DE102016011356A1 - Process and plant for producing a natural gas substitute and a carbon dioxide product - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (100) zur Herstellung eines Erdgassubstituts und eines Kohlendioxidprodukts, bei dem unter Verwendung eines Methan und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzgasgemischs ein Trenneinsatz auf einem ersten Druckniveau und einem ersten Temperaturniveau bereitgestellt wird, der Trenneinsatz auf dem ersten Druckniveau auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus abgekühlt und unter Erhalt einer ersten flüssigen Fraktion und einer ersten gasförmigen Fraktion teilkondensiert wird, die erste flüssige Fraktion oder ein Teil hiervon unter Erhalt einer zweiten flüssigen Fraktion und einer zweiten gasförmigen Fraktion auf ein zweites Druckniveau oberhalb des ersten Druckniveaus entspannt wird, die erste gasförmige Fraktion oder ein Teil hiervon zur Bildung des Erdgassubstituts verwendet wird, die zweite gasförmige Fraktion oder ein Teil hiervon zur Bildung des Trenneinsatzes zurückgeführt wird, und die zweite flüssige Fraktion oder ein Teil hiervon zur Bildung des Kohlendioxidprodukts verwendet wird. Eine entsprechende Anlage ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.The invention relates to a process (100) for producing a natural gas substitute and a carbon dioxide product in which a separation insert is provided at a first pressure level and a first temperature level using a feed gas mixture containing methane and carbon dioxide, the separation insert at the first pressure level below a second temperature level the first temperature level is cooled and partially condensed to obtain a first liquid fraction and a first gaseous fraction, the first liquid fraction or a portion thereof is expanded to a second liquid fraction and a second gaseous fraction to a second pressure level above the first pressure level, the first gaseous fraction or a part thereof is used to form the Erdgassubstituts, the second gaseous fraction or a part thereof is returned to form the separation insert, and the second liquid fraction od part of it is used to form the carbon dioxide product. A corresponding system is also an object of the present invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Erdgassubstituts und eines Kohlendioxidprodukts sowie eine entsprechende Anlage.The invention relates to a process for the preparation of a natural gas substitute and a carbon dioxide product and a corresponding plant.
Stand der TechnikState of the art
Nichtfossile Methanquellen, beispielsweise Biogas, werden vielfältig zur Gewinnung von Energie genutzt. Wie jedoch beispielsweise in ”Einspeisung von Biogas in das Erdgasnetz-Erfahrungsberichte der ersten Biomethananlagen”, Energie|Wasser-Praxis 4/2009 beschrieben, kann Erdgas aufgrund seiner Zusammensetzung nicht direkt in Erdgasnetze eingespeist werden. Bei Biogas handelt es sich typischerweise um ein Mischgas, dessen Hauptkomponente Methan ist. Roh-Biogas enthält je nach Art der verwendeten Rohstoffe bis zu 2/3 Methan, 1/3 Kohlendioxid und kleinere Anteile von Schwefelwasserstoff, Stickstoff und Sauerstoff.Non-fossil sources of methane, such as biogas, are widely used to generate energy. However, as described for example in "Feed-in of biogas into the natural gas network experience reports of the first biomethane plants", Energie | Wasser-Praxis 4/2009, natural gas can not be fed directly into natural gas networks due to its composition. Biogas is typically a mixed gas whose main component is methane. Depending on the type of raw materials used, raw biogas contains up to 2/3 methane, 1/3 carbon dioxide and smaller amounts of hydrogen sulphide, nitrogen and oxygen.
Zur Aufbereitung von Biogas zu Erdgassubstituten sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Verfahren bekannt. Beispielsweise kann das Biogas einer Druckwechseladsorption unterworfen werden, bei der Kohlendioxid beispielsweise an einem Kohlenstoffmolekularsieb absorbiert wird. Ferner sind auch physikalische und chemische Gaswäscheverfahren mittels Wasser, Laugen, Aminen, Selexol und dergleichen bekannt.For the treatment of biogas to natural gas substitutes, different methods are known from the prior art. For example, the biogas may be subjected to pressure swing adsorption, in which carbon dioxide is absorbed, for example, on a carbon molecular sieve. Further, physical and chemical gas scrubbing methods using water, alkalis, amines, selexol and the like are also known.
