DE102015012213A1

DE102015012213A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von Elektrolyten aus Synthesegasen

Info

Publication number: DE102015012213A1
Application number: DE102015012213.4A
Authority: DE
Inventors: Jan-Peter Bohn; Ulvi Kerestecioglu
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-09-17
Filing date: 2015-09-17
Publication date: 2017-03-23
Also published as: CA2939502A1; US20170080377A1; US10245549B2; CN106540520A; CN106540520B

Abstract

Die Erfindung bettrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abtrennung eines Elektrolyts aus einem ersten (1) und einem zweiten jeweils einen Elektrolyt enthaltenden Synthesegas (5), wobei jedes der beiden Synthesegase (1, 5) in einer Waschkolonne (W1, W2) einer Wasserwäsche unterzogen wird, bei der ein weitgehend elektrolytfreies Synthesegas (3, 6) sowie ein mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenes Waschwasser (4, 7) erhalten werden. Kennzeichnend hierbei ist, dass zur Wäsche des zweiten Synthesegases (5) zumindest ein Teil des bei der Wäsche des ersten Synthesegases (1) mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenen Waschwassers (4) als Waschmittel eingesetzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung eines Elektrolyts aus einem ersten und einem zweiten jeweils einen Elektrolyt enthaltenden Synthesegas, wobei jedes der beiden Synthesegase in einer Waschkolonne einer Wasserwäsche unterzogen wird, bei der ein weitgehend elektrolytfreies Synthesegas sowie ein mit dem abgetrennten Elektrolyt beladenes Waschwasser erhalten werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Unter einem Elektrolyt ist eine chemische Verbindung zu verstehen, die in Wasser gelöst in Ionen dissoziiert, und die daher gewöhnlich eine hohe Wasserlöslichkeit aufweist. Beispiele für Elektrolyte sind Ammoniak und Chlorwasserstoff.
Synthesegase sind Gasgemische, die in industriellem Maßstab beispielsweise durch Dampfreformierung oder Partielle Oxidation aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoffen wie Erdgas, Flüssiggas, Naphtha, Schweröl oder Kohle gewonnen werden. Sie bestehen zum überwiegenden Teil aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid, enthalten aber auch in geringeren Mengen Schwefelkomponenten sowie Ammoniak und Chlorwasserstoff. Um wirtschaftlich verwertbare Produkte wie Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Oxogas oder ein schwefelfreies, weitgehend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid bestehendes Brenngas für eine Gasturbine zu erhalten, wird ein Synthesegas häufig einer Methanolwäsche unterzogen, in der vor allem Kohlendioxid und Schwefelkomponenten abgetrennt werden.
Elektrolyte wie Chlorwasserstoff und insbesondere Ammoniak können mit Methanol schwerlösliche Verbindungen bilden und dürfen daher nicht in den Waschmittelkreislauf der Methanolwäsche gelangen, da sie dort zu Blockaden führen würden. Einer Methanolwäsche zur Behandlung von Synthesegasen ist daher eine Wasserwäsche vorgeschaltet, in der im Synthesegas enthaltene Elektrolyte mit Hilfe von Waschwasser abgetrennt werden. Üblicherweise wird die Wasserwäsche in einer Waschkolonne durchgeführt, in die auf Temperaturen von ca. –40°C gekühltes demineralisiertes Wasser (Deionat) oder Kesselspeisewasser als Waschwasser eingeleitet wird. Das mit den aus dem Synthesegas abgetrennten Elektrolyten beladene Waschwasser wird aus der Waschkolonne abgezogen und so aufbereitet, dass es erneut verwendet oder als Abwasser abgeben werden kann. Die für die Abtrennung der Elektrolyte aus einem Synthesegas erforderliche Mindestwaschwassermenge ist aufgrund der hohen Wasserlöslichkeit der Elektrolyte wesentlich geringer als der tatsächliche Wasserbedarf der Wasserwäsche, der durch die Mindestberieselungsdichte der Kolonnenböden bestimmt wird.
