a methane-containing synthesis gas in a cryogenic separation plant having a refrigerant circuit with at least one expander and at least one separation column with a condenser, wherein the at least one expander and the capacitor each with compressed and cooled portions of a refrigerant can be fed from the refrigerant circuit
Erfindungsgemäß ist nun vorgesehen, den Expander mit einem ersten Anteil des Kältemittels zu speisen, der von einer Ausgangstemperatur auf eine Zwischentemperatur abgekühlt wurde, und den Kondensator mit einem zweiten Anteil des Kältemittels zu speisen, der von der Ausgangstemperatur zunächst ebenfalls auf die Zwischentemperatur und dann weiter auf eine tiefere Endtemperatur abgekühlt wurde. Der erste Anteil und der zweiten Anteil werden dabei vorzugsweise als gemeinsamer Kältemittelstrom auf die Zwischentemperatur gekühlt.According to the invention it is now provided to feed the expander with a first portion of the refrigerant, which was cooled from an initial temperature to an intermediate temperature, and to feed the capacitor with a second portion of the refrigerant, the first from the initial temperature also to the intermediate temperature and then on was cooled to a lower final temperature. The first portion and the second portion are preferably cooled as a common refrigerant flow to the intermediate temperature.
Im Gegensatz zu einer Anlage, wie sie zuvor erläutert wurde, wird damit der verwendete Kondensator, der einen gewissen Flüssiganteil eines eingespeisten Kältemittels erfordert, nicht über den Expander gespeist sondern beispielsweise über ein hierfür vorgesehenes Entspannungsventil. Der Expander seinerseits wird, ebenfalls abweichend zum Betrieb einer zuvor erläuterten Anlage, hingegen mit einem Anteil des Kältemittels betrieben, der zuvor nicht auf die Endtemperatur abgekühlt wurde und daher wärmer ist.In contrast to a plant, as has been explained above, so that the capacitor used, which requires a certain liquid content of a refrigerant fed, not fed via the expander but, for example, via an expansion valve provided for this purpose. The expander, for its part, is also operated differently from the operation of a previously described system, by contrast with a proportion of the refrigerant which has not previously been cooled to the final temperature and is therefore warmer.
Vorteilhafterweise wird, wie erwähnt, zum Einspeisen des zweiten Anteils des Kältemittels in den Kondensator ein Entspannungsventil verwendet, mit dem der zweite Anteil des Kältemittels auf einen Einspeisedruck entspannt und hierdurch zumindest teilweise verflüssigt wird. Im Gegensatz zu einem Expander kann ein Entspannungsventil unproblematisch auch zur Bereitstellung von teilweise verflüssigten Kältemittelströmen verwendet werden. Der weiterhin vorhandene Expander kann hingegen vollständig mit gasförmigen Strömen arbeiten. Der Wirkungsgrad erhöht sich hierdurch.Advantageously, as mentioned, for feeding the second portion of the refrigerant into the condenser, an expansion valve is used with which the second portion of the refrigerant is expanded to a feed pressure and thereby at least partially liquefied. In contrast to an expander, an expansion valve can also be easily used to provide partially liquefied refrigerant flows. The still existing expander, however, can work completely with gaseous streams. The efficiency increases as a result.
Vorteilhafterweise wird zur Abkühlung des ersten und des zweiten Anteils des Kältemittels von der Ausgangstemperatur auf die Zwischentemperatur zumindest ein erster Wärmetauscher und zur weiteren Abkühlung des zweiten Anteils des Kältemittels von der Zwischentemperatur auf die Endtemperatur ein zweiter Wärmetauscher verwendet. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Plattenwärmetauscher, die jeweils mehrere Fluide kühlen bzw. erwärmen können, so dass sich der apparative Aufwand verringert und Wärmeverluste reduziert werden können. Bei der Kühlung des ersten und zweiten Anteils auf die Zwischentemperatur können dabei, wie nachfolgend erläutert, noch weitere Wärmetauscher beteiligt sein. Advantageously, at least one first heat exchanger and for further cooling of the second portion of the refrigerant from the intermediate temperature to the final temperature, a second heat exchanger is used for cooling the first and the second portion of the refrigerant from the starting temperature to the intermediate temperature. These are preferably plate heat exchangers, each of which can cool or heat a plurality of fluids, so that the expenditure on equipment is reduced and heat losses can be reduced. When cooling the first and second portion to the intermediate temperature can, as explained below, still be involved in other heat exchangers.
So wird vorteilhafterweise auch das methanhaltige Synthesegas vor einer Einspeisung in die erste Trennkolonne in dem ersten und dann in dem zweiten Wärmetauscher abgekühlt. Sowohl der Kälte- und Wärmebedarf der zweiten Trennkolonne als auch die zur Abkühlung des methanhaltigen Synthesegases erforderliche Kälte können damit aus einem gemeinsamen Kältekreislauf bedient werden. Vorzugsweise werden die in dem erläuterten Expander und gegebenenfalls die in einem oder mehreren weiteren Expandern freiwerdende Entspannungskälte dazu verwendet, das methanhaltige Synthesegas zu kühlen. Ein aus dem methanhaltigen Synthesegas durch Abtrennung von Methan erhaltenes Synthesegasprodukt kann im Gegenstrom zu dem methanhaltigen Synthesegas ebenfalls durch die Wärmetauscher geführt werden.Thus, advantageously, the methane-containing synthesis gas is cooled before being fed into the first separation column in the first and then in the second heat exchanger. Both the cooling and heat requirements of the second separation column and the cold required for cooling the methane-containing synthesis gas can thus be operated from a common refrigeration cycle. Preferably, the expansion refrigeration released in the illustrated expander and optionally the expansion refrigeration released in one or more further expanders are used to cool the methane-containing synthesis gas. A synthesis gas product obtained from the methane-containing synthesis gas by separation of methane can also be passed through the heat exchangers in countercurrent to the methane-containing synthesis gas.