Wenngleich die vorliegende Erfindung überwiegend unter Bezugnahme auf Biogas beschrieben wird, versteht sich, dass diese auch zur Bearbeitung anderweitig gewonnener Gasgemische ähnlicher oder vergleichbarer Zusammensetzung wie Biogas verwendet werden kann.Although the present invention will be described primarily with reference to biogas, it is understood that it can also be used to process otherwise obtained gas mixtures of similar or comparable composition as biogas.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, entsprechende Verfahren zu verbessern und hierbei insbesondere auch das in einem entsprechenden Gasgemisch enthaltene Kohlendioxid nutzbar zu machen.The object of the present invention is to improve corresponding processes and, in particular, to utilize the carbon dioxide contained in a corresponding gas mixture.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Erdgassubstituts und eines Kohlendioxidprodukts sowie eine entsprechende Anlage mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche und der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes a method for producing a natural gas substitute and a carbon dioxide product and a corresponding system with the respective features of the independent claims. Preferred embodiments are subject of the dependent claims and the following description.
Vor der Erläuterung der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden noch einige Grundlagen und die verwendeten Begriffe erläutert.Before explaining the features and advantages of the present invention, some basics and the terms used will be explained.
Flüssige und gasförmige Gemische können im hier verwendeten Sprachgebrauch reich oder arm an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei ”reich” für einen Gehalt von wenigstens 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99,5%, 99,9% oder 99,99% und ”arm” für einen Gehalt von höchstens 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0,1% oder 0,01% auf molarer, Gewichts- oder Volumenbasis stehen kann. Der Begriff ”überwiegend” kann der Definition von ”reich” entsprechen. Flüssige und gasförmige Gemische können im hier verwendeten Sprachgebrauch ferner angereichert oder abgereichert an einer oder mehreren Komponenten sein, wobei sich diese Begriffe auf einen entsprechenden Gehalt in einem Ausgangsgemisch beziehen, aus dem der flüssige oder gasförmige Strom erhalten wurde. Das flüssige oder gasförmige Gemisch ist ”angereichert”, wenn es zumindest den 1,1-fachen, 1,5-fachen, 2-fachen, 5-fachen, 10-fachen, 100-fachen oder 1.000-fachen Gehalt, ”abgereichert”, wenn es höchstens den 0,9-fachen, 0,5-fachen, 0,1-fachen, 0,01-fachen oder 0,001-fachen Gehalt einer entsprechenden Komponente, bezogen auf das Ausgangsgemisch, enthält. Ist vorliegend beispielsweise von ”Methan” oder ”Kohlendioxid” die Rede, sei darunter auch ein Gemisch verstanden, das reich an der entsprechenden Komponente ist. Es kann sich jedoch auch um das jeweilige Reingas handeln.Liquid and gaseous mixtures, as used herein, may be rich or poor in one or more components, with "rich" for a content of at least 50%, 75%, 90%, 95%, 99%, 99.5%, 99, 9% or 99.99% and "poor" for a content of at most 50%, 25%, 10%, 5%, 1%, 0.1% or 0.01% on a molar, weight or volume basis. The term "predominantly" can correspond to the definition of "rich". Liquid and gaseous mixtures may also be enriched or depleted in one or more components as used herein, which terms refer to a corresponding content in a starting mixture from which the liquid or gaseous stream was obtained. The liquid or gaseous mixture is "enriched" if it is at least 1.1 times, 1.5 times, 2 times, 5 times, 10 times, 100 times or 1000 times, "depleted" when it contains not more than 0,9 times, 0,5 times, 0,1 times, 0,01 times or 0,001 times the content of a corresponding component, relative to the starting mixture. In the present case, for example, "methane" or "carbon dioxide" is mentioned, including a mixture understood that is rich in the corresponding component. However, it can also be the respective clean gas.
