DE102016002616A1 - Anordnung von Produktionskolonnen in Gaswäschen - Google Patents

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Abstract

Gaswascheinrichtung mit einem Absorber, in dem Kohlendioxid und Schwefelkomponenten aus einem Syntheserohgas mit Hilfe eines Waschmittels abgetrennt werden können, und einer CO2-Produktkolonne (T1) sowie einer stromabwärts der CO2-Produktkolonne angeordneten Anreicherungskolonne (T2) zur Regenerierung des im Absorber mit Kohlendioxid und Schwefelkomponenten beladenen Waschmittels. Kennzeichnend für die Gaswascheinrichtung ist, dass die CO2-Produktkolonne (T1) gegenüber der Anreicherungskolonne (T2) erhöht angeordnet ist, so dass im Betrieb wenigstens ein von der CO2-Produktkolonne (T1) in die Anreicherungskolonne (T2) zu überführender Flüssigkeitsstrom (5, 6, 9) alleine aufgrund der sich zwischen den beiden Kolonnen einstellenden Gesamtdruckdifferenz überführt werden kann.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Gaswascheinrichtung mit einem Absorber, in dem Kohlendioxid und Schwefelkomponenten aus einem Syntheserohgas mit Hilfe eines Waschmittels abgetrennt werden können, und einer CO2-Produktkolonne sowie einer stromabwärts der CO2-Produktkolonne angeordneten Anreicherungskolonne zur Regenerierung des im Absorber mit Kohlendioxid und Schwefelkomponenten beladenen Waschmittels.
  • Physikalische Gaswascheinrichtungen werden zur Abtrennung von Gaskomponenten aus Gasgemischen eingesetzt. Sie nutzen die Eigenschaft der hierbei als Waschmittel verwendeten Flüssigkeiten aus, gasförmige Stoffe zu absorbieren und in Lösung zu halten, ohne diese Stoffe chemisch zu binden. Wie gut ein Gas von einer Flüssigkeit absorbiert und von dieser gebunden werden kann, wird durch seinen Löslichkeitskoeffizienten ausgedrückt, der umso größer ist, je besser sich das Gas in der Flüssigkeit löst. Der Löslichkeitskoeffizient ist temperaturabhängig und steigt i. Allg. mit fallender Temperatur und – nach dem Absorptionsgesetz von Henry – steigendem Druck.
  • Durch Entfernen der aus dem Gasgemisch abgetrennten und im Waschmittel gelösten Gaskomponenten wird das beladene Waschmittel im Anschluss an die Gaswäsche regeneriert. Das regenerierte Waschmittel wird normalerweise wieder zur Gaswäsche eingesetzt, während die abgetrennten Gaskomponenten entweder entsorgt oder einer wirtschaftlichen Verwertung zugeführt werden.
  • Für die Reinigung von Syntheserohgasen, die in großtechnischem Maßstab in Vergasungsanlagen aus Kohle oder/und Kohlenwasserstoff enthaltenden Einsätzen beispielsweise durch Reformieren mit Wasserdampf oder durch partielle Oxidation erzeugt werden und die in der Regel neben den erwünschten Stoffen Wasserstoff und Kohlenmonoxid auch einige unerwünschte Bestandteile, wie Kohlendioxid und Schwefelkomponenten, wie Schwefelwasserstoff und Kohlenoxidsulfid, enthalten, werden bevorzugt physikalische Gaswäschen eingesetzt. Diese bieten sich an, da die Syntheserohgase heute meist unter hohem Druck erzeugt werden, und die Wirksamkeit von physikalischen Gaswäschen in erster Näherung linear mit dem Betriebsdruck zunimmt.