Mit besonderem Vorteil wird in dem Verfahren wenigstens ein weiter Wärmetauscher verwendet, in dem ein in einer definierten Entnahmehöhe der zumindest einen Trennkolonne entnommenes Fluid erwärmt wird. Hierbei kann ein weiterer Wärmetauscher beispielsweise als sogenannter Sumpfaufkocher ausgebildet sein, wobei in dem Sumpfaufkocher ein bodenseitig der zweiten Trennkolonne abgezogenes Fluid erwärmt und gegebenenfalls verdampft werden kann. Ferner kann ein weiterer Wärmetauscher in Form eines sogenannten Seitenverdampfers vorgesehen sein. In diesem kann ein beispielsweise in einem Trennboden abgezogenes Fluid erwärmt und gegebenenfalls verdampft werden. Durch die Verwendung entsprechender Wärmetauscher vergrößert sich die Trenneffizienz in der zweiten Trennkolonne.With particular advantage, at least one further heat exchanger is used in the process in which a fluid removed at a defined removal height of the at least one separation column is heated. In this case, a further heat exchanger may be formed, for example, as a so-called bottom reboiler, wherein in the bottom reboiler, a fluid withdrawn from the bottom of the second separation column may be heated and optionally evaporated. Furthermore, a further heat exchanger may be provided in the form of a so-called side evaporator. In this, a withdrawn, for example, in a separating bottom fluid heated and optionally evaporated. By using appropriate heat exchangers, the separation efficiency increases in the second separation column.
Vorteilhafterweise kann in dem wenigstens einen weiteren Wärmetauscher zumindest ein Teil des in dem ersten Wärmetauscher abgekühlten ersten und zweiten Anteils des Kältemittels weiter abgekühlt werden. Mit anderen Worten wird dabei zur Erwärmung des in der wenigstens einen definierten Entnahmehöhe der zweiten Trennkolonne entnommenen Fluids, beispielsweise in einem Sumpfaufkocher, das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs verwendet. Hierdurch kann dessen Temperatur abgesenkt und die bei der Erwärmung des in der wenigstens einen definierten Entnahmehöhe der zweiten Trennkolonne entnommenen Fluids freiwerdende Kälte effizient genutzt werden.Advantageously, at least a portion of the first and second portions of the refrigerant cooled in the first heat exchanger may be further cooled in the at least one further heat exchanger. In other words, the refrigerant of the refrigerant circuit is used for heating the fluid withdrawn in the at least one defined removal height of the second separation column, for example in a bottom reboiler. In this way, its temperature can be lowered and the cold released during the heating of the fluid removed in the at least one defined removal height of the second separation column can be used efficiently.
In dem wenigstens einen weiteren Wärmetauscher kann alternativ oder zusätzlich auch das in dem ersten Wärmetauscher abgekühlte methanhaltige Synthesegas weiter abgekühlt und damit gleichzeitig das der zweiten Trennkolonne entnommene Fluid erwärmt werden. Hierdurch reduziert sich die zur Abkühlung des methanhaltigen Synthesegases erforderliche Energie.In the at least one further heat exchanger, alternatively or additionally, the methane-containing synthesis gas which has been cooled in the first heat exchanger can be further cooled and, at the same time, the fluid removed from the second separation column can be heated. This reduces the energy required to cool the methane-containing synthesis gas.
Auch kann vorteilhaft sein, in einem derartigen Verfahren in dem zweiten Wärmetauscher zumindest ein Teil der in der ersten Trennkolonne abgeschiedenen kohlenmonoxidhaltigen Sumpffraktion zu erwärmen. Hierdurch kann auf einen anderenfalls erforderlichen weiteren Wärmetauscher (Sumpfaufkocher und/oder Seitenverdampfer) verzichtet werden.It may also be advantageous to heat at least a portion of the carbon monoxide-containing bottoms fraction deposited in the first separation column in such a process in the second heat exchanger. As a result, it is possible to dispense with an otherwise required further heat exchanger (bottom reboiler and / or side evaporator).
In einem entsprechenden Verfahren wird vorteilhafterweise der erste Anteil des Kältemittels in dem Expander arbeits- und/oder kälteleistend entspannt und anschließend kaltseitig in den zweiten Wärmetauscher eingespeist. Wie erwähnt, kann damit eine in dem Expander erzeugte Expansionskälte effizient genutzt werden. Weil der Expander nur mit Gas betrieben wird, arbeitet dieser mit höherem Wirkungsgrad.In a corresponding method, advantageously, the first portion of the refrigerant is expelled in the expander working and / or cold-performing and then fed cold side into the second heat exchanger. As mentioned, an expansion cooling generated in the expander can be used efficiently. Because the expander is only operated with gas, it works with higher efficiency.
Besondere Vorteile ergeben sich, wenn ein Anteil der in der ersten Trennkolonne abgeschiedenen methanreichen und kohlenmonoxidhaltigen Sumpffraktion in dem zweiten Wärmetauscher erwärmt und in einer definierten Einspeisehöhe in die zweite Trennkolonne eingespeist wird. Hierdurch kann auf einen herkömmlicherweise erforderlichen Seitenverdampfers verzichtet werden. Die Funktion des Seitenverdampfers wird durch den zweiten Wärmetauscher erfüllt, was den apparativen Aufwand verringert und Wärmeverluste reduziert.Particular advantages arise when a portion of the separated in the first separation column rich methane and carbon monoxide sump fraction is heated in the second heat exchanger and fed to the second separation column in a defined feed height. This makes it possible to dispense with a conventionally required side evaporator. The function of the side evaporator is fulfilled by the second heat exchanger, which reduces the expenditure on equipment and reduces heat losses.
