DE102012020470A1 - Method for separating methane from synthesis gas that is utilized for e.g. combustion in power plant, involves utilizing liquefied methane-rich fraction process for cooling and vaporizing synthesis gas in heat exchangers - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Methan aus einem methanhaltrgen Synthesegas sowie eine entsprechende Vorrichtung.The present invention relates to a method for the separation of methane from a methanhaltrgen 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 kälteleistend entspannt und deckt damit den Kältebedarf der Anlage.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 relieved cold and thus covers the refrigeration demand of the system.
Ein Verfahren und ein System zur Abtrennung von Methan aus methanhaltigem Synthesegas ist beispielsweise aus
Der Kältebedarf in derartigen Tieftemperaturzerlegungsanlagen, insbesondere zur Abkühlung des Synthesegases, ist beträchtlich. Die erforderliche Kälteleistung wird überwiegend in Form von Verdichterleistung in das System eingebracht. Der Energiebedarf ist damit hoch. Die Verdichteranlagen sind aufgrund der erforderlichen Leistungsfähigkeit teuer und aufwendig in der Erstellung und Wartung.The refrigeration demand in such cryogenic separation plants, in particular for the cooling of the synthesis gas, is considerable. The required cooling capacity is introduced into the system mainly in the form of compressor capacity. The energy requirement is high. The compressor systems are expensive and expensive to create and maintain due to the required performance.
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 eines 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 a 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 das Synthesegas zunächst in wenigstens einem Wärmetauscher abgekühlt und das Methan aus dem abgekühlten Synthesegas zunächst in einer verflüssigten methanreichen Fraktion gewonnen wird. Erfindungsgemäß ist nun jedoch vorgesehen, die verflüssigte methanreiche Fraktion wenigstens teilweise in dem wenigstens einem Wärmetauscher zu der Abkühlung des Synthesegases zu verwenden und hierbei zu verdampfen.The invention can be used, for example, in a process for the separation of methane from a methane-containing synthesis gas, in which the synthesis gas is first cooled in at least one heat exchanger and the methane is first recovered from the cooled synthesis gas in a liquefied methane-rich fraction. According to the invention, however, it is now provided to use the liquefied methane-rich fraction at least partially in the at least one heat exchanger for the cooling of the synthesis gas and in this case to evaporate.
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, wie erwähnt, zunächst durch Wärmeaustausch abgekühlt werden. Aus dem abgekühlten methanhaltigen Synthesegas wird in einer ersten Trennkolonne eine methanreiche und kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion kryogen abgeschieden. Die methanreiche und kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion wird in eine 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. Die kohlendioxidarme Methanfraktion liegt zunächst flüssig vor und wird herkömmlicherweise unterkühlt und der Anlage in flüssiger Form als entsprechendes Produkt entnommen. Erfindungsgemäß wird diese flüssige kohlendioxidarme Methanfraktion jedoch als Kältemittel zur Abkühlung des methanhaltigen Synthesegases verwendet.The methane-containing synthesis gas can be cooled in such a cryogenic separation plant, as mentioned, first by heat exchange. From the cooled methane-containing synthesis gas, a methane-rich and carbon monoxide-containing bottom fraction is cryogenically separated in a first separation column. The methane-rich and carbon monoxide-containing bottoms fraction is transferred to a 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. The low-carbon methane fraction is initially liquid and is conventionally supercooled and taken from the plant in liquid form as a corresponding product. According to the invention, however, this liquid low-carbon methane fraction is used as a refrigerant for cooling the methane-containing synthesis gas.
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 durch Wärmetausch abgekühlt und anschließend kälteleistend entspannt. Hierbei können beispielsweise Expander und/oder Entspannungsventile verwendet werden, wobei das Kältemittel auch auf unterschiedlichen Temperaturniveaus in mehrere Kältemittelströme aufgeteilt und getrennt entspannt werden kann. Ein entspannter Kältemittelstrom kann unter anderem in einen Kopfkondensator der zweiten Trennkolonne eingespeist werden. Das Kältemittel liegt nach der Entspannung vorzugsweise mit einem hohen Flüssigkeitsgehalt, beispielsweise als Zweiphasenstrom oder vollständig verflüssigt, vor.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 by heat exchange and then released cold performance. Here, for example, expander and / or expansion valves can be used, wherein the refrigerant can be divided at different temperature levels into several refrigerant streams and can be relaxed separately. A relaxed refrigerant stream can be fed inter alia in a top condenser of the second separation column. After the expansion, the refrigerant is preferably present with a high liquid content, for example as a two-phase stream or completely liquefied.