Um aus einem Synthesegas gleichzeitig mehrere Produkte zu erzeugen, kann das Synthesegas in mehrere Teilströme aufgeteilt werden, die nachfolgend unterschiedlich behandelt werden. Sollen beispielsweise aus dem Synthesegas ein Wasserstoffprodukt und ein Brenngas für eine Gasturbine gewonnen werden, wird das Synthesegas in einen ersten und einen zweiten Teilstrom geteilt, von denen lediglich einer durch Wassergas-Shift konvertiert wird, um Kohlenmonoxid mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid umzusetzen. Durch den bei der Wassergas-Shift auftretenden Druckverlust weist der nicht konvertierte Teilstrom einen Druck auf, der etwa 2 bis 4 bar höher ist als der Druck des konvertierten Teilstroms. Zur Abtrennung von Schwefelkomponenten und/oder Kohlendioxid werden die beiden Synthesegase in zwei parallel betriebenen Methanolwäschen getrennt voneinander gewaschen. Jeder der beiden Methanolwäschen ist eine Wasserwäsche vorgeschaltet, in der jeweils ein Teilstrom mit gekühltem Deionat oder Kesselspeisewasser gewaschen wird.
Die Wasserwäsche stellt nicht zuletzt wegen der Bereitstellung des frischen und der Entsorgung bzw. Aufbereitung des beladenen Waschwassers einen erheblichen Kostenfaktor dar, der die Wirtschaftlichkeit der Gewinnung von Produkten aus Synthesegasen beeinträchtigt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, durch die eine Abtrennung von Elektrolyten aus Synthesegasen zu geringeren Kosten als nach dem Stand der Technik erreicht werden kann.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Wäsche des zweiten Synthesegases zumindest ein Teil des bei der Wäsche des ersten Synthesegases mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenen Waschwassers als Waschmittel eingesetzt wird.
Die Erfindung macht Gebrauch davon, dass, bedingt durch die Betriebserfordernisse der Waschkolonne, die Aufnahmefähigkeit des bei der Wäsche des ersten Synthesegases eingesetzten Waschwassers nur zu einem Bruchteil ausgenutzt wird, und das beladene Waschmittel daher noch fähig ist, weitere Elektrolytmengen zu absorbieren.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann der Bedarf an Waschwasser bei gleichbleibender Qualität der Elektrolytabtrennung gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduziert werden. Als Folge verringern sich sowohl die Kosten für die Bereitstellung des unbeladenen Waschwassers als auch diejenigen für die Aufbereitung bzw. Entsorgung des beladenen Waschwassers.
Bevorzugt wird die Wäsche des zweiten Synthesegases alleine mit Waschwasser durchgeführt, das bei der Wäsche des ersten Synthesegases mit einem Elektrolyt beladen wurde. Es soll aber nicht ausgeschlossen sein, daneben auch unbeladenes Waschwasser einzusetzen. Das kann nicht nur dann sinnvoll sein, wenn die Menge des beladenen Waschwassers nicht für eine vollständige Wäsche des zweiten Synthesegases ausreicht, sondern auch etwa dann, wenn die Beladung des aus der erste Wäsche zugeführten Waschwassers zu hoch ist, um die Elektrolyte aus dem zweiten Synthesegas in dem geforderten Maß abzutrennen. Das unbeladene Waschwasser kann dem beladenen Waschwasser vor dessen Einleitung in die zur Wäsche des zweiten Synthesegases eingesetzte Waschkolonne zugemischt oder unabhängig von diesem der Waschkolonne zugeführt werden. Bei getrennter Zuführung wird das unbeladene Waschmittel sinnvollerweise an einer höheren Position in die Waschkolonne eingeleitet als das beladene.
Zur Überführung von bei der Wäsche des ersten Synthesegases beladenem Waschwasser in die zur Wäsche des zweiten Synthesegases eingesetzte Waschkolonne kann eine Pumpe verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Synthesegas bei einem höheren Druck gewaschen werden als das zweite, so dass die zwischen beiden Wäschen bestehende Druckdifferenz nutzbar ist, um bei der Wäsche des ersten Synthesegases beladenes Waschwasser der zweiten Wasserwäsche zuzuführen. Weiterhin ist es möglich, die für die Wäsche des ersten Synthesegases eingesetzte Waschkolonne höher zu positionieren als die Waschkolonne, in der das zweite Synthesegas gewaschen wird, und beladenes Waschwasser der Wäsche des zweiten Synthesegases mit Hilfe der Schwerkraft zuzuführen.