Vorteilhafterweise wird der erste bzw. zweite Anteil des Kältemittels auf einen Druck von 50 bis 100 bar, insbesondere 60 bis 90 bar, verdichtet und/oder auf einen Einspeisedruck (PC) von 8 bis 20 bar, insbesondere 10 bis 15 bar entspannt und/oder auf eine Zwischentemperatur (TI) von –120 bis –170°C, insbesondere –130 bis –160°C und/oder auf eine Endtemperatur (TE) von –140 bis –180°C, insbesondere –150 bis –170°C, abgekühlt.Advantageously, the first or second portion of the refrigerant to a pressure of 50 to 100 bar, in particular 60 to 90 bar, compressed and / or to a feed pressure (PC) of 8 to 20 bar, in particular 10 to 15 bar relaxed and / or to an intermediate temperature (TI) of -120 to -170 ° C, in particular -130 to -160 ° C and / or to a final temperature (TE) of -140 to -180 ° C, in particular -150 to -170 ° C, cooled.
Vorteilhafterweise werden in einem entsprechenden Verfahren als der erste Anteil 80% und/oder als der zweite Anteil 20% des Kältemittels verwendet. Die jeweiligen Anteile lassen sich beispielsweise je nach Kältebedarf in dem Kondensator und/oder dem zweiten Wärnmetauscher anpassen.Advantageously, in a corresponding method, 80% and / or 20% of the refrigerant is used as the first portion. The respective shares can be, for example, each adjust for refrigeration demand in the condenser and / or the second heat exchanger.
Vorteilhafterweise wird das Kältemittel mit einem Hauptverdichter und wenigstens einem Nachverdichter von dem Ausgangsdruck auf den Enddruck verdichtet. Der Expander, der, wie erläutert, mit dem ersten Anteil des Kältemittels gespeist wird, der von einer Ausgangstemperatur auf eine Zwischentemperatur abgekühlt wurde, ist mit einem Nachverdichter gekoppelt. Ist nur ein Nachverdichter vorgesehen, erfolgt die Kopplung dabei mit diesem, bei mehr als einem Nachverdichter hingegen mit dem Nachverdichter, der den Enddruck liefert (also um den letzten Nachverdichter in einer Verdichterkette). Der Expander ist mechanisch mit diesem Nachverdichter gekoppelt und treibt diesen an. Dies erlaubt einen besonders effektiven Betrieb, wobei insbesondere in Abhängigkeit von der abzutrennenden Methanmenge und damit der benötigten Kälte nur der eine Expander oder ein zweiter Expander, der dann mit einem weiteren Nachverdichter mechanisch gekoppelt ist, erforderlich ist.Advantageously, the refrigerant is compressed with a main compressor and at least one secondary compressor from the outlet pressure to the final pressure. The expander, which, as explained, is supplied with the first portion of the refrigerant, which has been cooled from an initial temperature to an intermediate temperature, is coupled to a secondary compressor. If only one secondary compressor is provided, the coupling takes place with this, with more than one secondary compressor, however, with the after-compressor, which delivers the final pressure (ie to the last after-compressor in a compressor chain). The expander is mechanically coupled to this booster and drives it. This allows a particularly effective operation, in particular, depending on the amount of methane to be separated and thus the required cold only one expander or a second expander, which is then mechanically coupled to a further booster, is required.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist die zur Durchführung des erläuterten Verfahrens zur Abtrennung von Methan aus einem methanhaltigen Synthesegas eingerichtet und weist entsprechende Mittel auf. Sie profitiert von den zuvor erläuterten Vorteilen in gleicher Weise, so dass auf diese verwiesen werden kann.The device according to the invention is set up for carrying out the method explained for the separation of methane from a methane-containing synthesis gas and has corresponding means. It benefits from the advantages explained above in the same way so that reference can be made to them.
Ein Grundgedanke der Erfindung kann insgesamt darin gesehen werden, den in dem Entspannungsventil entspannten Kältemittelstrom direkt auf den Kondensator der zweiten Trennkolonne aufzugeben. Der Kondensator wird also nicht über den Expander mit Kälte versorgt, sondern direkt über den Austrittsstrom eines Drosselventils.A basic idea of the invention can be seen altogether in giving up the refrigerant stream, which has been expanded in the expansion valve, directly to the condenser of the second separating column. The capacitor is therefore not supplied via the expander with cold, but directly through the outlet flow of a throttle valve.
Ein weiterer Grundgedanke der Erfindung kann darin gesehen werden, den Kältemittelstrom vor dem Expander aufzuteilen, wobei ein erster gasförmiger Teilstrom dem Expander zugeführt wird und ein zweiter gasförmiger Teilstrom abgekühlt und in einem Drosselventil entspannt und als Niederdruckkältemittel in den Kondensator der zweiten Trennkolonne eingespeist wird.A further basic idea of the invention can be seen in dividing the refrigerant stream upstream of the expander, wherein a first gaseous partial stream is supplied to the expander and a second gaseous partial stream is cooled and expanded in a throttle valve and fed as low-pressure refrigerant into the condenser of the second separation column.