  • Von besonderer Bedeutung für die Reinigung von Syntheserohgasen ist die Methanolwäsche. Sie nützt die Tatsache aus, dass Schwefelwasserstoff, Kohlenoxidsulfid und Kohlendioxid bezüglich Methanol wesentlich größere Löslichkeitskoeffizienten aufweisen als Wasserstoff und Kohlenmonoxid. Da mit sinkender Temperatur diese Unterschiede zu- und damit die Wasserstoff- und Kohlenmonoxidverluste durch Co-Absorption abnehmen, vor allem aber, weil der Löslichkeitskoeffizient von Kohlendioxid mit sinkender Temperatur stark ansteigt, wird das als Waschmittel eingesetzte Methanol zumeist mit einer Temperatur weit unterhalb von 0°C in einen als Waschkolonne ausgeführten Absorber eingeleitet und mit dem zu reinigenden Synthesegas in intensiven Kontakt gebracht. Darüber hinaus erlaubt dieses Verfahren eine unabhängige Gewinnung der Schwefelkomponenten und des Kohlendioxids, die aufgrund ihrer deutlich verschiedenen Löslichkeitskoeffizienten weitgehend selektiv aus dem beladenen Methanolwaschmittel abgetrennt werden können.
  • Steht die Erzeugung eines Wasserstoffproduktes im Vordergrund, so wird das Syntheserohgas vor der Methanolwäsche einer Wassergas-Shift unterzogen, bei der das im Syntheserohgas enthaltene Kohlenmonoxid mit Wasser zu Wasserstoff und Kohlendioxid umgesetzt wird. Insbesondere dann, wenn das Syntheserohgas aus einem wasserstoffarmen Einsatzstoff wie Kohle oder Schweröl gewonnen wird und daher bereits vor der Wassergas-Shift einen hohen Kohlendioxidgehalt aufweist, kann dieser durch die Wassergas-Shift auf mehr als 40 mol-% ansteigen. Um die Wirtschaftlichkeit der Wasserstoffproduktion zu steigern, wird häufig aus dem in großen Mengen anfallenden Kohlendioxid ein Nebenprodukt gewonnen, das beispielsweise – mit einer Reinheit von mehr als 98 mol-% – zur Synthese von Harnstoff eingesetzt wird.
  • Gewöhnlich weist eine Methanolwascheinrichtung zur Gewinnung des Kohlendioxidnebenproduktes eine als CO2-Produktkolonne bezeichneten Waschkolonne auf, in deren unteren Teil mit Kohlendioxid sowie besser löslichen Komponenten wie Schwefelwasserstoff und Kohlenoxidsulfid beladenes Methanolwaschmittel entspannt wird. Aufgrund der Druckreduzierung gast vorwiegend Kohlendioxid aus. Aber auch ein Teil der Schwefelkomponenten wird aus dem beladenen Methanolwaschmittel freigesetzt und in der Kolonne nach oben geführt. Die Schwefelkomponenten werden aus dem Gasstrom mittels eines schwefelfreien Methanolwaschmittels ausgewaschen, das zu diesem Zweck am Kopf der CO2-Produktkolonne aufgegeben und mit dem aufsteigenden Gasstrom in intensiven Kontakt gebracht wird. Vom Kopf der CO2-Produktkolonne wird ein Kohlendioxidstrom mit Produktreinheit abgezogen, während sich in ihrem unteren Bereich ein zwar in seinem Kohlendioxidgehalt stark reduziertes, jedoch immer noch mit Kohlendioxid sowie den Schwefelkomponenten beladenes Methanolwaschmittel sammelt.
  • Aus der CO2-Produktkolonne wird das beladene Methanolwaschmittel abgezogen und der sog. Anreicherungskolonne, bei der es sich um eine Kaltstrippkolonne handelt, aufgegeben. In der Anreicherungskolonne wird durch ein im Gegenstrom geführtes Kaltstrippgas (üblicherweise Stickstoff) vorwiegend Kohlendioxid aus dem Methanolwaschmittel herausgelöst, wodurch sich das Methanolwaschmittel abkühlt. Die auf diese Weise erzeugte Kälte dient dazu, die unvermeidlichen Kälteverluste der Methanolwäsche zu kompensieren. Vom Kopf der Anreicherungskolonne wird das mit Kohlendioxid vermischte Kaltstrippgas als Tailgas abgezogen und normalerweise verworfen; das abgestrippte Kohlendioxid geht somit verloren. Das vorwiegend mit Schwefelkomponenten, aber auch immer noch mit einer Restmenge an Kohlendioxid beladene Methanolwaschmittel wird aus der Anreicherungskolonne abgezogen und optional in einer Warmstrippkolonne weiterbehandelt, um Waschmittelreinheit aufweisendes Methanol sowie eine Schwefelkomponenten und Kohlendioxid enthaltende Gasfraktion zu erzeugen, die gewöhnlich zur Gewinnung von elementarem Schwefel einer Claus-Anlage zugeführt wird.