Die vorliegende Erfindung macht sich zur Reduzierung der erforderlichen Energie zur Deckung des Kältebedarfs zu Nutze, dass mit der verflüssigten methanreichen Fraktion ein geeignetes Kältemittel zur Kühlung zur Verfügung steht, aus dem die zuvor eingebrachte Kälteleistung zurückgewonnen werden kann. Die Erfindung kann immer dann eingesetzt werden, wenn das abgetrennte Methan als gasförmiges Produkt benötigt wird, beispielsweise zur Verfeuerung in einem Kraftwerk, eine Einspeisung in eine Pipeline oder als Einsatzstoff für Chemieanlagen.The present invention makes use of to reduce the energy required to meet the refrigeration demand that with the liquefied methane-rich fraction a suitable refrigerant for cooling is available, from which the previously introduced cooling capacity can be recovered. The invention can be used whenever the separated methane is required as a gaseous product, for example for combustion in a power plant, a feed into a pipeline or as a feedstock for chemical plants.
Die vorgeschlagenen Maßnahmen erlauben es, wie nachfolgend näher erläutert, Verdichterleistung einzusparen, weil zumindest ein Teil der zur Abkühlung des Synthesegases erforderlichen Kälte aus der verflüssigten methanreichen Fraktion gedeckt wird. In den herkömmlichen Anlagen kann damit zumindest ein Expander und der mit dem Expander üblicherweise gekoppelte Nachverdichter eingespart werden. Ein weiterhin vorhandener Expander, der mit einem entsprechenden Verdichter gekoppelt sein kann, kann jedoch weiterhin zu Einstellung einer Reinheit eines gewonnen Synthesegasprodukts verwendet werden.The proposed measures make it possible, as explained in more detail below, to save compressor performance because at least part of the cooling required for the cooling of the synthesis gas is covered by the liquefied methane-rich fraction. In the conventional systems can thus be saved at least one expander and the expander with the usually coupled Nachverdichter. However, a still-existing expander that may be coupled to a corresponding compressor may still be used to adjust a purity of a recovered synthesis gas product.
Der Kältekreislauf der Anlage kann aufgrund der geringeren erforderlichen Kältemenge, größtenteils mit gasförmigem Kältemittel arbeiten, so dass sich eine vereinfachte Leitungsführung ergibt. Gleichzeitig reduzieren sich Druckverluste und es ergeben sich keine Teillastprobleme aufgrund von Mitreißen wie in herkömmlichen Anlagen, in denen entsprechende Leitungen zweiphasige Kältemittel führen.The refrigeration cycle of the system can work largely with gaseous refrigerant due to the lower amount of refrigerant required, so that results in a simplified wiring. At the same time, pressure losses are reduced and there are no part-load problems due to entrainment as in conventional systems in which corresponding lines lead two-phase refrigerant.
Die Erfindung ermöglicht daher eine kostengünstige und mit minimalem Maschinen- und Energieaufwand realisierbare Abtrennung von Methan aus Synthesegas.The invention therefore makes possible a cost-effective separation of methane from synthesis gas which can be realized with minimal mechanical and energy expenditure.
Vorteilhafterweise wird die Erfindung also bei einem bekannten Verfahren eingesetzt, bei dem aus dem abgekühlten Synthesegas in einer ersten Trennkolonne eine methanreiche und kohlenmonoxidhaltige Sumpffraktion abgeschieden und aus der Sumpffraktion in einer zweiten Trennkolonne unter Gewinnung der verflüssigten, methanreichen Fraktion Kohlenmonoxid zumindest teilweise desorbiert wird. Die Erfindung kommt insbesondere bei Zweikolonnenverfahren zum Einsatz, bei denen die Kolonnen mit unterschiedlichen Drücken betrieben werden.Advantageously, the invention is thus employed in a known process in which a methane-rich and carbon monoxide-containing bottom fraction is separated from the cooled synthesis gas in a first separation column and at least partially desorbed from the bottom fraction in a second separation column to obtain the liquefied, methane-rich fraction carbon monoxide. The invention is used in particular in two-column processes in which the columns are operated at different pressures.
