DE102015015686A1

DE102015015686A1 - Verfahren zum Anwärmen kryogener Gaszerleger

Info

Publication number: DE102015015686A1
Application number: DE102015015686.1A
Authority: DE
Inventors: Markus Berg; Martin Lang
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anwärmen eines aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten bestehenden kryogenen Gaszerlegers (Z) von Betriebs- auf Umgebungstemperatur, in dem im Normalbetrieb ein Gasgemisch in mehrere Gasfraktionen zerlegt wird. Kennzeichnend hierfür ist, dass durch zumindest einen Teil der Komponenten des kryogenen Gaszerlegers (Z) ein Heizgas (1, 11, 12, 13, 14) geleitet wird, das dabei Wärme abgibt und wenigstens eine der Komponenten des kryogenen Gaszerlegers anwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Anwärmen eines aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten bestehenden kryogenen Gaszerlegers (Z) von Betriebs- auf Umgebungstemperatur, in dem im Normalbetrieb ein Gasgemisch in mehrere Gasfraktionen zerlegt wird.
Unter einem kryogenen Gaszerleger ist eine Vorrichtung zur Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere von Synthesegasen, zu verstehen, die aus mehreren strömungstechnisch miteinander verbundenen Komponenten besteht, durch die im Normalbetrieb das zu zerlegende Gasgemisch geleitet, dabei abgekühlt, teilweise verflüssigt und in Trennschritte etwa durch eine Destillation in mehrere Gasfraktionen zerlegt wird, von denen jede nach Anwärmung gegen abzukühlende Stoffströme als wirtschaftlich wertvolles Produkt oder zu verwerfendes Restgas aus dem kryogenen Gaszerleger geführt wird. Abhängig von der Zusammensetzung des zu zerlegenden Gasgemisches und der Art und Reinheit der Produkte werden innerhalb eines kryogenen Gaszerlegers Temperaturen von bis zu –200°C erreicht. Die hierfür erforderliche Kälte wird ganz oder teilweise durch kälteleistende Entspannung des zu zerlegenden Gasgemisches und/oder eines aus dem Gasgemisch abgetrennten Bestandteils erzeugt. Hierzu umfasst der kryogene Gaszerleger Komponenten wie Entspannungsturbinen oder Drosselorgane. Als Beispiele sind Gaszerleger zu nennen, die nach dem Kondensationsverfahren, dem Prinzip der Methanwäsche oder der Stickstoffwäsche arbeiten.
Gewöhnlich umfasst ein kryogener Gaszerleger einen Wärmetauscher, über den das zu zerlegende Gasgemisch ein- sowie die durch Zerlegung erhaltenen Produkte und Restgase ausgeleitet werden. Da hier während des Normalbetriebs die höchsten Temperaturen auftreten, spricht man von dem ”warmen Ende” des Gaszerlegers. Der Teil des kryogenen Gaszerlegers, an dem die tiefsten Temperaturen erreicht werden, wird dagegen als ”kaltes Ende” bezeichnet.
Um den Kältebedarf eines kryogenen Gaszerlegers zu minimieren, ist er, von wärmeisolierendem Material umgeben, in einer sog. Coldbox angeordnet. Falls es zur Durchführung einer routinemäßigen Wartung oder zur Behebung eines Schadens erforderlich ist, die Coldbox zu öffnen, müssen die Temperaturen der Komponenten des kryogenen Gaszerlegers vor der Öffnung an die Umgebungstemperatur angeglichen werden. Ansonsten kann Feuchtigkeit aus der Luft auskondensieren und sich in dem wärmeisolierenden Material festsetzen, aus der sie insbesondere dann nur schwer wieder zu entfernen ist, wenn diese als Schüttung aus geblähtem Perlit ausgebildet ist. Um Beschädigungen des kryogenen Gaszerlegers aufgrund thermischer Spannungen zu vermeiden, ist es zudem erforderlich, seine Komponenten langsam und gleichmäßig aufzuwärmen. Nach dem Stand der Technik wird der Gaszerleger daher stillgelegt und nach dem Ablassen tiefkalter Flüssigkeiten so lange sich selbst überlassen, bis die aus der Umgebung in die Coldbox eindringende Wärme zu der gewünschten Temperaturangleichung geführt hat. Wegen der Güte der Wärmeisolierung dauert die Aufwärmung eines kryogenen Gaszerlegers in der Praxis daher oft länger als einen Tag und ist wegen des daraus resultierenden Produktionsausfalls mit erheblichen Kosten verbunden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, durch das es möglich ist, die für die Anwärmung eines kryogenen Gaszerlegers erforderliche Zeit gegenüber dem Stand der Technik zu verkürzen.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass durch zumindest einen Teil der Komponenten des kryogenen Gaszerlegers ein Heizgas geleitet wird, das dabei Wärme abgibt und wenigstens eine der Komponenten des kryogenen Gaszerlegers anwärmt.
Als Heizgas kann ein Gas verwendet werden, das frei ist von Komponenten, die bei den im kryogenen Gaszerleger herrschenden Temperaturen ausfrieren und zu Blockaden führen. Vorzugsweise wird trockener Niederdruckstickstoff als Heizgas eingesetzt.
Vor dem Anwärmen wird die Zufuhr von zu zerlegendem Gasgemisch zum kryogenen Gaszerleger unterbrochen. Anschließend wird im Gaszerleger verbliebenes, zu zerlegendes Gasgemisch mithilfe von Heizgas ausgespült, so dass nach der Spülphase allein Heizgas durch den Gaszerleger strömt.
Sinnvollerweise wird das Heizgas drucklos, d. h. mit einem Druck von weniger als 3 bar (a) in den kryogenen Gaszerleger eingeführt, um zu vermeiden, dass es sich in dafür vorgesehenen Komponenten durch kälteleistende Entspannung abkühlt, ohne dabei Wärme auf eine der Komponenten des Gaszerlegers zu übertragen. Alternativ kann das Heizgas auch mit einem höheren Druck durch den kryogenen Gaszerleger geführt werden, wobei die für die Kälteerzeugung vorgesehenen Komponenten dann jedoch umgangen werden.
Um eine Beschädigung des kryogenen Gaszerlegers durch zu schnelles Anwärmen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, das Heizgas geregelt durch den kryogenen Gaszerleger zu leiten, wobei die Temperaturdifferenz zwischen zu- und abströmendem Heizgas die Regelgröße darstellt. Dabei ist es möglich, das Heizgas mit konstanter Temperatur in den kryogenen Gaszerleger einzuleiten und seinen Massenstrom zu variieren und/oder bei konstantem Massenstrom die Eintrittstemperatur des Heizgases zu verändern.