Besonders vorteilhaft ist es nach der Erfindung, dass der Expander derart betrieben wird, dass ein Austrittsstrom des Expanders gasförmig ist. Der Expander hat damit einen hohen Wirkungsgrad. Vorzugsweise kann der Expander derart betrieben werden, dass der Austritt etwa im Bereich des Taupunktes des Kältemittels liegt. Außerdem lässt sich auf diese Weise der Saugdruck des Verdichters des Kältemittelkreislaufes erhöhen, was ebenfalls zu einer Wirkungsgradverbesserung des Prozesses führt.It is particularly advantageous according to the invention that the expander is operated such that an outlet flow of the expander is gaseous. The expander thus has a high efficiency. Preferably, the expander can be operated such that the outlet is approximately in the range of the dew point of the refrigerant. In addition, can be in this way increase the suction pressure of the compressor of the refrigerant circuit, which also leads to an improvement in the efficiency of the process.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren weiter erläutert, die unter anderem bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.The invention will be further elucidated below with reference to the accompanying figures which show inter alia preferred embodiments of the invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
In den Figuren sind gleiche oder einander entsprechende Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen. Die in Bezug auf die
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings
Die Anlage
Ein methanhaltiges Synthesegas SYN wird in einem ersten Wärmetauscher E1 auf eine Temperatur von beispielsweise –60 bis –110°C, insbesondere –80 bis –95°C, und in einem zweiten Wärmetauscher E2 auf eine Temperatur von beispielsweise –120 bis –170°C, insbesondere –130 bis –160°C, abgekühlt und der ersten Trennkolonne S1 in einer definierten Einspeisehöhe zugeführt. In der ersten Trennkolonne S1 kann Methan mittels eines über eine Pumpe L1 gepumpten kohlenmonoxidreichen Rücklaufs aus dem methanhaltigen Synthesegas SYN ausgewaschen werden. Auf diese Weise werden eine methanarme Kopffraktion und eine methanreiche und kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion erhalten.A methane-containing synthesis gas SYN is in a first heat exchanger E1 to a temperature of for example -60 to -110 ° C, in particular -80 to -95 ° C, and in a second heat exchanger E2 to a temperature of for example -120 to -170 ° C. , in particular -130 to -160 ° C, cooled and the first separation column S1 fed in a defined feed height. In the first separation column S1, methane can be washed out of the methane-containing synthesis gas SYN by means of a carbon monoxide-rich reflux pumped by a pump L1. In this way a low-methane head fraction and a methane-rich and carbon monoxide-containing bottom fraction are obtained.
Die kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion wird am Boden der ersten Trennkolonne S1 abgeschieden. Die methanarme Kopffraktion wird vom Kopf der ersten Trennkolonne S1 dabgezogen, in den Wärmetauschern E2 und E1 erwärmt und als auf einen Methanrestgehalt von beispielsweise 0,01 bis 1,00 Vol.%, insbesondere 0,1 bis 0,5 Vol.%, abgereichertes Synthesegasprodukt PRO abgegeben.The carbon monoxide-containing bottoms fraction is deposited at the bottom of the first separation column S1. The low-methane overhead fraction is withdrawn from the top of the first separation column S1, heated in the heat exchangers E2 and E1 and depleted to a residual methane content of, for example, 0.01 to 1.00 vol.%, In particular 0.1 to 0.5 vol.% Synthesis gas product PRO delivered.
Die methanreiche und kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion aus der ersten Trennkolonne S1 wird über ein Ventil V3 auf den Druck der zweiten Trennkolonne S2 entspannt und, wiederum in einer definierten Einspeisehöhe, in diese eingespeist. Die zweite Trennkolonne S2 wird als sogenannter Kohlenmonoxidstripper betrieben. Hierzu sind ein dritter und ein vierter Wärmetauscher E3 und E4 vorgesehen, die als Sumpfaufkocher (dritter Wärmetauscher E3) einerseits und als Seitenverdampfer (vierter Wärmetauscher E4) andererseits betrieben und mit einem Kältemittel beheizt werden. Die zweite Trennkolonne S2 weist ferner einen Kondensator E5 auf, der beispielsweise als Kopfkondensator ausgebildet ist und in dem in der zweiten Trennkolonne S2 aufsteigende Dämpfe auskondensiert werden können.The methane-rich and carbon monoxide-containing bottoms fraction from the first separation column S1 is expanded via a valve V3 to the pressure of the second separation column S2 and, again in a defined feed height, fed into the same. The second separation column S2 is operated as a so-called carbon monoxide stripper. For this purpose, a third and a fourth heat exchanger E3 and E4 are provided, which are operated as a bottom reboiler (third heat exchanger E3) on the one hand and as a side evaporator (fourth heat exchanger E4) on the other hand and heated with a refrigerant. The second separation column S2 also has a condenser E5, which is designed, for example, as a top condenser and in which vapors ascending in the second separation column S2 can be condensed out.
Im Sumpf der zweiten Trennkolonne S2 kann hierdurch eine kohlendioxidarme Methanfraktion mit einer Konzentration von beispielsweise 0,01 bis 1,00 Vol.%, insbesondere 0,1 bis 0,5 Vol.% Kohlenmonoxid erhalten werden. Diese kann beispielsweisedurch den Wärmetauscher E2 geführt werden. Sie kann in Form eines Methanprodukts LNG wahlweise als siedende oder unterkühlte Flüssigkeit oder als Gas bei beliebigem Druck abgegeben werden. Beispielsweise wird ein Druck aus dem Bereich von 1 bis 100 bar gewählt. Eine Aufteilung des Methanprodukts LNG in mehrere parallele Produktströme mit unterschiedlichen Abgabezuständen, wie z. B. flüssig, siedend, unterkühlt und/oder gasförmig, ist ebenso möglich.In the bottom of the second separation column S2, a low-carbon methane fraction having a concentration of, for example, from 0.01 to 1.00% by volume, in particular from 0.1 to 0.5% by volume, of carbon monoxide can thereby be obtained. This can be performed, for example, through the heat exchanger E2. It can be delivered in the form of a methane product LNG either as a boiling or supercooled liquid or as a gas at any pressure. For example, a pressure in the range of 1 to 100 bar is selected. A division of the methane product LNG into several parallel product streams with different release states, such. As liquid, boiling, supercooled and / or gaseous, is also possible.