Sie kann jedoch bei allen Verfahren zum Einsatz kommen, bei denen eine flüssige Fraktion kryogen abgetrennt wird und anschließend im Wärmetausch erwärmt werden kann. Das Verfahren eignet sich insbesondere für methanhaltige Synthesegase mit Wasserstoff- und Kohlenmonoxidanteilen von insgesamt 10 bis 95%, beispielsweise für Synthesegase, die durch die Kohlevergasung gewonnen werden.However, it can be used in all processes in which a liquid fraction is separated cryogenically and can then be heated in heat exchange. The method is particularly suitable for methane-containing synthesis gases with hydrogen and carbon monoxide levels of 10 to 95%, for example, for synthesis gases obtained by the coal gasification.
In dem Verfahren werden vorteilhafterweise zwei Wärmetauscher verwendet, wobei das Synthesegas zunächst in einem ersten und dann in einem zweiten der zwei Wärmetauscher abgekühlt und die verflüssigte methanreiche Fraktion im Gegenstrom zunächst durch den zweiten und dann durch den ersten Wärmetauscher geführt wird. Wie unten erläutert, kann das Synthesegas zwischen der Abkühlung in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher auch noch in weiteren Wärmetauschern gekühlt werden.In the method advantageously two heat exchangers are used, wherein the synthesis gas is first cooled in a first and then in a second of the two heat exchangers and the liquefied methane-rich fraction is passed in countercurrent first through the second and then through the first heat exchanger. As explained below, the synthesis gas between the cooling in the first and the second heat exchanger can also be cooled in further heat exchangers.
Mit besonderem Vorteil wird das das Synthesegas in dem ersten Wärmetauscher auf eine Temperatur von –60 bis –110°C, insbesondere –80 bis –95°C und in dem zweiten Wärmetauscher auf eine Temperatur von –120 bis –170°C, insbesondere –130 bis –160°C, abgekühlt. Die Temperatur von –60 bis –110°C eignet sich in besonderer Weise für einen nachfolgenden Einsatz in einem weiteren Wärmetauscher, beispielsweise einem Sumpfaufkocher oder Seitenverdampfer einer zweiten Trennkolonne. Die tiefere Temperatur von –120 bis –170°C führt zu einer Verflüssigung des in dem Synthesegas enthaltenen Methans.With particular advantage, the synthesis gas in the first heat exchanger to a temperature of -60 to -110 ° C, especially -80 to -95 ° C and in the second heat exchanger to a temperature of -120 to -170 ° C, in particular - 130 to -160 ° C, cooled. The temperature from -60 to -110 ° C is particularly suitable for subsequent use in another heat exchanger, for example a bottom reboiler or side evaporator of a second separation column. The lower temperature of -120 to -170 ° C leads to a liquefaction of the methane contained in the synthesis gas.
In dem erläuterten Verfahren wird zur Kühlung des Synthesegases in dem wenigstens einen Wärmetauscher vorteilhafterweise ferner ein Kältemittel aus einem Kältemittelkreislauf verwendet, wobei das Kältemittel in dem Kältemittelkreislauf zunächst verdichtet, dann entspannt, und anschließend in den wenigstens einen Wärmetauscher eingespeist wird. Wie erläutert, kann hierdurch der Kältebedarf der Anlage gezielt gedeckt werden. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausnutzung der Kälte der verflüssigten methanreichen Fraktion reduziert sich jedoch der apparative und energetische Aufwand zum Betrieb des Kältemittelkreislaufs beträchtlich.In the method described, for the cooling of the synthesis gas in the at least one heat exchanger advantageously also a refrigerant from a refrigerant circuit is used, wherein the refrigerant in the refrigerant circuit is first compressed, then relaxed, and then fed into the at least one heat exchanger. As explained, this can be used to specifically cover the cooling requirements of the system. Due to the However, according to the invention utilization of the cold of the liquefied methane-rich fraction reduces the equipment and energy costs for the operation of the refrigerant circuit considerably.
Vorteilhafterweise umfasst der Kältemittelkreislauf zum Verdichten und Entspannen des Kältemittels wenigstens einen mit einem Verdichter mechanisch gekoppelten Expander. Dieser kann vorteilhafterweise zur Erzeugung von Spitzenkälte eingesetzt werden, wodurch sich die Reinheit eines gewonnenen Synthesegasprodukts, d. h. dessen Restmethangehalt, gezielt steuern lässt.Advantageously, the refrigerant circuit for compressing and decompressing the refrigerant comprises at least one expander mechanically coupled to a compressor. This can be advantageously used to produce peak cold, thereby increasing the purity of a recovered synthesis gas product, i. H. whose residual methane content can be specifically controlled.