Das Heizgas kann auf unterschiedlichen Wegen durch den anzuwärmenden kryogenen Gaszerleger geleitet werden, wobei während des Anwärmvorgangs ein Wechsel zwischen verschiedenen Wegen möglich ist.
Vorzugsweise wird Heizgas über den Weg des zu zerlegenden Gasgemisches am warmen Ende in den kryogenen Gaszerleger eingeleitet und von dort auch abgekühlt wieder über den Weg eines Produktes und/oder Restgases abgezogen. Das Heizgas kann dabei sämtliche Komponenten des Gaszerlegers durchströmen, so dass es insbesondere bei dieser Variante sinnvoll ist, das Heizgas drucklos zu führen, um eine kälteleistende Entspannung zu vermeiden. Zwar wird bei dieser Verfahrensvariante die Kälte nur relativ langsam ausgetragen, jedoch ist sie für den kryogenen Gaszerleger sehr schonend, da die auftretenden Temperaturgradienten ähnlich denen im Normalbetrieb sind.
Eine Alternative sieht vor, zumindest eine Teilmenge des Heizgases über das warme Ende in den kryogenen Gaszerleger einzuleiten und wenigstens einen Teil des so eingeleiteten Heizgases über das kalte Ende wieder abzuziehen. Bei dieser Verfahrensvariante kann Kälte sehr effektiv ausgetragen werden, da austretendes kaltes Gas direkt durch warmes Gas ersetzt wird. Ungünstig hohe Temperaturgradienten können durch die Kontrolle der kalt abgezogenen Gasmenge vermieden werden.
Eine weitere Alternative sieht vor, zumindest eine Teilmenge des Heizgases über das kalte Ende in den kryogenen Gaszerleger einzuleiten und wenigstens einen Teil des so eingeleiteten Heizgases über das warme Ende wieder abzuziehen. Vorzugsweise wird hierbei eine erste Teilmenge des Heizgases über den Weg des zu zerlegenden Gasgemisches durch den Gaszerleger geführt, um am kalten Ende abgezogen zu werden, während eine zweite Teilmenge über die Wege eines Produktes bzw. Restgases geführt wird und den Gaszerleger über das warme Ende verlässt. Hierbei erfährt vor allem der kälteste Bereich des kryogenen Gaszerlegers eine rasche Anwärmung. Um Beschädigungen der Anlage durch zu große Temperaturgradienten zu vermeiden, muss die Anwärmung sehr kontrolliert durchgeführt werden.
Als Heizgase eignen sich Stoffe, die auch bei den innerhalb eines kryogenen Gaszerlegers herrschenden tiefen Temperaturen ihren Aggregatzustand beibehalten und daher nicht zu Blockaden führen können. Darüber hinaus sollten die Heizgase am Standort des kryogenen Gaszerlegers preisgünstig und in ausreichender Menge bezogen werden können. Ein Stoff, der alle diese Bedingungen normalerweise erfüllt, ist Stickstoff, weshalb vorgeschlagen wird, insbesondere Stickstoff als Heizgas einzusetzen.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand dreier in den 1 bis 3 schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Die drei Figuren zeigen jeweils die Anwärmung eines kryogenen Gaszerlegers, die in 1 gemäß einer ersten bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt, während sie in den 2 und 3 nach weiteren bevorzugten Varianten durchgeführt wird.
In 1 wird ein Heizgas 1, bei dem es sich vorzugsweise um Stickstoff handelt, drucklos und mit Umgebungstemperatur an dessen warmem Ende A in den kryogenen Gaszerleger Z eingeleitet, durch den es auf demselben Weg 2 wie ein zu zerlegendes Gasgemisch während des Normalbetriebs geführt wird. Der kryogene Gaszerleger Z ist in der Coldbox C angeordnet und von einer Wärmeisolierung W umgeben, über die Wärme nur sehr langsam von außen eindringen kann, um den kryogenen Gaszerleger Z anzuwärmen. Auf seinem Weg 2 durchströmt das Heizgas 1 Komponenten des kryogenen Gaszerlegers Z, die dabei Wärme aufnehmen und das Heizgas bis zum Erreichen des kalten Endes B abkühlen. Von hier ab folgt das Heizgas 1 weitgehend dem Weg 3 eines oder mehrerer im Normalbetrieb erzeugter Produkte und/oder Restgase und wird in den Wärmetauschern E2 und E1 gegen das einströmende Heizgas angewärmt, so dass abgekühltes Heizgas 4 den kryogenen Gaszerleger Z an dessen warmem Ende A mit einer Temperatur verlässt, die nur wenig geringer ist als die Temperatur des zugeführten Heizgases 1.
Bei der in 2 gezeigten Variante wird das Heizgas ebenfalls mit Umgebungstemperatur an dessen warmem Ende A in den kryogenen Gaszerleger Z eingeleitet, wobei jedoch nur ein Teil 11 auf dem Weg 2 des zu zerlegenden Gasgemisches geführt wird. Das restliche Heizgas 12 wird dagegen in umgekehrter Strömungsrichtung auf dem Weg 3 des oder der im Normalbetrieb erzeugten Produkte und Restgase geführt. Die beiden Heizgasteilströme geben auf ihren Wegen Wärme an die durchströmten Komponenten des kryogenen Gaszerlegers Z ab, an dessen kaltem Ende B sie als abgekühlte Heizgasströme 41 und 42 abgezogen werden.
In 3 wird ein erster Teil 13 des Heizgases mit Umgebungstemperatur an dessen warmem Ende A in den kryogenen Gaszerleger Z eingeleitet und auf dem Weg 2 des zu zerlegenden Gasgemisches bis zu dessen kaltem Ende B geführt. Hier wird ein Teil 43 des abgekühlten ersten Teils 13 des Heizgases aus dem kryogenen Gaszerleger Z abgezogen, während ein anderer Teil 44 mit dem zweiten Teil 14 des Heizgases gemischt wird, der mit Umgebungstemperatur am kalten Ende B zugeführt wird. Von hier folgt das Heizgas weitgehend dem Weg 3 des oder der im Normalbetrieb erzeugten Produkte und Restgase und wird in den Wärmetauschern E2 und E1 gegen einströmendes Heizgas 13 angewärmt, so dass ein abgekühltes Heizgas 45 den kryogenen Gaszerleger Z an seinem warmen Ende A mit einer Temperatur verlässt, die nur wenig geringer ist als die Temperatur des zugeführten zweiten Teils des Heizgases 14.

Claims

Verfahren zum Anwärmen eines aus mehreren miteinander verbundenen Komponenten bestehenden kryogenen Gaszerlegers (Z) von Betriebs- auf Umgebungstemperatur, in dem im Normalbetrieb ein Gasgemisch in mehrere Gasfraktionen zerlegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch zumindest einen Teil der Komponenten des kryogenen Gaszerlegers (Z) ein Heizgas (1, 11, 12, 13, 14) geleitet wird, das dabei Wärme abgibt und wenigstens eine der Komponenten des kryogenen Gaszerlegers anwärmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizgas (1, 11, 12, 13, 14) drucklos durch den kryogenen Gaszerleger (Z) geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Massenstrom und/oder Temperatur des zugeführten Heizgases (1, 11, 12, 13, 14) so geregelt werden, dass die für die Komponenten des Gaszerlegers (Z) zulässigen Aufwärmraten nicht überschritten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Heizgas (1) über sein warmes Ende (A) in den kryogenen Gaszerleger (Z) eingeleitet und auch wieder herausgeführt wird (4).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Heizgas (11, 12, 13) über sein warmes Ende (A) in den kryogenen Gaszerleger (Z) eingeleitet und über sein kaltes Ende (B) wieder herausgeführt wird (41, 42, 43).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Heizgas (14) über sein kaltes Ende (B) in den kryogenen Gaszerleger (Z) eingeleitet und über sein warmes Ende (A) wieder herausgeführt wird (45).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Heizgas (1) über den Weg des zu zerlegenden Gasgemisches (2) und/oder über den Weg der bei der Zerlegung erhaltenen Fraktionen (3) in den kryogenen Gaszerleger (Z) eingeleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff als Heizgas (1, 11, 12, 13, 14) verwendet wird.