Eine gasförmige Kopffraktion der zweiten Trennkolonne S2 wird in einem Rückverdichter C4 auf den Druck der ersten Trennkolonne S1 rückverdichtet und dem Einsatzstrom SYN zur ersten Trennkolonne S1 zugemischt.A gaseous overhead fraction of the second separation column S2 is recompressed in a recompressor C4 to the pressure of the first separation column S1 and admixed with the feed stream SYN to the first separation column S1.
Ein flüssiger, kohlenmonoxidreicher Kopfstrom wird vom obersten Boden der zweiten Trennkolonne S2 abgezogen, in der erwähnten Pumpe L1 auf den Druck der ersten Trennkolonne S1 gepumpt und der ersten Trennkolonne S1 als kohlenmonoxidreicher Rücklauf zugeführt. Dieser wird zum Auswaschen des Methans in der ersten Trennkolonne S1 verwendet.A liquid, carbon monoxide-rich overhead stream is withdrawn from the top bottom of the second separation column S2, pumped in the mentioned pump L1 to the pressure of the first separation column S1 and fed to the first separation column S1 as a carbon monoxide-rich reflux. This is used to wash out the methane in the first separation column S1.
Zum Kühlen bzw. Heizen der zweiten Trennkolonne S2, d. h. für den Betrieb des dritten Wärmetauschers E3, des vierten Wärmetauschers E4 und des Kondensators E5, ist ein vorzugsweise geschlossener Kältemittelkreislauf vorgesehen.For cooling or heating the second separation column S2, d. H. for the operation of the third heat exchanger E3, the fourth heat exchanger E4 and the condenser E5, a preferably closed refrigerant circuit is provided.
Dieser umfasst einen vorzugsweise mehrstufigen Hauptverdichter C1 mit Zwischenkühlern E6, E7 und E8 und einen ersten und einen zweiten Nachverdichter (Booster) C2 und C3 mit einem Nachkühler E9. In dem Hauptverdichter C1 und den Nachverdichtern C2 und C3 kann ein gasförmiges Kältemittel, beispielsweise technisch reiner, trockener Stickstoff, von einem Ausgangsdruck PA von beispielsweise 5 bis 20 bar, insbesondere 8 bis 15 bar über entsprechende Zwischendrücke auf einen Enddruck PE von beispielsweise 50 bis 100 bar, insbesondere 60 bis 90 bar, verdichtet werden. Der Ausgangsdruck PA liegt gemäß der hier getroffenen Definition saugseitig des Hauptverdichters C1, der Enddruck PE druckseitig des Nachverdichters C3 an, wie mit gestrichelt dargestellten Feldern in der Figur veranschaulicht.This comprises a preferably multi-stage main compressor C1 with intercoolers E6, E7 and E8 and a first and a second booster (booster) C2 and C3 with an aftercooler E9. In the main compressor C1 and the secondary compressors C2 and C3, a gaseous refrigerant, for example, technically pure, dry nitrogen, from an initial pressure PA of, for example, 5 to 20 bar, in particular 8 to 15 bar via corresponding intermediate pressures to a final pressure PE, for example 50 to 100 bar, in particular 60 to 90 bar, are compressed. According to the definition made here, the outlet pressure PA is located on the suction side of the main compressor C1, the final pressure PE on the pressure side of the after-compressor C3, as illustrated by dashed lines in the figure.
Der erste Nachverdichter C2 und der zweite Nachverdichter C3 können jeweils über Expander X2 und X1 angetrieben werden, die ebenfalls mit dem Kältemittel betrieben werden. Das Kältemittel wird in den Expandern X2 und X1 jeweils arbeits- und kälteleistend entspannt, wobei die freiwerdende Kälte jeweils zum Betrieb der ersten und zweiten Wärmetauscher E1 und E2 und die freiwerdende mechanische Leistung zum Betrieb des ersten und zweiten Nachverdichters C2 und C3 verwendet wird. Die Expander X1 und X2 werden, entsprechend den Temperaturen des in diesen gegebenenfalls expandierten Kältemittels, nachfolgend auch als ”warmer” und ”kalter” Expander X2 bzw. X1 bezeichnet, wobei der warme Expander X2 dem ersten Nachverdichter C2 und der erste Expander dem zweiten Nachverdichter C3 zugeordnet ist.The first after-compressor C2 and the second after-compressor C3 can each be driven via expander X2 and X1, which are also operated with the refrigerant. The refrigerant is expanded in the expander X2 and X1 each working and cold-performing, the freeing cold respectively for the operation of the first and second heat exchangers E1 and E2 and the released mechanical power to operate the first and second booster C2 and C3 is used. The expanders X1 and X2 are referred to hereinafter as "warm" and "cold" expanders X2 and X1, respectively, according to the temperatures of the optionally expanded refrigerant therein, the warm expander X2 being the first after-compressor C2 and the first expander the second after-compressor C3 is assigned.
Falls das methanreiche Produkt gasförmig abgegeben werden soll und damit weniger Kälte benötigt wird, können der warme Expander X2 und damit der erste Nachverdichter C2 entfallen. Dies gilt insbesondere dann, wenn der Einsatzstrom E weniger als 10 Vol.%, insbesondere weniger als 7 Vol.%, Methan aufweist. Unter diesen Bedingungen kann der Kältebedarf in dem ersten Wärmetauscher E1 auch ohne die Kälte aus dem warmen Expander X2 wirtschaftlich gedeckt werden.If the methane-rich product is to be released in gaseous form and thus less cold is required, the warm expander X2 and thus the first secondary compressor C2 can be omitted. This applies in particular when the feed stream E has less than 10% by volume, in particular less than 7% by volume, of methane. Under these conditions, the cooling demand in the first heat exchanger E1 can be economically covered even without the cold from the warm expander X2.