Mit besonderem Vorzug kann das erfindungsgemäße Verfahren dann eingesetzt werden, wenn aus einem Synthesegas ein erster und ein zweiter Teilstrom gebildet werden, um ein Wasserstoffprodukt und ein Brenngas für eine Gasturbine zu erzeugen, wobei der erste Teilstrom das erste Synthesegas bildet, während das zweite Synthesegas durch Konvertierung des zweiten Teilstroms durch Wassergas-Shift entsteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Abtrennung einer Vielzahl von Elektrolyten. Vorzugsweise wird es jedoch dazu eingesetzt, um Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff aus Synthesegasen abzutrennen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abtrennung eines Elektrolyts aus Synthesegasen mit einer ersten Waschkolonne, in der ein erstes und einer zweiten Waschkolonne, in der ein zweites einen Elektrolyt enthaltendes Synthesegas einer Wasserwäsche unterzogen werden kann, wobei jede der Waschkolonnen eine Zuführeinrichtung für Waschwasser und Abzugseinrichtungen für gewaschenes Synthesegas sowie für mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenes Waschwasser aufweist.
Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Abzugseinrichtung für beladenes Waschwasser der ersten mit der Zuführeinrichtung für Waschwasser der zweiten Waschkolonne so verbunden ist, dass zumindest ein Teil des in der ersten Waschkolonne bei der Wäsche des ersten Synthesegases mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenen Waschwassers bei der Wäsche des zweiten Synthesegases in der zweiten Waschkolonne eingesetzt werden kann.
Zweckmäßigerweise ist die erste Waschkolonne höher positioniert als die zweite, so dass die Schwerkraft dazu eingesetzt werden kann, um in der ersten Waschkolonne mit einem Elektrolyt beladenes Waschwasser in die zweite Waschkolonne zu überführen. Eine besonders platzsparende Variante ergibt sich durch Anordnung der beiden Waschkolonnen senkrecht übereinander.
Vorzugsweise ist die zweite Waschkolonne mit einer weiteren Zuführeinrichtung für Waschwasser ausgeführt, über die neben in der ersten Waschkolonne beladenem Waschwasser auch unbeladenes Waschwasser der zweiten Waschkolonne zugeführt werden kann. Sinnvollerweise ist die weitere Zuführeinrichtung für das unbeladene Waschwasser so angeordnet, dass das unbeladene Waschwasser an einer höheren Position als das in der ersten Waschkolonne beladene Waschwasser in die zweite Waschkolonne einleitbar ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die 1 zeigt eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der parallel aus zwei Synthesegasen ein Elektrolyt abgetrennt wird.
Über Leitung 1 wird ein Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff enthaltendes erstes Synthesegas der erste Waschkolonne W1 in ihrem unteren Teil aufgegeben, wo es nach oben geführt und dabei in intensiven Kontakt mit am Kopf der Waschkolonne W1 unbeladen zugeführtem Waschwasser 2 gebracht wird. Als Resultat der Wasserwäsche wird ein von Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff weitgehend freies erstes Synthesesgas 3 sowie ein mit aus dem ersten Synthesegas 1 abgetrenntem Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff beladenes Waschwasser 4 aus der Waschkolonne W1 abgezogen. Die Menge des in der ersten Waschkolonne W1 eingesetzten Waschwassers 2 wird von der Mindestberieselungsdichte der Kolonnenböden B1 bestimmt und ist daher erheblich größer als die Mindestwaschwassermenge, die für die Auswaschung von Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff benötigt wird, weshalb das beladene Waschwasser 4 noch aufnahmefähig für Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff ist.
Mit Unterstützung der Schwerkraft wird das beladene Waschwasser 4 zum Kopf der senkrecht unterhalb der ersten W1 angeordneten zweiten Waschkolonne W2 geführt, wo es dazu eingesetzt wird, das zweite Synthesegas 5 zu waschen und ebenfalls von Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff zu befreien. Vom Kopf der zweiten Waschkolonne wird daher ein von Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff weitgehend freies zweites Synthesesgas 6 und aus ihrem Sumpf ein mit aus beiden Synthesegasen 2 und 5 abgetrenntem Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff beladenes Waschwasser 7 abgezogen.
Um einen höheren Abtrenngrad zu erreichen, kann alternativ oberhalb des obersten der Kolonnenböden B2 unbeladenes Waschwasser 8 in die zweite Waschkolonne W2 geführt werden, in die an einer tieferen Position nur ein Teil 9 des in der ersten Waschkolonne W1 beladenen Waschwassers 4 eingeleitet wird. Der Rest 10 des in der ersten Waschkolonne W1 beladenen Waschwassers 4 wird direkt mit dem in der zweiten Waschkolonne beladenen Waschwasser 7 vereinigt.