Ein flüssiges oder gasförmiges Gemisch ist von einem anderen flüssigen oder gasförmigen Gemisch (auch als Ausgangsgemisch bezeichnet) ”abgeleitet” oder aus oder unter Verwendung dieses Gemischs ”gebildet” bzw. ”bereitgestellt”, wenn es zumindest einige in dem Ausgangsgemisch enthaltene oder aus diesem erhaltene Komponenten aufweist. Ein in diesem Sinne gebildetes Gemisch kann aus dem Ausgangsgemisch durch Abtrennen oder Abzweigen eines Teilstroms oder einer oder mehrerer Komponenten, Anreichern oder Abreichern bezüglich einer oder mehrerer Komponenten, chemisches oder physikalisches Umsetzen einer oder mehrerer Komponenten, Erwärmen, Abkühlen, Druckbeaufschlagen und dergleichen gebildet werden. Ein ”Bereitstellen”, beispielsweise eines Trenneinsatzes für einen anschließenden Trennprozess, kann jedoch auch einfach das Führen eines entsprechenden Gemischs in einer geeigneten Leitung und ein Zuführen zu dem Trennprozess darstellen.A liquid or gaseous mixture is "derived" from or formed from another liquid or gaseous mixture (also referred to as the starting mixture), or if it contains at least some of those contained in or obtained from the starting mixture Components has. A mixture formed in this sense may be formed from the starting mixture by separating or branching off a partial stream or one or more components, enriching or depleting one or more components, chemically or physically reacting one or more components, heating, cooling, pressurizing and the like. However, "providing", for example, a separation insert for a subsequent separation process, may also simply represent passing a corresponding mixture in a suitable conduit and delivering to the separation process.
Die vorliegende Anmeldung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe ”Druckniveau” und ”Temperaturniveau”, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise ±1%, 5%, 10%, 20% oder sogar 50% um einen Mittelwert liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus. Bei dem hier in bar angegebenen Druckniveaus handelt es sich um Absolutdrücke.The present application uses the terms "pressure level" and "temperature level" to characterize pressures and temperatures, thereby indicating that corresponding pressures and temperatures in a given plant need not be used in the form of exact pressure or temperature values to realize the innovative concept. However, such pressures and temperatures typically range in certain areas for example ± 1%, 5%, 10%, 20% or even 50% around an average. Corresponding pressure levels and temperature levels can be in disjoint areas or in areas that overlap one another. In particular, for example, pressure levels include unavoidable or expected pressure drops. The same applies to temperature levels. The pressure levels indicated here in bar are absolute pressures.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde erkannt, dass sich durch geeignet aufeinander abgestimmte Schritte, nämlich eine Verdichtung, eine Abkühlung und eine anschließende Entspannung, aus den eingangs erwähnten Gasgemischen, beispielsweise Biogas, Fraktionen gewinnen lassen, die sich zur Bereitstellung eines Erdgassubstituts und eines Kohlendioxidprodukts besonders eignen, und die dadurch die Verfahren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind und eingangs kurz erwähnt wurden, deutlich verbessern.In the context of the present invention, it has been recognized that fractions can be obtained by suitably coordinated steps, namely compression, cooling and subsequent expansion, from the gas mixtures mentioned at the beginning, for example biogas, which are particularly suitable for providing a natural gas substitute and a carbon dioxide product and thereby significantly improve the processes known from the prior art and briefly mentioned at the outset.
Insbesondere eignet sich die vorliegende Erfindung auch für Gasgemische, die eher geringe Kohlendioxidpartialdrücke von weniger als 25 Molprozent aufweisen. Die Zusammensetzung eines im Rahmen der vorliegenden Erfindung bearbeiteten Gasgemischs liegt beispielsweise bei 20 bis 50 Molprozent Kohlendioxid und 50 bis 79 Molprozent Methan. Wie erwähnt, können entsprechende Gasgemische wie Biogas geringere Anteile von Sauergasen und anderen Gaskomponenten enthalten. Anwendungsszenarien der vorliegenden Erfindung sind beispielsweise Biogasaufbereitungsanlagen, in denen die Konzentration von, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Sauerstoff und besonders Wasserstoff eher gering ist. Die Anwesenheit sogenannter nicht kondensierbarer Komponenten, beispielsweise von Wasserstoff, kann die Effizienz unter höheren Konzentrationen reduzieren. Insbesondere liegt im Rahmen der vorliegenden Erfindung der Gehalt an nicht kondensierbaren Komponenten sowie von Stickstoff und/oder Sauerstoff und/oder Kohlenmonoxid bei weniger als 7 Molprozent.In particular, the present invention is also suitable for gas mixtures that have rather low carbon dioxide partial pressures of less than 25 mole percent. The composition of a gas mixture processed in the context of the present invention is, for example, 20 to 50 mole percent carbon dioxide and 50 to 79 mole percent methane. As mentioned, corresponding gas mixtures such as biogas may contain minor amounts of sour gases and other gas components. Application scenarios of the present invention are, for example, biogas upgrading plants in which the concentration of, carbon monoxide, nitrogen, oxygen and especially hydrogen is rather low. The presence of so-called non-condensable components, such as hydrogen, can reduce the efficiency at higher concentrations. In particular, in the context of the present invention, the content of non-condensable components and of nitrogen and / or oxygen and / or carbon monoxide is less than 7 mol percent.