In dem Verfahren kann vorteilhafterweise zum Verdichten des Kältemittels in dem Kältemittelkreislauf wenigstens ein Kreislaufverdichter verwendet werden. Hierbei kann es sich um einen gängigen Kreislaufverdichter handeln, wie er in üblichen Luftzerlegungsanlagen eingesetzt wird. Auf aufwendigere Verdichteranlagen kann verzichtet werden. Die entsprechend erstellten Anlagen sind damit weitaus kostengünstiger.In the method, at least one cycle compressor can advantageously be used for compressing the refrigerant in the refrigerant circuit. This may be a common cycle compressor, as used in conventional air separation plants. On more complex compressor systems can be omitted. The correspondingly created systems are thus far more cost-effective.
Wie erläutert, kann das erfindungsgemäße Verfahren immer dann zum Einsatz kommen, wenn zumindest ein Teil der zuvor verflüssigten methanreichen Fraktion, die in dem wenigstens einem Wärmetauscher zu der Abkühlung des Synthesegases verwendet und verdampft wurde, als gasförmiges Methanprodukt abgegeben wird. In einer entsprechenden Anlage kann jedoch zusätzlich auch ein flüssiges, beispielsweise unterkühltes, Methanprodukt abgegeben werden.As explained, the method according to the invention can always be used if at least part of the previously liquefied methane-rich fraction used in the at least one heat exchanger for cooling the synthesis gas and vaporized is discharged as gaseous methane product. In a corresponding system, however, a liquid, for example supercooled, methane product can additionally be dispensed.
Ein entsprechendes Verfahren umfasst vorteilhafterweise die Verwendung zumindest eines weiteren Wärmetauschers, in dem ein in einer definierten Entnahmehöhe der zweiten Trennkolonne entnommenes Fluid erwärmt wird. Hierbei kann ein solcher 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 solcher weiterer Wärmetauscher in Form eines 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.A corresponding method advantageously comprises the use of at least one further heat exchanger in which a fluid removed at a defined removal height of the second separation column is heated. In this case, such a further heat exchanger can be designed, for example, as a so-called bottom reboiler, in which bottom reboiler a fluid withdrawn from the bottom of the second separation column can be heated and optionally evaporated. Furthermore, such a further heat exchanger may be provided in the form of a 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.
Zur Erwärmung des in der wenigstens einen definierten Entnahmehöhe der zweiten Trennkolonne entnommenen Fluids in dem wenigstens einen Wärmetauscher, beispielsweise in einem Sumpfaufkocher, wird gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung zumindest das in dem ersten Wärmetauscher abgekühlte methanhaltige Synthesegas verwendet. Hierdurch reduziert sich die zur Abkühlung des methanhaltigen Synthesegases erforderliche Energie weiter. Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorteilhaft sein, zur Erwärmung des in der wenigstens einen definierten Entnahmehöhe der zweiten Trennkolonne entnommenen Fluids, beispielsweise in einem Sumpfaufkocher, zumindest einen Anteil eines Kältemittels aus dem Kältemittelkreislauf zu verwenden.For heating the fluid removed in the at least one defined removal height of the second separation column in the at least one heat exchanger, for example in a bottom reboiler, at least the methane-containing synthesis gas cooled in the first heat exchanger is used according to an advantageous embodiment. This further reduces the energy required to cool the methane-containing synthesis gas. Alternatively or additionally, it may also be advantageous to use at least a portion of a refrigerant from the refrigerant circuit for heating the fluid removed in the at least one defined removal height of the second separation column, for example in a bottom reboiler.
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).
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.
Die Vorrichtung ist als Tieftemperaturzerlegungsanlage ausgebildet und weist wenigstens einen Wärmetauscher, der dafür eingerichtet ist, das Synthesegas abzukühlen, und wenigstens eine Einrichtung, die dafür eingerichtet ist, das Methan aus dem abgekühlten Synthesegas in einer verflüssigten methanreichen Fraktion zu gewinnen, auf. Es sind ferner Mittel vorgesehen, die dafür eingerichtet sind, die verflüssigte methanreiche Fraktion wenigstens teilweise in dem wenigstens einem Wärmetauscher zu der Abkühlung des Synthesegases zu verwenden.The device is designed as a cryogenic separation plant and has at least one heat exchanger which is adapted to cool the synthesis gas and at least one device which is adapted to recover the methane from the cooled synthesis gas in a liquefied methane-rich fraction on. Means are also provided which are adapted to at least partially use the liquefied methane-rich fraction in the at least one heat exchanger for the cooling of the synthesis gas.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren weiter erläutert, die unter anderem bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen.The invention will be further elucidated 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 fed to the first separation column S1 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. Hierbei 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 erwärmt 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. Here, a third and a fourth heat exchangers 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 kohlenmonoxidarme Methanfraktion mit einer Konzentration von beispielsweise 0,01 bis 1,00 Vol.%, insbesondere 0,1 bis 0,5 Vol.% Kohlenmonoxid – die verflüssigte methanreiche Fraktion – erhalten werden. Diese kann beispielsweise durch den Wärmetauscher E2 geführt werden. Sie kann in Form eines Methanprodukts LNG wahlweise als siedende oder unterkühlte Flüssigkeit abgegeben werden.In the bottom of the second separation column S2, a low-carbon methane fraction having a concentration of, for example, 0.01 to 1.00 vol.%, In particular 0.1 to 0.5 vol.% Carbon monoxide - the liquefied methane-rich fraction - can be obtained. This can be performed for example by the heat exchanger E2. It can be delivered in the form of a methane product LNG either as a boiling or supercooled liquid.