Ist ein warmer Expander X2 vorhanden, kann ein ”warmer” Anteil des Kältemittels in diesem auf einen Druck von beispielsweise 5 bis 20 bar, insbesondere 8 bis 15 bar, kälte- und arbeitsleistend entspannt werden. Der entspannte Kältemittelstrom kann anschließend in dem ersten Wärmetauscher E1 weiter angewärmt und dann dem Hauptverdichter C1 erneut zugeführt werden.If a warm expander X2 is present, a "warm" portion of the refrigerant can be in this on a pressure of for example 5 to 20 bar, in particular 8 to 15 bar, cold and work to be relaxed. The expanded refrigerant stream can then be further warmed in the first heat exchanger E1 and then fed to the main compressor C1 again.
Ist kein warmer Expander X2 vorhanden, wird das gesamte Kältemittel, sonst der nicht in dem warmen Expander X2 entspannte Anteil, in dem ersten Wärmetauscher E1 zunächst von einer Ausgangstemperatur TA auf eine Temperatur von beispielsweise –60 bis –110°C, insbesondere –80 bis –95°C, abgekühlt.If no warm expander X2 is present, the entire refrigerant, otherwise the portion not expanded in the warm expander X2, first in the first heat exchanger E1 from an outlet temperature TA to a temperature of for example -60 to -110 ° C, in particular -80 to -95 ° C, cooled.
Ein größerer Anteil, beispielsweise 40 bis 90%, insbesondere 75 bis 85%, des Kältemittels aus dem ersten Wärmetauscher E1, wird anschließend abgezweigt dem dritten und dem vierten Wärmetauscher E3 und E4 zugeführt und dort zum Aufkochen des Sumpfs bzw. zur Seitenverdampfung von Fluiden aus der zweiten Trennkolonne S2 verwendet. Hierbei erfolgt eine weitere Abkühlung dieses Anteils auf eine Temperatur von beispielsweise –90 bis –130°C, insbesondere –105 bis –120°C.A larger proportion, for example 40 to 90%, in particular 75 to 85%, of the refrigerant from the first heat exchanger E1 is then branched off to the third and fourth heat exchangers E3 and E4 and fed there for boil-up of the sump or for side evaporation of fluids the second separation column S2 used. In this case, a further cooling of this portion to a temperature of for example -90 to -130 ° C, in particular -105 to -120 ° C.
Ein kleinerer Anteil, beispielsweise 5 bis 25%, des Kältemittels aus dem ersten Wärmetauscher E1, wird hingegen anschließend an die Abkühlung in dem ersten Wärmetauscher E1 in dem zweiten Wärmetauscher E2 weiter auf eine tiefere Endtemperatur TE von beispielsweise –120 bis –170°C, insbesondere –130 bis –160°C, abgekühlt.A smaller proportion, for example 5 to 25%, of the refrigerant from the first heat exchanger E1, on the other hand, continues to a lower final temperature TE of, for example, -120 to -170 ° C. following the cooling in the first heat exchanger E1 in the second heat exchanger E2. in particular -130 to -160 ° C, cooled.
Die beiden Anteile des Kältemittels werden anschließend wieder vereinigt und gemeinsam in dem kalten Expander X1 entspannt. Der auf die Endtemperatur TE abgekühlte Anteil des Kältemittels wird dabei über ein Ventil V2 geführt.The two parts of the refrigerant are then reunited and expanded together in the cold expander X1. The cooled to the final temperature TE portion of the refrigerant is guided via a valve V2.
Das Kältemittel wird durch die Entspannung in dem Expander X1 teilweise verflüssigt, wobei nach der Entspannung ein Anteil von beispielsweise 1 bis 30 Gew.%, insbesondere 5 bis 25 Gew.%, des Kältemittels in flüssiger Form vorliegt. Die Eintrittstemperatur des Kältemittels in den kalten Expander X1 kann beispielsweise durch die Menge und die Temperatur auf die Endtemperatur TE abgekühlten Anteils des Kältemittels eingestellt werden, um den gewünschten Flüssiganteil nach der Entspannung in dem kalten Expander X1 zu erhalten. Der Druck nach der Entspannung wird im Rahmen dieser Anmeldung als ”Einspeisedruck” bezeichnet.The refrigerant is partially liquefied by the expansion in the expander X1, wherein after the relaxation, a proportion of, for example, 1 to 30 wt.%, In particular 5 to 25 wt.%, Of the refrigerant is in liquid form. The inlet temperature of the refrigerant into the cold expander X1 can be adjusted, for example, by the amount and the temperature to the final temperature TE cooled portion of the refrigerant to obtain the desired liquid content after the expansion in the cold expander X1. The pressure after relaxation is referred to in this application as "feed pressure".
Das teilweise verflüssigte Kältemittel wird dem Kondensator E5 bei einem hierdurch erhaltenen Einspeisedruck PC zugeführt. In dem Kondensator E5 wird zumindest ein Teil des Flüssiganteils verdampft. Anschließend kann das Kältemittel, das nunmehr einen Flüssiganteil von beispielsweise 0 bis 20%, insbesondere 0 bis 10%, aufweisen kann, einerseits über eine Flüssigleitung mit einem Ventil V4 und andererseits über eine Gasleitung vom Kopf des Kondensators E5 getrennt abgezogen, in den Wärmetauschern E2 und E1, falls erforderlich, vollständig verdampft sowie gegebenenfalls überhitzt, und anschließend dem Hauptverdichter C1 erneut zugeführt werden.The partially liquefied refrigerant is supplied to the condenser E5 at a feed pressure PC thereby obtained. In the condenser E5 at least a portion of the liquid fraction is evaporated. Subsequently, the refrigerant, which may now have a liquid content of, for example, 0 to 20%, in particular 0 to 10%, withdrawn on the one hand via a liquid line with a valve V4 and on the other hand via a gas line separated from the head of the condenser E5, in the heat exchangers E2 and E1, if necessary, completely evaporated and optionally superheated, and then fed back to the main compressor C1.
Für eine ausreichende Kühlung in dem Kondensator E5 ist ein gewisser Flüssiganteil des Kältemittels erforderlich. Das Kältemittel muss daher am Austritt des kalten Expanders X1 zweiphasig vorliegen. Wie erläutert, verschlechtert dies den Wirkungsgrad des kalten Expanders X1. In der dargestellten Anordnung ist ferner der Maximaldruck, der als Ausgangsdruck PA verwendet werden kann, durch den in E5 benötigten Verdampfungsdruck des Kältemittels begrenzt.For a sufficient cooling in the condenser E5 a certain liquid content of the refrigerant is required. The refrigerant must therefore be biphasic at the outlet of the cold expander X1. As explained, this degrades the efficiency of the cold expander X1. In the illustrated arrangement, moreover, the maximum pressure that can be used as the output pressure PA is limited by the evaporation pressure of the refrigerant required in E5.
In
Im Gegensatz zur Anlage
Wie zuvor unter Bezugnahme auf die Anlage
Anschließend kann ein Anteil des Kältemittels, beispielsweise 50 bis 97%, abgezweigt und, wie zuvor erläutert, durch den dritten und den vierten Wärmetauscher E3 und E4 geführt werden. Hierbei erfolgt, wie erwähnt, eine entsprechende Abkühlung. Nach der erneuten Vereinigung mit einem nicht durch den dritten und den vierten Wärmetauscher E3 und E4 geführten Rest weist das Kältemittel eine Zwischentemperatur TI auf, die sich aus der Abkühlung in dem ersten Wärmetauscher E1 einerseits und der teilweisen weiteren Abkühlung in den Wärmetauschern E3 und E4 andererseits ergibt. Wie erläutert, wird das Kältemittel in dem ersten Wärmetauscher E1 auf eine Temperatur von beispielsweise –60 bis –120°C, insbesondere –90 bis –110°C, abgekühlt. In dem dritten und dem vierten Wärmetauscher E3 und E4 erfolgt eine weitere Abkühlung eines entsprechend abgezweigten Anteils auf eine Temperatur von beispielsweise –80 bis –130°C, insbesondere –100 bis –120°C. Damit liegt die Zwischentemperatur TI zwischen diesen Temperaturen, jedenfalls aber höher als die Endtemperatur TE, die im zweiten Wärmetauscher mit beispielsweise –140 bis –180°C, insbesondere –150 bis –170°C, erreicht wird.Subsequently, a proportion of the refrigerant, for example, 50 to 97%, diverted and, as explained above, be performed by the third and the fourth heat exchanger E3 and E4. This is done, as mentioned, a corresponding cooling. After reconnecting with a residue not passed through the third and fourth heat exchangers E3 and E4, the refrigerant has an intermediate temperature TI resulting from the cooling in the first heat exchanger E1 on the one hand and the partial further cooling in the heat exchangers E3 and E4 on the other results. As explained, the refrigerant in the first heat exchanger E1 is cooled to a temperature of, for example, -60 to -120 ° C, especially -90 to -110 ° C. In the third and the fourth heat exchangers E3 and E4, a further cooling of a correspondingly branched portion takes place on one Temperature of, for example, -80 to -130 ° C, especially -100 to -120 ° C. Thus, the intermediate temperature TI between these temperatures, but in any case higher than the final temperature TE, which is achieved in the second heat exchanger with, for example, -140 to -180 ° C, especially -150 to -170 ° C.
Das Kältemittel mit der Zwischentemperatur TI wird nun erneut in einen ersten und einen zweiten Anteil aufgeteilt. Ein erster Anteil, beispielsweise 60 bis 95% des Kältemittels, wird dem kalten Expander X1 zugeführt. Aufgrund der höheren Zwischentemperatur TI des dem kalten Expander X1 zugeführten Kältemittels gegenüber der in der Anlage
Der zweite Anteil, also der Rest, wird hingegen unmittelbar anschließend von der genannten Zwischentemperatur TI auf die mehrfach erläuterte Endtemperatur TE, wie erwähnt beispielsweise –140 bis –180°C, insbesondere –150 bis –170°C, abgekühlt. Über ein Entspannungsventil V1 wird dieser zweite Anteil des Kältemittels auf einen Einspeisedruck PC entspannt und in den Kondensator E5 eingespeist. Hierdurch wird das Kältemittel teilweise oder vollständig verflüssigt.By contrast, the second portion, ie the remainder, is then cooled directly from said intermediate temperature TI to the end temperature TE explained several times, as mentioned, for example, -140 to -180 ° C., in particular -150 to -170 ° C. Via a relaxation valve V1, this second portion of the refrigerant is expanded to a feed pressure PC and fed into the condenser E5. As a result, the refrigerant is partially or completely liquefied.
Mit anderen Worten wird der Bedarf an flüssigem Kältemittel für den Kondensator C5 über das Entspannungsventil V1 und ein Kältemittel mit der Endtemperatur TE gedeckt. Der kalte Expander X1 wird hingegen mit einem Kältemittel mit einer höheren Temperatur TI gespeist, so dass sich das Kältemittel in dem Expander X1 nicht verflüssigt. Die freiwerdende Kälte- und Arbeitsleistung kann jedoch dennoch zum Betrieb des zweiten Wärmetauschers E2 und des Nachverdichters C3 verwendet werden.In other words, the demand for liquid refrigerant for the condenser C5 is covered by the expansion valve V1 and a refrigerant having the final temperature TE. The cold expander X1, on the other hand, is supplied with a refrigerant having a higher temperature TI, so that the refrigerant in the expander X1 does not liquefy. However, the released cooling and working power can still be used to operate the second heat exchanger E2 and the post-compressor C3.