Claims

Verfahren zur Abtrennung eines Elektrolyts aus einem ersten (1) und einem zweiten jeweils einen Elektrolyt enthaltenden Synthesegas (5), wobei jedes der beiden Synthesegase (1, 5) in einer Waschkolonne (W1, W2) einer Wasserwäsche unterzogen wird, bei der ein weitgehend elektrolytfreies Synthesegas (3, 6) sowie ein mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenes Waschwasser (4, 7) erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wäsche des zweiten Synthesegases (5) zumindest ein Teil des bei der Wäsche des ersten Synthesegases (1) mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenen Waschwassers (4) als Waschmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Synthesegas (1) bei einem höheren Druck gewaschen wird als das zweite Synthesegas (5) und in der ersten Wasserwäsche (W1) beladenes Waschwasser (4) mit Hilfe des Druckunterschiedes der zweiten Wasserwäsche (W2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Wäsche des ersten Synthesegases (1) beladenes Waschwasser (4) mit Hilfe der Schwerkraft der zweiten Wasserwäsche (W2) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gewinnung des ersten (1) und des zweiten Synthesegases (5) ein Synthesegasstrom in einen ersten und einen zweiten Teilstrom geteilt wird, wobei der erste Teilstrom das erste Synthesegas (1) bildet, während das zweite Synthesegas (5) durch Konvertierung des zweiten Teilstroms durch Wassergas-Shift entsteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Ammoniak und/oder Chlorwasserstoff aus den Synthesegasen (1, 5) abgetrennt wird.
Vorrichtung zur Abtrennung eines Elektrolyts aus Synthesegasen (1, 5) mit einer ersten Waschkolonne (W1), in der ein erstes (1) und einer zweiten Waschkolonne (W2), in der ein zweites einen Elektrolyt enthaltendes Synthesegas (5) einer Wasserwäsche unterzogen werden kann, wobei jede der Waschkolonnen (W1, W2) eine Zuführeinrichtung für Waschwasser (2, 4) und Abzugseinrichtungen für gewaschenes Synthesegas (3, 6) sowie für mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenes Waschwasser (4, 7) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzugseinrichtung für beladenes Waschwasser (4) der ersten (W1) mit der Zuführeinrichtung für Waschwasser (4) der zweiten Waschkolonne (W2) so verbunden ist, dass zumindest ein Teil des in der ersten Waschkolonne (W1) bei der Wäsche des ersten Synthesegases (1) mit einem abgetrennten Elektrolyt beladenen Waschwassers (4) bei der Wäsche des zweiten Synthesegases (5) in der zweiten Waschkolonne (W2) eingesetzt werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Waschkolonne (W1) senkrecht über der zweiten Waschkolonne (W2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Pumpe umfasst, mit deren Hilfe beladenes Waschwasser (4) aus der ersten (W1) in die zweite Waschkolonne (W2) gefördert werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Waschkolonne (W1) mit einer Zuführeinrichtung ausgeführt ist, über die unbeladenes Waschwasser (8) an einer höheren Position als das beladene Waschwasser (9) aus der ersten Waschkolonne (W1) eingeleitet werden kann.