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 Zwischenkühlem 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 intermediate coolers E6, E7 and E8 and a first and a second booster C2 and C3 with an aftercooler E9. In the main compressor C1 and the secondary compressors C2 and C3, a gaseous refrigerant, such as 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. The outlet pressure PA is according to the definition made here suction side of the main compressor C1, the final pressure PE pressure side of the post-compressor C3, as illustrated by dashed lines shown 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.
Der ”warme” Anteil des Kältemittels kann im warmen Expander X2 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.The "warm" portion of the refrigerant can be relaxed in the warm expander X2 to a pressure of for example 5 to 20 bar, in particular 8 to 15 bar, cold and work. The expanded refrigerant stream can then be further warmed in the first heat exchanger E1 and then fed to the main compressor C1 again.
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 at a temperature of, for example, -60 to -120 ° C; especially -90 to -110 ° C, cooled. In the third and the fourth heat exchangers E3 and E4, a further cooling of a correspondingly branched portion to a temperature of, for example, -80 to -130 ° C, in particular -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. Die Zwischentemperatur TI des dem kalten Expander X1 zugeführten Kältemittels wird so eingestellt, dass in dem Expander X1 keine Verflüssigung erfolgt. Die durch die Entspannung freiwerdende Kälte wird zur Kühlung in dem zweiten Wärmetauscher E2 verwendet, mit einer freiwerdenden mechanischen Leistung wird der Nachverdichter C3 angetrieben.The refrigerant with the intermediate temperature TI is now again divided into a first and a second portion. A first portion, for example 60 to 95% of the refrigerant, is supplied to the cold expander X1. The intermediate temperature TI of the refrigerant supplied to the cold expander X1 is adjusted so that no liquefaction takes place in the expander X1. The released by the relaxation of cold is used for cooling in the second heat exchanger E2, with a released mechanical power of the booster C3 is driven.
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.
Die Erfindung kann auch in Anlagen mit abweichender Konfiguration zum Einsatz kommen. So kann auch beispielsweise dem Expander X1 ein auf eine wesentlich tiefere Temperatur abgekühltes Kältemittel zugeführt werden, so dass nach der Entspannung eine Zweiphasengemisch vorliegt.The invention can also be used in plants with a different configuration. Thus, for example, the expander X1, a cooled to a much lower temperature refrigerant can be supplied, so that there is a two-phase mixture after the relaxation.
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 und mit dem in dem kalten Expander X1 verdampften ersten Anteil des Kältemittels vereinigt werden.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%, 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 and with the in the cold expander X1 vaporized first portion of the refrigerant to be united.
Das Kältemittel wird dann mit dem ersten Anteil vereinigt und in den Wärmetauschern E2 und E1, falls erforderlich, vollständig verdampft sowie gegebenenfalls überhitzt, und anschließend dem Hauptverdichter C1 erneut zugeführt.The refrigerant is then combined with the first portion and in the heat exchangers E2 and E1, if necessary, completely evaporated and optionally superheated, and then fed back to the main compressor C1.
In
Auch in der Anlage
Durch die Verwendung der methanreichen verflüssigten Fraktion als Kältemittel in dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher E1 und E2 kann auf den warmen Expander X2 und damit auf den mit diesem gekoppelten Nachverdichter C2, der in
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 bottom-side separated in the first separation column S1 rich methane and carbon monoxide sump fraction via a pressure relief valve V5 and to heat 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.
Mit der vorliegenden Erfindung können auch Anlagen 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.With the present invention, plants can be operated 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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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |