DE102016002225A1 - Verfahren und Vorrichtung zur kryogenen Synthesegaszerlegung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases (1), das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine weitgehend aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende, Wasserstoff enthaltende erste Flüssigphase (9) zu gewinnen, aus der in einer H2-Strippkolonne (T1) durch die Abtrennung von Wasserstoff eine zweite Flüssigphase (15) erzeugt wird, aus welcher in einer CO/CH4-Trennkolonne (T2) eine kohlenmonoxidreiche Gasphase (31) mit einer Reinheit, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt (32) erlaubt, sowie eine weitgehend aus Methan und Kohlenmonoxid bestehendes Sumpfprodukt (34) erhalten werden, wobei einem, in einem durch einen Kreislaufverdichter (V) angetriebenen Kühlkreislauf geführten Kältemittel (20) Wärme entzogen und zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne (T2) verwendet wird. Kennzeichnend hierbei ist, dass zumindest einem Teil (2) des Einsatzgases (1) Wärme entzogen und zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne (T2) verwendet wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases, das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine weitgehend aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende, Wasserstoff enthaltende erste Flüssigphase zu gewinnen, aus der in einer H2-Strippkolonne durch die Abtrennung von Wasserstoff eine zweite Flüssigphase erzeugt wird, aus welcher in einer CO/CH4-Trennkolonne eine kohlenmonoxidreiche Gasphase mit einer Reinheit, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt erlaubt, sowie ein weitgehend aus Methan und Kohlenmonoxid bestehendes Sumpfprodukt erhalten werden, wobei einem, in einem durch einen Kreislaufverdichter angetriebenen Kühlkreislauf geführten Kältemittel Wärme entzogen und zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne verwendet wird.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Verfahren der gattungsgemäßen Art sind dem Fachmann seit vielen Jahren als sog. Kondensationsprozesse bekannt. Sie werden vorzugsweise zur Zerlegung von Synthesegasen eingesetzt, die durch Partielle Oxidation gewonnen werden und daher einen hohen Kohlenmonoxid- und einen niedrigen Methangehalt aufweisen. Unter der Voraussetzung einer genügend weiten Abkühlung des Einsatzgases erlaubt es der Kondensationsprozess, ein Kohlenmonoxidprodukt mit einer Ausbeute von mehr als 85% zu erzeugen, das einen Methangehalt von weniger als 100 vppm aufweist und das daher ohne einen weiteren Reinigungsschritt beispielsweise zur Erzeugung von Monoethylenglykol eingesetzt werden kann.
  • Um insbesondere die für den Prozess benötigte Spitzenkälte zur Verfügung zu stellen und zur Generierung eines Rücklaufs am Kopf der CO/CH4-Kolonne wird nach dem Stand der Technik ein über einen Kreislaufverdichter angetriebener Kühlkreislauf eingesetzt, in dem entweder von außerhalb zugeführter Stickstoff oder intern erzeugtes Kohlenmonoxid als Kältemittel zirkuliert.
  • Für den Kohlenmonoxidkreislauf wird ein Teil der in der CO/CH4-Trennkolonne erhaltenen und gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmten kohlenmonoxidreichen Gasphase verdichtet, gegen anzuwärmende Verfahrensströme verflüssigt und kälteleistend auf den Kopf der CO/CH4-Kolonne entspannt. Ein Teil der dabei anfallenden Flüssigphase bildet einen Kolonnenrücklauf, durch den die geforderte Reinheit des Kohlenmonoxidprodukts erreicht wird, während der Rest weiter entspannt wird, um die Spitzenkälte für den Prozess zu liefern.
  • Auch ein Stickstoffkreislauf wird nach dem Stand der Technik dazu eingesetzt, um die Spitzenkälte für den Prozess bereitzustellen und einen Rücklauf für die CO/CH4-Trennkolonne zu erzeugen, die hierfür mit einem Kondensator ausgerüstet ist, der, mit flüssigem Stickstoff gekühlt, am Kolonnenkopf eine Temperaturdifferenz zum Antrieb eines internen Kohlenmonoxidrücklaufs liefert.
  • Der jeweilige Kühlkreislauf umfasst einen als Reboiler bezeichneten Wärmetauscher, über den der CO/CH4-Kolonne Wärme zugeführt wird. Hierzu wird Flüssigkeit aus dem Sumpfraum der Kolonne, im Wärmetauscher gegen das im Kühlkreislauf zirkulierende Kühlmittel angewärmt und teilweise verdampft und anschließend wieder in die Kolonne entlassen.
  • Das Sumpfprodukt der CO/CH4-Kolonne besteht weitgehend aus Methan und Kohlenmonoxid, wobei der Kohlenmonoxidgehalt zwischen 50 und 70 Vol-% liegt. Es eignet sich daher nicht für eine stoffliche Verwertung und wird nach Verdampfung und Anwärmung gegen abzukühlende Verfahrensströme als Brenngas abgegeben. Insbesondere dann, wenn der lokale Brenngasbedarf geringer ist als die anfallende Menge des Sumpfprodukts, so dass ein Teil von ihm verworfen werden muss, oder wenn das Kohlenmonoxidprodukt höher bewertet wird, als Brenngas, ist es wünschenswert, den Kohlenmonoxidgehalt im Sumpfprodukt zu verringern. Nach dem Stand der Technik kann dies durch eine Erhöhung des Drucks im Kühlkreislauf erreicht werden, wodurch die Verdampfung eines größeren Teils des Sumpfprodukts möglich ist. Allerdings werden die wirtschaftlichen Vorteile bei dieser Verfahrensweise durch den höheren Energieeinsatz für den Betrieb des Kreislaufverdichters aufgehoben.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die es erlauben, den Kohlenmonoxidgehalt im Sumpfprodukt mit einem gegenüber dem Stand der Technik deutlich reduzierten Energieeinsatz zu verringern.
  • Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zumindest einem Teil des Einsatzgases Wärme entzogen und zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne verwendet wird.
  • Vorzugsweise wird das Einsatzgas hierzu in indirektem Wärmetausch gegen eine in der CO/CH4-Trennkolonne anfallende Flüssigkeit abgekühlt, die dabei teilweise verdampft. Während das entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch nachfolgend in die CO/CH4-Trennkolonne entlassen wird, wird das abgekühlte, bevorzugt jedoch nicht kondensierte Einsatzgas in einem weiteren Abkühlschritt partiell kondensiert. Besonders bevorzugt wird das Einsatzgas gegen Sumpfprodukt der CO/CH4-Trennkolonne abgekühlt, das nach Teilverdampfung zusammen mit der gebildeten Dampfphase wieder in den Sumpfraum zurückgeführt wird.
  • Es ist möglich, die Gesamtmenge oder nur einen Teil des Einsatzgases, das bereits gegen anzuwärmende Verfahrensströme vorgekühlt sein kann, zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne zu verwenden. Falls nur ein Teil des Einsatzgases für die Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne eingesetzt wird, ist vorgesehen, das Einsatzgas in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufzuteilen, von denen der erste zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne abgekühlt und nachfolgend wieder mit dem zweiten Teilstrom zusammengeführt wird, bevor beide gemeinsam partiell kondensiert werden.
  • Zweckmäßigerweise wird der Kühlkreislauf zeitlich stationär betrieben, so dass er nicht dazu eingesetzt werden kann, um insbesondere die Temperaturverhältnisse in der CO/CH4-Trennkolonne bei sich verändernden Betriebsbedingungen konstant zu halten. Es wird daher vorgeschlagen, die Temperaturverhältnisse in der CO/CH4-Trennkolonne mit Hilfe der Einsatzgasmenge zu kontrollieren, die zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne eingesetzt wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, bei der Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne über den Kühlkreislauf ebenfalls Sumpfprodukt der CO/CH4-Trennkolonne anzuwärmen. Das bereits vorgekühlte, gasförmige Kältemittel wird dabei in indirektem Wärmetausch gegen die Flüssigkeit abgekühlt, wobei die Flüssigkeit teilweise verdampft, das Kältemittel jedoch seinen Aggregatzustand beibehält. Das entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch wird nachfolgend vorzugsweise in den Sumpfraum der CO/CH4-Trennkolonne entlassen.
  • Das Kältemittel, bei dem es sich bevorzugt um von außerhalb zugeführten Stickstoff oder um intern erzeugtes Kohlenmonoxid handelt, kann entweder gemeinsam mit dem Einsatzgas gegen dieselbe und/oder unabhängig vom Einsatzgas gegen eine andere in der CO/CH4-Trennkolonne anfallende Flüssigkeit abgekühlt werden. Beispielsweise ist es möglich, das Einsatzgas gegen Sumpfprodukt der CO/CH4-Trennkolonne abzukühlen, während für die Abkühlung des Kältemittels eine oberhalb des Sumpfraums der CO/CH4-Trennkolonne anfallende Flüssigkeit verwendet wird. Das aus dieser Flüssigkeit entstehende Flüssigkeits-Dampf-Gemisch, dessen Dampfanteil bevorzugt unter 50% und besonders bevorzugt unter 25% liegt, wird sinnvollerweise oberhalb der Entnahmestelle der Flüssigkeit in die CO/CH4-Trennkolonne zurückgeführt. Vorzugsweise wird die abzuziehende Flüssigkeit in einem oberhalb des Sumpfraums der CO/CH4-Trennkolonne Kaminboden gesammelt. Diese Verfahrensvariante erlaubt es, eine zwischen 50 und 70 Vol-% liegende Kohlenmonoxidkonzentration in der sich im Kaminboden sammelnden Flüssigkeit zu erreichen.
  • Falls Einsatzgas und Kältemittel gemeinsam gegen Sumpfprodukt der CO/CH4-Trennkolonne abgekühlte, jedoch nicht kondensiert werden, sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass das Kältemittel weiter gegen zumindest einen ersten Teil der in der H2-Strippkolonne anfallenden zweiten Flüssigphase abgekühlt und dabei verflüssigt wird, wobei durch die Verdampfung der Flüssigphase aus der H2-Strippkolonne eine erste Dampfphase gebildet wird. Das verflüssigte Kältemittel wird nachfolgend zweckmäßigerweise zur Erzeugung eines Rücklaufs am Kopf der CO/CH4-Trennkolonne eingesetzt. Zumindest ein Teil des Kältemittels wird anschließend weiter entspannt, um die Spitzenkälte für den Prozess zu liefern.
  • Weiterhin wird vorgeschlagen, aus einem zweiten Teil der in der H2-Strippkolonne anfallenden zweiten Flüssigphase durch Verdampfung gegen das partiell kondensierende Einsatzgas eine zweite Dampfphase zu erzeugen, diese mit der ersten Dampfphase zusammenzuführen und der CO/CH4-Trennkolonne als Zwischenheizung aufzugeben.
  • Zusätzlich kann ein dritter Teil der in der H2-Strippkolonne anfallenden zweiten Flüssigphase, der typischerweise ca. 5–10% von deren Gesamtmenge ausmacht, entspannt und der CO/CH4-Trennkolonne als Zwischenrücklauf aufgegeben werden.
  • Im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem die in der H2-Strippkolonne anfallende zweiten Flüssigphase nur in zwei Teile aufgeteilt wird, von denen der größere gegen teilkondensierendes Einsatzgas verdampft und nachfolgend der CO/CH4-Trennkolonne als Zwischenheizung zugeführt und der zweite Teil nach einer Entspannung der CO/CH4-Trennkolonne als Zwischenrücklauf aufgegeben wird, ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein deutlich niedrigeres Temperaturniveau der Zwischenheizung, so dass der Kühlkreislauf mit geringerem Druck betrieben werden kann, was sich positiv auf die für die Verdichtung anfallenden Kosten auswirkt. So kann der Energiebedarf gegenüber dem Stand der Technik bei vergleichbarem Kohlenmonoxidgehalt in der Sumpffraktion der CO/CH4-Trennkolonne um bis zu 10% reduziert werden.
  • Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases mit wenigstens einem Wärmetauscher zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Einsatzgases, einem Abscheider, in dem eine erste Flüssigphase aus dem partiell kondensierten Einsatzgas abgetrennt werden kann, einer H2-Strippkolonne, in der aus der ersten Flüssigphase durch Abtrennung von Wasserstoff eine zweite Flüssigphase erzeugt werden kann, sowie einer CO/CH4-Trennkolonne, in der aus der zweiten Flüssigphase eine kohlenmonoxidreiche Gasphase mit einer Reinheit, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt erlaubt, sowie ein weitgehend aus Methan und Kohlenmonoxid bestehendes Sumpfprodukt erhältlich sind, wobei die CO/CH4-Trennkolonne mit einem Reboiler in Verbindung steht, der Teil eines durch einen Kreislaufverdichter angetriebenen Kühlkreislaufs ist und über den einem im Kühlkreislauf geführten Kältemitte Wärme entzogen und der CO/CH4-Trennkolonne zu deren Beheizung zugeführt werden kann.
  • Vorrichtungsseitig wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die CO/CH4-Trennkolonne mit einem im Strömungsweg des Einsatzgases angeordneten Reboiler verbunden ist, über den zumindest ein Teil des Einsatzgases geführt werden kann, um Wärme für die Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne zu liefern.
  • Vorzugsweise ist der im Strömungsweg des Einsatzgases angeordneten Reboiler mit dem Sumpfraum der CO/CH4-Trennkolonne verbunden, so dass Sumpfprodukt im Reboiler gegen abzukühlendes Einsatzgas zumindest teilweise verdampft und nachfolgend wieder in den Sumpfraum der aus der CO/CH4-Trennkolonne entlassen werden kann.
  • Zweckmäßigerweise ist im Strömungsweg des Einsatzgases stromaufwärts des Reboilers ein Strömungsteiler angeordnet, über den der Einsatzgasstrom in einen ersten und einen zweiten Teilstrom aufgeteilt werden kann, um den ersten über den Reboiler und den zweiten im Bypass zum Reboiler zu führen. Vorzugsweise ist der Strömungsteiler einstellbar ausgeführt und in einen Regelkreis eingebunden, über den die Temperaturverhältnisse in der CO/CH4-Trennkolonne durch Veränderung der Größe des ersten Teilstroms kontrollierbar sind.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterbildend wird vorgeschlagen, dass der im Weg des Einsatzgases angeordnete Reboiler auch Teil des Kühlkreislaufs ist, so dass über ihn sowohl dem Kältemittel als auch dem Einsatzgas Wärme zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne entzogen werden kann. In dieser Variante umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise einen stromabwärts des Reboilers angeordneten und mit der H2-Strippkolonne verbundenen Kondensator, in dem das im Reboiler abgekühlte, jedoch nicht verflüssigte Kältemittel in indirektem Wärmetausch gegen zumindest einen Teil der zweiten Flüssigphase aus der H2-Strippkolonne kondensiert werden kann, wobei der eingesetzte Teil der zweiten Flüssigphase vollständig verdampft. Besonders bevorzugt ist die H2-Strippkolonne zusätzlich direkt mit dem zur partiellen Kondensation des Einsatzgases verwendeten Wärmtauscher sowie der CO/CH4-Trennkolonne verbunden, so dass ein erster Teil der zweiten Flüssigphase im Kondensator und ein zweiter Teil in dem zur partiellen Kondensation des Einsatzgases verwendeten Wärmtauscher verdampft und ein dritter der CO/CH4-Trennkolonne als Zwischenrücklauf zugeführt werden kann. Sowohl der Kondensator als auch der zur partiellen Kondensation des Einsatzgases verwendeten Wärmtauscher sinnvollerweise so mit der mit der CO/CH4-Trennkolonne verbunden, dass dieser die bei der Verdampfung der zweiten Flüssigphasen erhaltenen Gasströme als Zwischenheizung zuführbar sind.
  • In einer anderen Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist die CO/CH4-Trennkolonne mit einem ersten und einem zweiten Reboiler verbunden, von denen lediglich der erste im Strömungsweg des Einsatzgases angeordnet ist. Dabei soll nicht ausgeschlossen sein, dass der erste Reboiler auch Teil des Kühlkreislaufs ist; vorzugsweise ist er dies jedoch nicht.
  • Zweckmäßigerweise ist die CO/CH4-Trennkolonne in ihrem unteren Bereich mit einem oberhalb des Sumpfraums angeordneten Kaminboden ausgeführt und derart mit dem zweiten Reboiler verbunden, dass Flüssigkeit aus dem Kaminboden abgezogen und nach zumindest teilweiser Verdampfung gegen abzukühlendes und kondensierendes Kältemittel im zweiten Reboiler oberhalb des Kaminbodens wieder in die CO/CH4-Trennkolonne zurückgeführt werden kann.
  • Die Abschnitte der CO/CH4-Trennkolonne oberhalb und unterhalb des Kaminbodens sind durch einen Überlauf miteinander verbunden, so dass sich im Kaminboden sammelnde Flüssigkeit zur weiteren Abtrennung von Kohlenmonoxid in den unteren Abschnitt weitergeleitet werden kann. Sinnvollerweise ist der Kolonnenabschnitt unterhalb des Kaminbodens aufgrund des dort geringeren Stoffumsatzes mit einem kleineren Durchmesser ausgeführt als der Abschnitt oberhalb des Kaminbodens.
  • Bevorzugt ist ein Reboiler als Plattenwärmetauscher oder gewickelter Wärmetauscher ausgeführt und entweder außerhalb oder innerhalb der CO/CH4-Trennkolonne angeordnet. Insbesondere ist der im Strömungsweg des Einsatzgaseses angeordnete Reboiler als gewickelter Wärmetauscher ausgeführt und im Sumpfraum der CO/CH4-Trennkolonne angeordnet.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand zweier in den 1 und 2 schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
  • Die 1 zeigt eine Variante der Erfindung, bei der die CO/CH4-Trennkolonne mit nur einem Reboiler verbunden ist.
  • Die 2 zeigt eine andere Variante der Erfindung, bei der die CO/CH4-Trennkolonne mit zwei Reboilern verbunden ist.
  • In den beiden Figuren sind gleiche Anlagenteile und Verfahrensströme mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
  • In 1 wird ein zu zerlegendes, vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes, Methan enthaltendes Einsatzgas 1, das mit einem Druck zwischen 30 und 60 bar(a) vorliegt, in einem ersten Wärmetauscher E1 gegen anzuwärmende Verfahrensströme ohne zu kondensieren abgekühlt und anschießend in einen ersten 2 und einen zweiten Teilstrom 3 aufgeteilt, von denen dem einen 2 zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne T2 im Reboiler R Wärme entzogen wird, wobei ein weiter abgekühlter, vollständig gasförmiger erster Teilstrom 4 entsteht, mit dem der zweite, im Bypass zum Reboiler R geführte Teilstrom 3 zum Einsatzstrom 5 vereinigt wird. Zur Kontrolle der Temperaturverhältnisse in der CO/CH4-Trennkolonne T2 kann das Mengenverhältnis der beiden Teilströme 2 und 3 variiert werden.
  • Im zweiten Wärmetauscher E2 wird der Einsatzstrom 5 soweit abgekühlt, dass durch die Kondensation von Komponenten ein zweiphasiges Stoffgemisch 6 entsteht, das im Abscheider D in eine weitgehend aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende, Wasserstoff enthaltende Flüssig- und eine wasserstoffreiche Gasphase getrennt wird. Die Gasphase wird über Leitung 7 aus dem Abscheider D abgezogen und nach Anwärmung in den Wärmetauschern E2 und E1 als Rohwasserstoff 8 an der Anlagengrenze abgegeben. Die Flüssigphase 9 dagegen wird der H2-Trennkolonne T1 zugeführt. Hierzu wird sie in zwei Teilströme gesplittet, von denen der erste 10 als Rücklauf auf den Kopf der H2-Trennkolonne T1 entspannt wird, während der zweite Teilstrom 11 nach einer Entspannung und nachfolgender Teilverdampfung im Wärmetauscher E2 dem Mittelteil der H2-Trennkolonne T1 als Zwischenheizung aufgegeben wird.
  • Die H2-Trennkolonne T1, die bei einem Druck betrieben wird, der zwischen einem Fünftel und einem Drittel des Drucks des Einsatzgases 1 liegt, dient zur Entfernung des in der Flüssigphase 9 gelösten Wasserstoffs. Sie wird durch einen Umlauferhitzer 12 beheizt, der im Wärmetauscher E2 integriert ist.
  • Die wasserstoffreiche Kopffraktion 13 aus der H2-Trennkolonne T1 wird nach Anwärmung in den Wärmetauschern E2 und E1 als Flash-Gas 14 an der Anlagengrenze abgegeben, während die weitgehend wasserstofffreie, aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende Sumpffraktion 15 in drei Teilströme 16, 17 und 18 gesplittet und in die bei einem Druck zwischen 5 und 9 bar(a) betriebene CO/CH4-Trennkolonne T2 entspannt wird. Die CO/CH4-Trennkolonne T2 wird über den Reboiler R beheizt, in dem Sumpfprodukt 19 zumindest teilweise verdampft wird.
  • Die für den Prozess benötigte Spitzenkälte wird über einen durch den mit drei Stufen C1, C2 und C3 ausgeführten Kreislaufverdichter V angetriebenen Kältekreislauf erhalten, in dem Kohlenmonoxid als Kältemittel zirkuliert. Kohlenmonoxid 20 verlässt die dritte Verdichterstufe C3 mit einem Druck, der typischerweise zwischen 8 und 12 bar(a) liegt, wird nachfolgend im Wärmetauscher E1 abgekühlt und im Reboiler R gemeinsam mit dem ersten Teilstrom 2 des Einsatzgases 1 gegen anzuwärmendes Sumpfprodukt 19 der CO/CH4-Trennkolonne T2 weiter abgekühlt, ohne dabei zu kondensieren. Im Kondensator E3 wird das im Reboiler R abgekühlte Kohlemonoxid 21 gegen den Teilstrom 16, der typischerweise mehr als 45% der Menge der Sumpffraktion 15 der H2-Trennkolonne T1 ausmacht, kondensiert, der dabei verdampft und als Gasstrom 22 weitergeführt wird. Der zweite Teilstrom 17 der Sumpffraktion 15 wird im Wärmtauscher E2 gegen das partiell zu kondensierende Einsatzgas 5 ebenfalls verdampft und als Gasstrom 23 mit dem Gasstrom 22 zum Gasstrom 24 vereinigt, der anschließend als Zwischenheizung in die CO/CH4-Trennkolonne T2 geführt wird. Der dritte Teilstrom 18 der Sumpffraktion 15, der nur etwa 5–10% von deren Gesamtmenge ausmacht, wird nach einer Entspannung der CO/CH4-Trennkolonne T2 als Zwischenrücklauf aufgegeben.
  • Das im Kondensator E3 kondensierte Kohlenmonoxid 25 wird in zwei Teilströme 26 und 27 aufgeteilt, die auf den Kopf der CO/CH4-Trennkolonne T2 entspannt werden. Während der eine Teil 26 als Rücklauf dient, wird die Flüssigphase des zweiten Teils 27 in zwei Kohlenmonoxidströmen 28 und 29 wieder aus dem als Abscheider wirkenden Kaminboden K1 abgezogen. Während eine Flüssigphase 28 mit der Gasphase 30 vom Kopf der CO/CH4-Trennkolonne T2 zum Kohlenmonoxidstrom 31 vereinigt und nach Verdampfung und Anwärmung in den Wärmetauschern E2 und E1 der dritten Verdichterstufe C3 zugeführt wird, wird die zweite Flüssigphase 29 weiter entspannt, um die Spitzenkälte für den Prozess zu liefern. Der bei der Entspannung entstehende zweiphasige Kohlenmonoxidstrom 33 wird nachfolgend ebenfalls in den Wärmetauschern E2 und E1 verdampft und angewärmt, ehe er auf der Saugseite des Kreislaufverdichters V aufgegeben wird. Das verdichtete Kohlenmonoxid auf der Austrittsseite der dritten Verdichterstufe C3 wird geteilt. Ein Teil wird als Kohlenmonoxidprodukt 32 an der Anlagengrenze abgegeben. Der Rest wird als Kreislaufstrom 20 in den Prozess zurückgeführt.
  • Im Sumpfraum S der CO/CH4-Trennkolonne T2 sammelt sich eine methanreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Flüssigphase 34, die nach Verdampfung und Anwärmung in den Wärmetauschern E2 und E1 als Brenngas 35 abgegeben werden kann. Durch das beschriebene Verfahren ist es möglich, die Flüssigphase 34 mit einem Kohlenmonoxidgehalt von weniger als 25 Vol-% zu erhalten, wodurch die Menge des Brenngases 35 reduziert und dadurch die Wirtschaftlichkeit deutlich verbessert wird.
  • Im Ausführungsbeispiel der 2 wird die für den Prozess benötigte Spitzenkälte über einen durch den mit zwei Stufen C1' und C2' ausgeführten Kreislaufverdichter V' angetriebenen Kältekreislauf erhalten, in dem Stickstoff als Kältemittel zirkuliert. Stickstoff 40 verlässt die zweite Verdichterstufe C2' mit einem Druck, der typischerweise zwischen 16 und 21 bar(a) liegt, wird nachfolgend im Wärmetauscher E1 abgekühlt und im Reboiler R1 gegen eine aus dem im unteren Bereich der Trennkolonne T2' oberhalb des Sumpfraums S' angeordneten Kaminboden K abgezogene Flüssigphase 41 kondensiert, die dabei teilverdampft und nachfolgend oberhalb ihrer Entnahmestelle wieder in die Kolonne zurückgeleitet wird. Der im Reboiler R1 abgekühlte und verflüssigte Stickstoff 43 wird auf den Kopf der CO/CH4-Trennkolonne T2' kälteleistend entspannt, wo ein Kondensator C angeordnet ist, der, durch flüssigen Stickstoff gekühlt, eine Temperaturdifferenz zum Antrieb eines kolonneninternen Kohlenmonoxidrücklaufs 44 liefert. Vom Kopf der CO/CH4-Trennkolonne T2' wird Stickstoff auf mittlerem Druckniveau gasförmig über Leitung 45 und flüssig über die Leitungen 46 und 47 abgezogen. Die beiden Stickstoffströme 45 und 46 werden zum Stickstoffstrom 48 zusammengeführt, der ohne weitere Druckabsenkung in den Wärmetauschern E2 und E1 gegen das abzukühlende Einsatzgas verdampft und angewärmt und nachfolgend der Saugseite der zweiten Stufe C2' des Kreislaufverdichters V' zugeführt wird. Aus der zweiten Flüssigstickstofffraktion 47 vom Kopf der CO/CH4-Trennkolonne T2' wird durch kälteleistende Entspannung auf Niederdruckniveau zwischen 2,5 und 4,5 bar(a) ein zweiphasiges Stoffgemisch 49 erzeugt, das die Spitzenkälte für das kalte Ende des Wärmetauscheres E2 liefert und nach Verdampfung und Anwärmung in den Wärmetauschern E2 und E1 der ersten Stufe C1' des Kreislaufverdichters V' aufgegeben wird. Bei Bedarf kann dem geschlossenen Stickstoffkreislauf über die Niederdruckpassage 49 von außen Stickstoff zugeführt werden, wobei gasförmiger Stickstoff 50 auf der warmen Seite des Wärmetauschers E1 und flüssiger Stickstoff 51 auf der kalten Seite des Wärmetauschers E2 eingeleitet wird. Überschüssiger Stickstoff 52 wird auf der Druckseite des Kreislaufverdichters V' abgeführt.
  • Der Kaminboden K ist mit einem Überlauf U ausgeführt, über den Flüssigkeit in den unterhalb gelegenen Kolonnenabschnitt und den Sumpfraum S' der CO/CH4-Trennkolonne T2' gelangt. Der Sumpfraum S' ist mit einem zweiten Reboiler R2 verbunden, über den dem ersten Teilstrom 2 des im Wärmtauscher E1 vorgekühlten Einsatzgases 1 gegen Flüssigkeit 53 aus dem Sumpfraum S' Wärme für die Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne T2' entzogen wird, wobei der weiter abgekühlte Teilstrom 4 entsteht und die Flüssigkeit 53 teilweise verdampft, bevor sie wieder in den Sumpfraum S' zurückgeführt wird. Diese Verfahrensvariante ermöglicht eine Absenkung des Kohlenmonoxidgehalts der Flüssigphase 34 auf Werte von weniger als 30 Vol-% und damit ebenfalls eine deutliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit aufgrund der geringeren Menge des Brenngases 35.
  • Die weitgehend wasserstofffreie, aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende Sumpffraktion 15 aus der H2-Trennkolonne T1 wird in zwei Teilströme 16' und 18' gesplittet, von denen der erste 16' entspannt, im Wärmetauscher E2 verdampft und nachfolgend als Zwischenheizung 24' in die CO/CH4-Trennkolonne T2' geführt wird. Der Teilstrom 18' wird ebenfalls in die CO/CH4-Trennkolonne T2' entspannt, wo er als Zwischenrücklauf dient.

Claims (14)

  1. Verfahren zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases (1), das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine weitgehend aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende, Wasserstoff enthaltende erste Flüssigphase (9) zu gewinnen, aus der in einer H2-Strippkolonne (T1) durch die Abtrennung von Wasserstoff eine zweite Flüssigphase (15) erzeugt wird, aus welcher in einer CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') eine kohlenmonoxidreiche Gasphase (31) mit einer Reinheit, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt (32) erlaubt, sowie eine weitgehend aus Methan und Kohlenmonoxid bestehendes Sumpfprodukt (34) erhalten werden, wobei einem, in einem durch einen Kreislaufverdichter (V, V') angetriebenen Kühlkreislauf geführten Kältemittel (20, 40) Wärme entzogen und zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einem Teil (2) des Einsatzgases (1) Wärme entzogen und zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') verwendete Teil (2) des Einsatzgases (1) gegen eine in der CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') anfallende Flüssigkeit (19, 53), bei der es sich vorzugsweise um Sumpfprodukt handelt, abgekühlt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkreislauf geführtes Kältemittel (20, 40) gemeinsam mit dem zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne verwendete Teil (2) des Einsatzgases (1) gegen dieselbe und/oder unabhängig vom Einsatzgas (2) gegen eine andere in der CO/CH4-Trennkolonne anfallende Flüssigkeit abgekühlt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkreislauf geführtes Kältemittel (40) gegen eine oberhalb des Sumpfraums (8') der CO/CH4-Trennkolonne (T2') anfallende Flüssigkeit (41) abgekühlt und dabei verflüssigt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass gegen Sumpfprodukt (19) der CO/CH4-Trennkolonne abgekühltes Kältemittel (21) gegen einen ersten Teil (16) der in der H2-Strippkolonne (T1) anfallenden zweiten Flüssigphase (15) weiter abgekühlt und dabei verflüssigt wird, wobei die Flüssigphase (16) aus der H2-Strippkolonne (T1) verdampft und eine erste Dampfphase (22) gebildet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das verflüssigte Kältemittel (25) zur Erzeugung eines Rücklaufs kälteleistend auf den Kopf der CO/CH4-Trennkolonne (T2) entspannt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem zweiten Teil (17) der in der H2-Strippkolonne (T1) anfallenden zweiten Flüssigphase (15) durch Verdampfung gegen partiell zu kondensierendes Einsatzgas (5) eine zweite Dampfphase (23) erzeugt wird, die mit der ersten Dampfphase (22) zusammengeführt und der CO/CH4-Trennkolonne (T2) als Zwischenheizung (24) zugeführt wird.
  8. Vorrichtung zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases (1) mit wenigstens einem Wärmetauscher (E2) zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Einsatzgases (5), einem Abscheider (D), in dem eine erste Flüssigphase (9) aus dem partiell kondensierten Einsatzgas (6) abgetrennt werden kann, einer H2-Strippkolonne (T1), in der aus der ersten Flüssigphase (9) durch Abtrennung von Wasserstoff eine zweite Flüssigphase (15) erzeugt werden kann, sowie einer CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2'), in der aus der zweiten Flüssigphase (15) eine kohlenmonoxidreiche Gasphase (31) mit einer Reinheit, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt (32) erlaubt, sowie ein weitgehend aus Methan und Kohlenmonoxid bestehendes Sumpfprodukt (34) erhältlich sind, wobei die CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') mit einem Reboiler (R, R1) in Verbindung steht, der Teil eines durch einen Kreislaufverdichter (V, V) angetriebenen Kühlkreislaufs ist und über den einem im Kühlkreislauf geführten Kältemitte (20, 40) Wärme entzogen und der CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') zu deren Beheizung zugeführt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') mit einem im Strömungsweg des Einsatzgases angeordneten Reboiler (R, R2) verbunden ist, über den zumindest ein Teil des Einsatzgases (2) geführt werden kann, um Wärme für die Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') zu liefern.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der im Strömungsweg des Einsatzgases angeordneten Reboiler (R, R2) mit dem Sumpfraum (S, S') der CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') verbunden ist, so dass Sumpfprodukt (19, 53) im Reboiler (R, R2) gegen abzukühlendes Einsatzgas (2) zumindest teilweise verdampft und nachfolgend wieder in den Sumpfraum (S, S') der aus der CO/CH4-Trennkolonne (T2, T2') entlassen werden kann.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der im Weg des Einsatzgases angeordnete Reboiler (R) auch Teil des Kühlkreislaufs ist, so dass über ihn sowohl dem Kältemittel (20) als auch dem Einsatzgas (2) Wärme zur Beheizung der CO/CH4-Trennkolonne (T2) entzogen werden kann.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen mit der H2-Strippkolonne (T1) und dem im Weg des Einsatzgases angeordneten Reboiler (R) verbundenen Kondensator (E3) aufweist, in dem im Reboiler (R) abgekühltes Kältemittel (21) gegen zumindest einen Teil (16) der zweiten Flüssigphase (15) aus der H2-Strippkolonne (T1) kondensiert werden kann.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die CO/CH4-Trennkolonne (T2') in ihrem unteren Bereich mit einem oberhalb des Sumpfraums (S') angeordneten Kaminboden (K) ausgeführt ist und der Raum oberhalb des Kaminbodens (K) mit einem Reboiler (R1) in Verbindung steht, der Teil des Kühlkreislaufs, jedoch nicht im Weg des Einsatzgases angeordnet ist.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reboiler (R, R1, R2) außerhalb der CO/CH4-Trennkolonne angeordnet oder in diese integriert ist.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reboiler (R, R1, R2) als Plattenwärmtauscher oder als gewickelter Wärmetauscher ausgeführt ist.
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