  • Um das Kohlendioxidprodukt mit einer hohen Ausbeute zu erzeugen, wird in der Praxis versucht, die Kohlendioxidverluste über das Tailgas aus der Anreicherungskolonne gering zu halten. Das beladene Methanolwaschmittel wird daher in der CO2-Produktkolonne auf einen Druck entspannt, der nur wenig über dem Druck in der Anreicherungskolonne liegt. Für die Überleitung des beladenen Methanolwaschmittels von der CO2-Produktkolonne in die Anreicherungskolonne steht daher nur eine geringe statische Druckdifferenz zur Verfügung, die u. U. nicht ausreicht, um bestehende Höhenunterschiede zwischen den Flüssigkeitsspiegeln in der CO2-Produktkolonne und den Einleitungsstellen in die Anreicherungskolonne zu überwinden. Stand der Technik ist es daher, Flüssigkeit aus der CO2-Produktkolonne mit Hilfe von Pumpen in die Anreicherungskolonne zu fördern. Da gewöhnlich mehrere Flüssigkeitsströme von der CO2-Produktkolonne in die Anreicherungskolonne zu überführen sind und die aus Gründen erhöhter Betriebssicherheit doppelt ausgeführten Pumpen sowie die dazugehörigen Armaturen und Verrohrungen für Tieftemperaturbetrieb geeignet sein müssen, wirkt sich diese Lösung signifikant auf die Höhe der Investitions- und Betriebskosten und damit die Wirtschaftlichkeit der physikalischen Gaswascheinrichtung aus.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, durch die die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden werden.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die CO2-Produktkolonne gegenüber der Anreicherungskolonne erhöht angeordnet ist, so dass im Betrieb der physikalischen Gaswascheinrichtung wenigsten ein von der CO2-Produktkolonne in die Anreicherungskolonne zu überführender Flüssigkeitsstrom alleine aufgrund der sich zwischen den beiden Kolonnen einstellenden Gesamtdruckdifferenz überführt werden kann.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gaswascheinrichtung ist der Höhenunterschied zwischen der CO2-Produktkolonne und der Anreicherungskolonne so gewählt, dass sämtliche von der CO2-Produktkolonne in die Anreicherungskolonne zu überführenden Flüssigkeitsströme alleine durch die sich zwischen den beiden Kolonnen ergebenden Gesamtdruckdifferenzen überführt werden können.
  • Durch die Erfindung ist es möglich, die CO2-Produktkolonne mit niedrigen Drücken und damit hoher Kohlendioxidausbeute zu betreiben, ohne dass es notwendig ist, Pumpen für die Förderung der Flüssigkeitsströme in die Anreicherungskolonne einzusetzen. Sogar ein Betrieb der CO2-Produktkolonne mit einem unterhalb des Luftdrucks liegenden Druck ist vorstellbar.
  • Die CO2-Produktkolonne wird zweckmäßigerweise nicht höher angeordnet, als es notwendig ist, um einen oder mehrere Flüssigkeitsströme unter allen Bedingungen des Normalbetriebs der physikalischen Gaswascheinrichtung ohne Pumpenhilfe in die Anreicherungskolonne zu überführen.
  • Um die CO2-Produktkolonne gegenüber der Anreicherungskolonne erhöht anzuordnen, kann die CO2-Produktkolonne auf ausreichend langen Standzargen montiert sein, die entweder direkt mit einem Fundament oder einem anderen Anlagenteil der physikalischen Gaswascheinrichtung verbunden sind, das seinerseits auf einem Fundament ruht. Vorzugsweise ist sie jedoch ohne Standzargen, unmittelbar auf einem anderen Anlagenteil der physikalischen Gaswascheinrichtung montiert, das ausreichend hoch ist, um die angestrebte Wirkung erreichen zu können. Umfasst die physikalische Gaswascheinrichtung eine Warmstrippkolonne, so wird vorgeschlagen, die CO2-Produktkolonne auf oder über dieser anzuordnen.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung einer CO2-Produktkolonne und einer Anreicherungskolonne im Regenerierteil einer Gaswascheinrichtung, in der Kohlendioxid und Schwefelkomponenten mit Hilfe eines Methanol-Waschmittels weitgehend selektiv aus einem Syntheserohgas ausgewaschen und ein Kohlendioxidprodukt sowie ein schwefelreicher Stoffstrom, der beispielsweise als Einsatz für eine Claus-Anlage geeignet ist, gewonnen werden können.
  • Über die Leitungen 1 und 2 wird schwefelfreies, bei der Wäsche eines Kohlendioxid und Schwefelkomponenten enthaltenden Syntheserohgases lediglich mit Kohlendioxid beladenes Methanol-Waschmittel in die CO2-Produktkolonne T1 entspannt, um enthaltenes Kohlendioxid in die Gasphase zu überführen und ein Kohlendioxidprodukt zu gewinnen. Hierzu wird einer der beladenen Waschmittelströme 1 in den als Abscheider A ausgeführten obersten Bereich der CO2-Produktionskolonne T1 entspannt, während der andere beladene Waschmittelstrom 2 in eine unterhalb des Abscheiders A angeordnete und durch einen Kaminboden K1 von diesem getrennte Rückwaschsektion R eingeleitet wird. In den Sumpfraum S1 der CO2-Produktkolonne T1, der durch einen weiteren Kaminboden K2 von der Rückwaschsektion R abgetrennt ist, wird mit Kohlendioxid und Schwefelkomponenten beladenes Methanol-Waschmittel 3 entspannt, wobei eine Kohlendioxid und Schwefelkomponenten enthaltende Gasphase entsteht, aus der in der Rückwaschsektion R die Schwefelkomponenten durch das schwefelfreie Methanol-Waschmittel 2 rückgewaschen werden.
  • Das aus dem beladenen Methanol-Waschmittel abgetrennte Kohlendioxid wird vom Kopf der CO2-Produktkolonne T1 als Kohlendioxidprodukt 4 abgezogen und gegen Gutschrift an einen Abnehmer beispielsweise zur Synthese von Harnstoff abgegeben, während die sich im Sumpfraum S1 und dem Kaminboden K2 sammelnden, mit Schwefelkomponenten und Kohlendioxid beladenen Methanolfraktionen 5 und 6 aus der CO2-Produktkolonne T1 abgezogen und in den Mittelteil der Anreicherungskolonne T2 überführt werden, um die Schwefelkomponenten durch die weitere Abtrennung von Kohlendioxid anzureichern.
  • Zur Unterstützung der Kohlendioxidabtrennung wird der Anreicherungskolonne T2 an ihrem unteren Ende Strippgas 7 und 8 zugeführt, das auf seinem Weg nach oben vorwiegend Kohlendioxid, aber auch Schwefelkomponenten aus dem im Gegenstrom geführten Methanol austreibt. Zur Rückwaschung der ausgetriebenen Schwefelkomponenten wird das schwefelfreie, jedoch noch immer Kohlendioxid enthaltene Methanol aus dem Abscheider A der CO2-Produktkolonne T1 über Leitung 9 abgezogen und am Kopf der Anreicherungskolonne T2 aufgegeben. In die Gasphase freigesetztes Kohlendioxid wird zusammen mit dem Strippgas, bei dem es sich gewöhnlich um Stickstoff handelt, zu einem Tailgas 10 vermischt und nachfolgend verworfen.
  • Aus dem Sumpfraum S2 der Anreicherungskolonne T2 wird mit Schwefelkomponenten angereichertes Methanol 11 abgezogen und nach Anwärmung im Wärmetauscher E der Warmstrippkolonne T3 zur weiteren Abtrennung von Kohlendioxid zugeführt. Der Warmstrippkolonne T3 wird warmes Strippgas 12 zugeführt, das zusammen mit abgestripptem Kohlendioxid über Leitung 8 in die Anreicherungskolonne T2 geleitet und dort ebenfalls als Strippgas verwendet wird. Das an Kohlendioxid stark abgereicherte Methanol 13 aus dem Sumpf der Warmstrippkolonne T3 wird zu einer Heißregenerierkolonne (nicht dargestellt) weitergeleitet, um die Schwefelkomponenten abzutrennen und ein regeneriertes Metahol-Waschmittel zum erneuten Einsatz bei der Gaswäsche und einen an Schwefelkomponenten reichen Stoffstrom zu gewinnen, der beispielsweise an eine Claus-Anlage zur Gewinnung von Schwefel abgegeben werden kann.
  • Um das Kohlendioxidprodukt 4 mit hoher Ausbeute gewinnen zu können, wird die CO2-Produktkolonne T1 mit einem möglichst tief liegenden Druck betrieben, so dass die Druckdifferenz zwischen der CO2-Produktkolonne T1 und der Anreicherungskolonne T2 für die Überführung der beladenen Methanolströme 5, 6 und 9 alleine nicht ausreicht, um die Flüssigkeiten auf die nötige Höhe der Einlaufstutzen der Anreicherungskolonne T2 zu heben. Die CO2-Produktkolonne T1 ist daher durch ihre Anordnung auf der Warmstrippkolonne T3 gegenüber der Anreicherungskolonne T2 erhöht positioniert, um statischen Druck für die Überführung der Methanolströme zu gewinnen. Alternativ kann die CO2-Produktkolonne T1 auch auf anderem im Wege der Ströme 4 oder 10 liegenden Equipment, wie z. B. einer Methanol-Rückwaschkolonne (nicht dargestellt), angeordnet werden, um eine erhöhte Positionierung zu erreichen. Auf den Einsatz von Pumpen kann verzichtet werden.

Claims (6)

  1. Gaswascheinrichtung mit einem Absorber, in dem Kohlendioxid und Schwefelkomponenten aus einem Syntheserohgas mit Hilfe eines Waschmittels abgetrennt werden können, und einer CO2-Produktkolonne (T1) sowie einer stromabwärts der CO2-Produktkolonne angeordneten Anreicherungskolonne (T2) zur Regenerierung des im Absorber mit Kohlendioxid und Schwefelkomponenten beladenen Waschmittels, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Produktkolonne (T1) gegenüber der Anreicherungskolonne (T2) erhöht angeordnet ist, so dass im Betrieb wenigstens ein von der CO2-Produktkolonne (T1) in die Anreicherungskolonne (T2) zu überführender Flüssigkeitsstrom (5, 6, 9) alleine aufgrund der sich zwischen den beiden Kolonnen einstellenden Gesamtdruckdifferenz überführt werden kann.
  2. Gaswascheinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Höhenunterschied zwischen der CO2-Produktkolonne (T1) und der Anreicherungskolonne (T2) so gewählt ist, dass sämtliche von der CO2-Produktkolonne (T1) in die Anreicherungskolonne (T2) zu überführenden Flüssigkeitsströme (5, 6, 9) alleine durch die sich zwischen den beiden Kolonnen ergebenden Gesamtdruckdifferenzen überführt werden können.
  3. Gaswascheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Produktkolonne (T1) auf ausreichend langen Standzargen montiert ist, die entweder direkt mit einem Fundament oder einem anderen Anlagenteil der physikalischen Gaswascheinrichtung verbunden sind, das seinerseits auf einem Fundament ruht.
  4. Gaswascheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Produktkolonne (T1) unmittelbar auf einem anderen Anlagenteil (T3) der physikalischen Gaswascheinrichtung montiert ist.
  5. Gaswascheinrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die CO2-Produktkolonne (T1) auf oder über einer Warmstrippkolonne (T3) angeordnet ist.
  6. Gaswascheinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie für die Durchführung einer Methanolwäsche geeignet ist.
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