Wiederum kann das Kältemittel in dem Kondensator E5 zumindest zum Teil verdampft und anschließend über eine Flüssigleitung mit einem Ventil V4 und eine Gasleitung vom Kopf des Kondensators E5 getrennt abgezogen und mit dem in dem kalten Expander X1 entspannten ersten Anteil des Kältemittels vereinigt werden. Das Kältemittel wird anschließend durch die Wärmetauscher E2 und E1 geführt und anschließend erneut saugseitig in den Hauptverdichter C1 eingespeist.Again, the refrigerant in the condenser E5 can be at least partially vaporized and then withdrawn via a liquid line with a valve V4 and a gas line separated from the head of the condenser E5 and combined with the first portion of the refrigerant expanded in the cold expander X1. The refrigerant is then passed through the heat exchanger E2 and E1 and then fed again on the suction side in the main compressor C1.
Neben der Verbesserung des Wirkungsgrads des kalten Expanders X1 kann in der Anlage
Desweiteren kann die gasförmige Kopffraktion der zweiten Trennkolonner S2 im Rückverdichter C4 auf den Druck der ersten Trennkolonne S1 rückverdichtet und, nach Anwärmung in E2 und E1, dem methanarmen Produkt PRO zugemischt werden. Die Zumischung kann auch direkt ins Kopfprodukt der Trennkolonne S1 erfolgen.Furthermore, the gaseous overhead fraction of the second separation column S2 in the recompressor C4 can be recompressed to the pressure of the first separation column S1 and, after heating in E2 and E1, admixed with the low-methane product PRO. The admixture can also be made directly into the top product of the separation column S1.
In
Statt einen als Seitenverdampfer ausgebildeten vierten Wärmetauscher E4 zu verwenden, ist vorgesehen, einen Teil der bodenseitig in der ersten Trennkolonne S1 abgeschiedenen methanreichen und kohlenmonoxidhaltigen Sumpffraktion über ein Entspannungsventil V5 zu führen und in dem zweiten Wärmetauscher E2 anzuwärmen. Der über das Entspannungsventil V5 entspannte und in dem zweiten Wärmetauscher E2 erwärmte Anteil der Sumpffraktion wird anschließend in einer definierten Einspeisehöhe in die zweite Trennkolonne S2 eingespeist, wodurch hier eine Beheizung erfolgt. Hierdurch kann die Funktion des vierten Wärmetauschers E4 mit geringerem apparativem Aufwand realisiert werden, was Kosten spart.Instead of using a fourth heat exchanger E4 designed as a side evaporator, it is provided to lead a portion of the bottoms fraction rich in methane and carbon monoxide in the first separation column S1 via an expansion valve V5 and to heat it in the second heat exchanger E2. The fraction of the bottoms fraction which has been decompressed via the expansion valve V5 and heated in the second heat exchanger E2 is then fed into the second separation column S2 at a defined feed height, whereby heating takes place here. In this way, the function of the fourth heat exchanger E4 can be realized with less equipment expense, which saves costs.
In der Anlage
Eine weitere Anlage zur Abtrennung von Methan aus einem methanhaltigen Synthesegas gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist in
In der Anlage
In der Anlage
Eine weitere, vorteilhafte Ausführung des Verfahrens, die in den Figuren jedoch nicht dargestellt ist, betrifft die Wärmetauscher E1 und/oder E2. Vorteilhafterweise können hier auch jeweils getrennte Wärmetauscher für Methan LNG, methanhaltiges Synthesegas SYN und/oder den Produktstrom PRO einerseits und die Kältemittelströme andererseits vorgesehen sein. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Realisierung. Dies gilt insbesondere für den Wärmetauscher E1, kann jedoch auch bezüglich des Wärmetauschers E2 vorteilhaft sein. Die dargestellten Wärmetauscher E1 und/oder E2 können also auch in Form jeweils zweier oder mehrerer baulicher Einheiten realisiert sein.A further advantageous embodiment of the method, which is not shown in the figures, however, relates to the heat exchangers E1 and / or E2. Advantageously, separate heat exchangers for methane LNG, methane-containing synthesis gas SYN and / or the product stream PRO on the one hand and the refrigerant streams on the other can also be provided here. This allows a more cost-effective implementation. This applies in particular to the heat exchanger E1, but may also be advantageous with respect to the heat exchanger E2. The illustrated heat exchangers E1 and / or E2 can therefore also be realized in the form of two or more structural units.
Wenngleich die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf Anlagen beschrieben wurde, in der vergleichsweise hohe Druckdifferenzen zwischen der ersten Trennkolonne S1 und der zweiten Trennkolonne S2 verwendet werden, kann diese auch in Verfahren und Anlagen mit geringeren Druckunterschieden zum Einsatz kommen. So können auch Anlagen entsprechend betrieben werden, bei denen ein methanhaltiges Synthesegas SYN zwischen einem Eintritt in das und einem Austritt aus dem Gesamtverfahren, hier jeweils definiert als Ein- bzw. Austritt in den bzw. aus dem ersten Wärmetauscher E1, lediglich einer Druckdifferenz, insbesondere einem Druckabfall, im Bereich von 1 bis 3 bar, beispielsweise von 1,5 bis 2,5 bar, unterzogen wird.Although the present invention has been described with reference to equipment in which comparatively high pressure differences between the first separation column S1 and the second separation column S2 are used, this can also be used in processes and plants with lower pressure differences. Thus, plants can be operated accordingly, in which a methane-containing synthesis gas SYN between an entry into and an exit from the overall process, here defined respectively as inlet and outlet into and out of the first heat exchanger E1, only a pressure difference, in particular a pressure drop, in the range of 1 to 3 bar, for example from 1.5 to 2.5 bar, is subjected.
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