Ein entsprechendes Gasgemisch wird hier als ”Einsatzgasgemisch” bezeichnet. Das Einsatzgasgemisch wird zur Erzeugung der gewünschten Produkte, nämlich des Erdgassubstituts und des Kohlendioxidprodukts, teilweise oder vollständig als Trenneinsatz einem nachfolgend erläuterten Trennprozess unterworfen.A corresponding gas mixture is referred to herein as "feed gas mixture". The feed gas mixture is subjected to the production of the desired products, namely the natural gas substitute and the carbon dioxide product, partially or completely as a separation insert a separation process explained below.
Insgesamt schlägt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Erdgassubstituts und eines Kohlendioxidprodukts vor, bei dem unter Verwendung eines Methan und Kohlendioxid enthaltenen Einsatzgasgemischs, beispielsweise des erwähnten Biogases, ein Trenneinsatz auf einem ersten Druckniveau und einem ersten Temperaturniveau bereitgestellt wird. Zum Begriff des ”Bereitstellens” bzw. ”Bildens” eines entsprechenden Trenneinsatzes sei auf die obigen Erläuterungen und Definitionen verwiesen. Auch hier gilt, dass ein entsprechender Trenneinsatz insbesondere auch unter Verwendung weiterer Gasgemische, im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere unter Verwendung von Recycleströmen bzw. rückgeführten Gasgemischen, gebildet werden kann.Overall, the present invention proposes a process for producing a natural gas substitute and a carbon dioxide product, wherein a separation insert is provided at a first pressure level and a first temperature level using a feed gas mixture containing methane and carbon dioxide, for example the mentioned biogas. For the concept of "providing" or "forming" a corresponding separation insert, reference is made to the above explanations and definitions. Again, that a corresponding separation use in particular using other gas mixtures, in the context of the present invention, in particular using recycled streams or recycled gas mixtures, can be formed.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird der auf diese Weise bereitgestellte Trenneinsatz auf dem ersten Druckniveau auf ein zweites Temperaturniveau unterhalb des ersten Temperaturniveaus abgekühlt und unter Erhalt einer ersten flüssigen Fraktion und einer ersten gasförmigen Fraktion teilkondensiert. Die erste flüssige Fraktion ist dabei gegenüber dem Trenneinsatz im oben erläuterten Sinn an Kohlendioxid angereichert, die erste gasförmige Fraktion enthält durch entsprechende Abreicherung wenig oder kein Kohlendioxid mehr.In the context of the present invention, the separation insert provided in this way is cooled at the first pressure level to a second temperature level below the first temperature level and partially condensed to obtain a first liquid fraction and a first gaseous fraction. The first liquid fraction is enriched in comparison with the separation insert in the sense explained above in carbon dioxide, the first gaseous fraction contains by corresponding depletion little or no more carbon dioxide.
Die erste gasförmige Fraktion kann daher, wie auch nachfolgend erläutert, bei der Bildung des Erdgassubstituts verwendet werden und wird hierzu insbesondere noch einer geeigneten Nach- bzw. Aufbereitung unterworfen. Hierbei können beispielsweise physikalische Wäscheeinheiten und eine nachfolgende Kohlendioxidabsorption vorgesehen sein, um eine anschließende Verflüssigung zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung hat den besonderen Vorteil, dass der zu entfernende Gehalt an Kohlendioxid hier nurmehr gering ist, weil bereits durch die aufeinander abgestimmten Schritte der Verdichtung, der Abkühlung und der anschließenden Entspannung eine weitgehende Entfernung an Kohlendioxid erzielt wurde. Gehalte an Methan bzw. Kohlendioxid in den entsprechenden Fraktionen sind nachfolgend im Detail angegeben.The first gaseous fraction can therefore, as also explained below, be used in the formation of the natural gas substitute and, for this purpose, is in particular still subjected to a suitable subsequent or reprocessing. In this case, for example, physical laundry units and a subsequent absorption of carbon dioxide may be provided in order to allow a subsequent liquefaction. The present invention has the particular advantage that the content of carbon dioxide to be removed here is only slight, because already by the coordinated steps of compression, cooling and the subsequent expansion, a substantial removal of carbon dioxide was achieved. Contents of methane or carbon dioxide in the corresponding fractions are given below in detail.
Die vorliegende Erfindung weist als weitere Vorteile auf, dass nur eine Anlage zur Verarbeitung eines entsprechenden Gasgemischs erforderlich ist und daher Vorteile hinsichtlich Betriebs- und Erstellungskosten erzielt werden können. Es ist keine zusätzliche Verdichtung von Kohlendioxid erforderlich. Herkömmlicherweise verwendete Waschwassereinheiten werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht benötigt, was biologische Kontaminationen, insbesondere Bakterienwachstum, verringern kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine gute Steuerung und ein Management der Verunreinigungen, insbesondere von langkettigen Olefinen und Säuren, die in entsprechenden Wascheinheiten entfernt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein hochreines Erdgassubstitut erzeugt werden; die Qualität des flüssigen Kohlendioxids kann durch zusätzliche Reinigungsschritte sichergestellt werden. Insgesamt erfordert die vorliegende Anlage einen geringen Bauraum und eignet sich auch für vergleichsweise geringe Kohlendioxidkonzentrationen im Einsatzgasgemisch.The present invention has as further advantages that only one plant for processing a corresponding gas mixture is required and therefore advantages in terms of operating and production costs can be achieved. There is no additional compression of carbon dioxide required. Conventionally used washing water units are not needed in the present invention, which can reduce biological contamination, in particular bacterial growth. The present invention enables good control and management of the contaminants, especially long chain olefins and acids, which are removed in appropriate washing units. In the context of the present invention, a high-purity natural gas substitute can be produced; the quality of the liquid carbon dioxide can be ensured by additional purification steps. Overall, the present system requires one low installation space and is also suitable for comparatively low carbon dioxide concentrations in the feed gas mixture.
Wie aus den unten angegebenen Konzentrationen ersichtlich, enthält die erste flüssige Fraktion dabei insbesondere noch nennenswerte Anteile an Methan, die vorteilhafterweise zurückgewonnen und bei der Herstellung des Erdgassubstituts eingesetzt werden sollten.As can be seen from the concentrations given below, the first liquid fraction contains, in particular, still appreciable amounts of methane, which should advantageously be recovered and used in the production of the natural gas substitute.
Daher schlägt die vorliegende Erfindung nun vor, die erste flüssige Fraktion oder einen Teil hiervor unter Erhalt einer zweiten flüssigen Fraktion und einer zweiten gasförmigen Fraktion auf ein zweites Druckniveau, das oberhalb des ersten Druckniveaus liegt, zu entspannen. Bei dieser Entspannung verdampft ein Teil der ersten flüssigen Fraktion oder dessen hier entspannter Teil, wobei insbesondere Methan in die Gasphase übergeht. Bei diesem ”Flashen” der ersten flüssigen Fraktion bzw. deren Teils wird daher die zweite flüssige Fraktion gegenüber der ersten flüssigen Fraktion weiter an Kohlendioxid angereichert. Auf diese Weise lässt sich in Form der zweiten flüssigen Fraktion eine Kohlendioxidfraktion bilden, die insbesondere die nachfolgend erläuterten Gehalte an Kohlendioxid aufweist, und die zur Herstellung des Kohlendioxidprodukts weiteren Trennschritten unterworfen werden kann.Therefore, the present invention now proposes to relax the first liquid fraction or part thereof to a second liquid fraction and a second gaseous fraction to a second pressure level above the first pressure level. In this relaxation, a part of the first liquid fraction or its relaxed here part evaporates, in particular methane passes into the gas phase. In this "flashing" of the first liquid fraction or its part, therefore, the second liquid fraction compared to the first liquid fraction is further enriched in carbon dioxide. In this way, in the form of the second liquid fraction, a carbon dioxide fraction can be formed, which in particular has the contents of carbon dioxide explained below, and which can be subjected to further separation steps to produce the carbon dioxide product.
Die vorliegende Erfindung sieht, wie bereits erwähnt, vor, den Trenneinsatz nicht ausschließlich unter Verwendung des Methan und Kohlendioxid enthaltenden Einsatzgasgemischs, beispielsweise des Biogases, zu bilden. Insbesondere ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen, die zweite gasförmige Fraktion oder einen Teil hiervon zur Bildung des Trenneinsatzes zurückzuführen. Die erste gasförmige Fraktion oder ein Teil hiervon wird hingegen, wie bereits erwähnt, erfindungsgemäß zur Bildung des Erstgassubstituts verwendet, die zweite flüssige Fraktion oder ein Teil hiervon zur Bildung des Kohlendioxidprodukts.The present invention provides, as already mentioned, not to form the separation insert exclusively using the methane and carbon dioxide-containing feed gas mixture, for example the biogas. In particular, it is provided in the context of the present invention to recycle the second gaseous fraction or a part thereof to form the separation insert. The first gaseous fraction or a part thereof, however, as already mentioned, according to the invention used to form the Erstgassubstituts, the second liquid fraction or a part thereof to form the carbon dioxide product.
Insbesondere kann das Bilden des Kohlendioxidprodukts im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Tieftemperaturrektifikation der zweiten flüssigen Fraktion oder deren zur Bildung des Kohlendioxidprodukts verwendeten Teils auf dem zweiten Druckniveau und einem dritten Temperaturniveau, das oberhalb des zweiten Temperaturniveaus liegt, umfassen. Im Rahmen einer entsprechenden Tieftemperaturrektifikation lässt sich auf diese Weise beispielsweise hochreines Kohlendioxid erzeugen. Insgesamt schafft die vorliegende Erfindung ein kosteneffizienteres Verfahren zur Gewinnung eines Erdgassubstituts, das insbesondere für Gasgemische mit geringerem Kohlendioxidpartialdruck geeignet ist, wie sie zuvor erläutert wurden.In particular, forming the carbon dioxide product in the present invention may include cryogenic rectification of the second liquid fraction or its portion used to form the carbon dioxide product at the second pressure level and a third temperature level above the second temperature level. As part of a corresponding cryogenic rectification can be produced in this way, for example, high-purity carbon dioxide. Overall, the present invention provides a more cost effective method of recovering a natural gas substitute that is particularly suitable for lower carbon dioxide partial pressure gas mixtures, as previously discussed.
Vorteilhafterweise umfasst das Bilden des Trenneinsatzes im Rahmen der vorliegenden Erfindung einen oder mehrere Verdichtungsschritte auf das erste Druckniveau, wobei die zweite gasförmige Fraktion oder deren zur Bildung des Trenneinsatzes zurückgeführter Teil ebenfalls dem oder einem der mehreren Verdichtungsschritte zugeführt wird. Insbesondere wird zur Rückführung ein Verdichtungsschritt gewählt, der dem Druckniveau entspricht, auf dem die zweite gasförmige Fraktion vorliegt, also insbesondere das zweite Druckniveau oder ein Druckniveau im Bereich des zweiten Druckniveaus. Auf diese Weise können zusätzliche Verdichtungs- und Entspannungsschritte eingespart werden. Beispielsweise kann die zweite gasförmige Fraktion oder deren zur Bildung des Trenneinsatzes zurückgeführter Teil dabei einer Verdichtungsstufe eines mehrstufigen Verdichters zugeführt werden. Es ist auch möglich, mehrere Verdichter, insbesondere einen sogenannten Booster und einen Nachverdichter, einzusetzen, wobei die Rückführung ebenfalls an geeigneter Stelle erfolgt.Advantageously, the forming of the separation insert in the context of the present invention comprises one or more compression steps to the first pressure level, wherein the second gaseous fraction or its part returned to form the separation insert is also fed to the one or more compression steps. In particular, a compression step is selected for the return, which corresponds to the pressure level at which the second gaseous fraction is present, ie in particular the second pressure level or a pressure level in the region of the second pressure level. In this way, additional compression and expansion steps can be saved. For example, the second gaseous fraction or its part recirculated to form the separation insert can be supplied to a compression stage of a multi-stage compressor. It is also possible to use a plurality of compressors, in particular a so-called booster and a booster, wherein the return also takes place at a suitable location.
Vorteilhafterweise liegt das erste Druckniveau, d. h. das Druckniveau, auf dem der Trenneinsatz bereitgestellt wird, bei einem Druckniveau von 20 bis 25 bar. Insbesondere kann hierbei ein Druckniveau von bis zu ca. 22 bar eingesetzt werden. Das zweite Druckniveau, d. h. das Druckniveau, auf das die erste flüssige Fraktion oder deren Teil entspannt wird, liegt vorteilhafterweise bei 10–15 bar, beispielsweise kann ein Druckniveau von ca. 14,2 bar verwendet werden. Vorteilhafterweise beträgt dabei ein Druckunterschied zwischen dem ersten und dem zweiten Druckniveau 5–10 bar, beispielsweise kann ein Druckniveauunterschied bei ca. 7 bar liegen.Advantageously, the first pressure level, i. H. the pressure level at which the separation insert is provided at a pressure level of 20 to 25 bar. In particular, in this case, a pressure level of up to about 22 bar can be used. The second pressure level, d. H. the pressure level at which the first liquid fraction or its part is expanded, is advantageously at 10-15 bar, for example, a pressure level of about 14.2 bar can be used. Advantageously, while a pressure difference between the first and the second pressure level 5-10 bar, for example, a pressure level difference can be at about 7 bar.
Das zweite, im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte Temperaturniveau liegt vorteilhafterweise bei –45 bis –50°C und/oder das dritte Temperaturniveau liegt vorteilhafterweise bei –35 bis –40°C. Beispielsweise kann das zweite Temperaturniveau bei –48 oder –50°C liegen, das dritte Temperaturniveau liegt insbesondere bei ca. –38°C.The second, used in the context of the present invention temperature level is advantageously from -45 to -50 ° C and / or the third temperature level is advantageously from -35 to -40 ° C. For example, the second temperature level may be -48 or -50 ° C, the third temperature level is in particular at about -38 ° C.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst das Bilden des Erdgassubstituts vorteilhafterweise eine physikalische Wäsche der ersten gasförmigen Fraktion oder deren zur Bildung des Erdgassubstituts verwendeten Teils. Stromauf oder in einer derartigen physikalischen Wäsche kann insbesondere auch eine Kälterückgewinnung vorgenommen werden, wobei die hierbei zugeführte Wärme dem Trenneinsatz und/oder aus diesem gebildeten Strömen entzogen wird. Hierzu können insbesondere, wie auch nachfolgend erläutert, beispielsweise Ammoniak- und/oder Kohlendioxid-Kältemittelkreisläufe zum Einsatz kommen.In the context of the present invention, the formation of the natural gas substitute advantageously comprises a physical wash of the first gaseous fraction or its part used to form the natural gas substitute. Upstream or in such a physical wash, in particular, a cold recovery can be carried out, wherein the heat supplied in this case is withdrawn from the separating insert and / or streams formed therefrom. For this purpose, in particular, as also explained below, for example, ammonia and / or carbon dioxide refrigerant circuits can be used.
In der physikalischen Wäsche wird dabei vorteilhafterweise eine Kohlendioxid enthaltene Fraktion zurückgewonnen, die oder ein Teil derer ebenfalls zur Bildung des Trenneinsatzes zurückgeführt wird. Auf diese Weise lässt sich noch das in der zweiten gasförmigen Fraktion enthaltene Kohlendioxid zurückgewinnen und letztlich in das Kohlendioxidprodukt überführen. In the physical wash thereby advantageously a carbon dioxide-containing fraction is recovered, which or part of which is also attributed to the formation of the separation insert. In this way, the carbon dioxide contained in the second gaseous fraction can still be recovered and ultimately converted into the carbon dioxide product.
Vorteilhafterweise liegt ein Verhältnis, in dem die erste flüssige Fraktion und die erste gasförmige Fraktion bei der Teilkondensation zueinander gebildet werden, bei 25 zu 65 bis 35 zu 65. Entsprechende Kondensationsverhältnisse lassen sich insbesondere durch die Verwendung der genannten Drücke und Temperaturen erzielen, sie hängen aber insbesondere auch von der Zusammensetzung der jeweiligen Einsatzgasgemische bzw. rückgeführten Fraktionen ab.Advantageously, a ratio in which the first liquid fraction and the first gaseous fraction are formed in the partial condensation to each other, at 25 to 65 to 35 to 65. Corresponding condensation ratios can be achieved in particular by the use of said pressures and temperatures, but they depend in particular also from the composition of the respective feed gas mixtures or recycled fractions.
Vorteilhafterweise liegt ein Verhältnis, in dem die zweite flüssige Fraktion und die zweite gasförmige Fraktion beim Entspannen der ersten flüssigen Fraktion zueinander gebildet werden, bei 6 zu 94 bis 8 zu 92. Die genannten Werte sind jeweils als Anteile auf molarer Basis zu verstehen.Advantageously, a ratio in which the second liquid fraction and the second gaseous fraction are formed when the first liquid fraction is expanded relative to one another is 6 to 94 to 8 to 92. The values given are each to be understood as proportions on a molar basis.
Ein Kohlendioxidgehalt in der ersten Flüssigfraktion lässt sich auf diese Weise auf einen Wert von 90% bis 95% und in der zweiten Flüssigfraktion von 95% bis 99% und oberhalb jener in der ersten Flüssigfraktion anreichern.A carbon dioxide content in the first liquid fraction can be enriched in this way to a value of 90% to 95% and in the second liquid fraction of 95% to 99% and above that in the first liquid fraction.
Die vorliegende Erfindung erstreckt sich ferner auch auf eine Anlage zur Herstellung eines Erdgassubstituts und eines Kohlendioxidprodukts. Zu Details einer entsprechenden Anlage sei auf den entsprechenden unabhängigen Patentanspruch verwiesen. Insbesondere ist eine derartige Anlage zur Durchführung eines Verfahrens eingerichtet, wie es zuvor erläutert wurde. Auf die entsprechenden Merkmale und Vorteile sei daher ausdrücklich verwiesen.The present invention also extends to a plant for producing a natural gas substitute and a carbon dioxide product. For details of a corresponding system, reference is made to the corresponding independent claim. In particular, such a system is set up to carry out a method, as explained above. The corresponding features and advantages are therefore expressly referred to.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, welche eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.The present invention will be further described below with reference to the accompanying drawings which show a preferred embodiment of the present invention.
Kurze Beschreibung der ZeichnungShort description of the drawing
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
In dem Verfahren
Ein entsprechend erhaltener, nachverdichteter Druckgasstrom e wird einer Schwefelwasserstoffentfernung
Nach der Aufreinigung erfolgt eine Kühlung
Mit gestrichelten Pfeilen sind jeweils Kühlkreisläufe veranschaulicht und der Übersichtlichkeit halber nicht separat erläutert. Zur Kühlung in dem Kühlschritt
Das Zweiphasengemisch des Stoffstroms i, das die zuvor erläuterte ”erste flüssige Fraktion” und die zuvor erläuterte ”erste gasförmige Fraktion” umfasst, wird einer zweistufigen Trennung
Die zweite flüssige Fraktion oder ein Teil hiervon wird zur Bildung des Kohlendioxidprodukts verwendet und hierzu in Form eines Stoffstroms j in eine Tieftemperaturrektifikation
In der Tieftemperaturrektifikation
Allgemein lässt sich sagen, dass die Effizienz der Kohlendioxidverflüssigung im Bereich von 25 bis 50 Molprozent in einem Einsatzgasgemisch weniger von dem Partialdruck des Kohlendioxids in dem Einsatzgasgemisch abhängt. Fällt die Konzentration ab, kann eine Menge eines rückgeführten Stroms eingestellt werden, in dem bewusst Kohlendioxid in den Trenneinsatz zurückgeführt wird.Generally, it can be said that the efficiency of carbon dioxide liquefaction in the range of 25 to 50 mole percent in a feed gas mixture is less dependent on the partial pressure of carbon dioxide in the feed gas mixture. If the concentration decreases, an amount of recirculated flow can be adjusted by deliberately returning carbon dioxide to the separation unit.
Die erste gasförmige Fraktion, die aus der Abkühlung des Trenneinsatzes resultiert, kann in Form eines Stoffstroms m einer Kälterückgewinnung
In der physikalischen Wäsche
Insgesamt hängt die Massenbilanz der vorliegenden Anlage durch die Entfernung von Kondensat und geringen Abfallströmen geschlossen, die hier nicht gesondert veranschaulicht sind.Overall, the mass balance of the present system depends on the removal of condensate and low waste streams closed, which are not separately illustrated here.
Claims (13)
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