DE102021214785A1 - Carbon Dioxide Separation Device - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlendioxid-Abtrennungsvorrichtung 10, wobei die Kohlendioxid-Abtrennungsvorrichtung 10 eine Absorptionsvorrichtung 20 und eine Desorptionsvorrichtung 30 aufweist, wobei die Absorptionsvorrichtung 20 einen Gaseinlass 21 für das zu reinigende Gas und einen Gasauslass 22 für das gereinigte Gas aufweist, wobei die Absorptionsvorrichtung 20 einen Absorptionssolvenseinlass 23 und einen Lösungsauslass 24 aufweist, wobei die Desorptionsvorrichtung 30 wenigstens einen ersten Lösungseinlass 31, einen Absorptionssolvensauslass 32, einen Warmsolvenseinlass 33 und einen Kohlendioxidauslass 34 aufweist, wobei der Lösungsauslass 24 mit dem ersten Lösungseinlass 31 über eine erste Lösungsverbindung 40 verbunden ist, wobei die erste Lösungsverbindung 40 einen ersten Wärmetauscher 41 aufweist, wobei der Absorptionssolvensauslass 32 mit dem Absorptionssolvenseinlass 23 über eine Absorptionssolvensverbindung 50 verbunden ist, wobei die Absorptionssolvensverbindung 50 den ersten Wärmetauscher 41 aufweist, sodass die Wärme des Solvensstroms an den Lösungsstrom übergeben wird, wobei die Absorptionssolvensverbindung 50 eine Abzweigung 51 zu einer Warmsolvensverbindung 52 aufweist, wobei die Warmsolvensverbindung 52 mit dem Warmsolvenseinlass 33 verbunden ist, wobei die Warmsolvensverbindung einen zweiten Wärmetauscher 53 aufweist. The present invention relates to a carbon dioxide separation device 10, the carbon dioxide separation device 10 having an absorption device 20 and a desorption device 30, the absorption device 20 having a gas inlet 21 for the gas to be cleaned and a gas outlet 22 for the cleaned gas, the absorption device 20 has an absorption solvent inlet 23 and a solution outlet 24, the desorption device 30 having at least a first solution inlet 31, an absorption solvent outlet 32, a warm solvent inlet 33 and a carbon dioxide outlet 34, the solution outlet 24 being connected to the first solution inlet 31 via a first solution connection 40, the first solution connection 40 having a first heat exchanger 41, the absorption solvent outlet 32 being connected to the absorption solvent inlet 23 via an absorption solvent connection 50, the absorption solvent connection 50 having the first heat exchanger 41 such that the heat of the solvent stream is transferred to the solution stream, the absorption solvent connection 50 has a branch 51 to a warm solvent connection 52 , the warm solvent connection 52 being connected to the warm solvent inlet 33 , the warm solvent connection having a second heat exchanger 53 .
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtrennung von Kohlendioxid aus Gasen, insbesondere aus Abgasen.The invention relates to a device for separating carbon dioxide from gases, in particular from exhaust gases.
Um den menschgemachten Klimawandel zu reduzieren wird zunehmend vermieden, Kohlendioxid in die Atmosphäre abzugeben. Vielmehr wird versucht, entstehendes Kohlendioxid abzutrennen und entweder anschließend umzuwandeln oder zu deponieren. Ein typisches Verfahren hierzu ist, Abgase bei etwa 25 °C bis 50 °C mit einer basischen Lösung, beispielsweise einer Amin-Lösung zu waschen. Diese Amin-Lösung wirkt als Solvens in dem sich das Kohlendioxid löst. Die das Kohlendioxid-enthaltende Lösung wird dann erwärmt und in einem Desorptionsschritt das Kohlendioxid wieder in die Gasphase überführt. Hierdurch wird das Solvens zurückerhalten und ebenso wird ein reiner Kohlendioxid-Gasstrom. Der Kohlendioxid-Gasstrom kann dann beispielsweise und rein exemplarisch deponiert oder einer Methanol-Synthese zugeführt werden.In order to reduce man-made climate change, carbon dioxide emissions into the atmosphere are increasingly being avoided. Instead, attempts are being made to separate the carbon dioxide that is produced and then either convert it or dump it. A typical method for this is to scrub exhaust gases at about 25°C to 50°C with a basic solution, for example an amine solution. This amine solution acts as a solvent in which the carbon dioxide dissolves. The solution containing the carbon dioxide is then heated and the carbon dioxide is converted back into the gas phase in a desorption step. This recovers the solvent and also produces a pure carbon dioxide gas stream. The carbon dioxide gas stream can then, for example and purely by way of example, be deposited or fed to a methanol synthesis.
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Allen Anlagen zur Abtrennung von CO2 ist gemein, dass zur erneuten Abgabe des CO2 aus der Lösung Energie zugeführt werden muss. Hierzu wird auf Wärme auf einem hohen und damit vergleichsweise wertvollen Niveau zurückgegriffen.What all systems for separating CO 2 have in common is that energy must be supplied to release the CO 2 from the solution again. For this purpose, heat is used at a high and thus comparatively valuable level.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kohlendioxid-Abtrennungsvorrichtung bereitzustellen, bei der Gesamtprozess aus Absorption und Desorption energetisch optimiert ist.The object of the invention is to provide a carbon dioxide separation device in which the overall process of absorption and desorption is energetically optimized.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Kohlendioxid-Abtrennungsvorrichtung mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.This object is achieved by the carbon dioxide separation device having the features specified in claim 1. Advantageous developments result from the dependent claims, the following description and the drawings.
Die erfindungsgemäße Kohlendioxid-Abtrennungsvorrichtung weist eine Absorptionsvorrichtung und eine Desorptionsvorrichtung auf. In der Absorptionsvorrichtung wird das vom Kohlendioxid zu reinigende Gas eingeführt und durch den Kontakt mit einem Solvens, meist einer Amin-Lösung, das Kohlendioxid aus der Gasphase in die flüssige Phase überführt. Es entsteht eine Lösung aus dem Solvens mit dem darin gelösten, gegebenenfalls gebundenem, Kohlendioxid. Diese Lösung wird in die Desoptionsvorrichtung überführt, wo das Kohlendioxid aus der Lösung wieder ausgetrieben wird, wodurch das Solvens zurückerhalten und im Kreislauf zurück in die Absorptionsvorrichtung überführt wird. Ebenso wird ein Kohlendioxid-Gasstrom erhalten, welcher der weiteren Verwendung zugeführt werden kann. Dieses Grundprinzip wird in einer Vielzahl an Variationen bereits eingesetzt.The carbon dioxide separation device according to the invention has an absorption device and a desorption device. The gas to be cleaned of carbon dioxide is introduced into the absorption device and the carbon dioxide is converted from the gas phase into the liquid phase by contact with a solvent, usually an amine solution. A solution is formed from the solvent with the carbon dioxide dissolved therein, which may be bound. This solution is transferred to the desorption device where the carbon dioxide is stripped out of the solution, thereby recovering the solvent and being recycled back to the absorption device. Likewise, a carbon dioxide gas stream is obtained, which can be supplied for further use. This basic principle is already used in a large number of variations.
Die Absorptionsvorrichtung weist einen Gaseinlass für das zu reinigende Gas und einen Gasauslass für das gereinigte Gas auf. Das zu reinigende Gas kann beispielsweise ein Abgas aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe sein. Das gereinigte Gas wäre dann meist hauptsächlich Stickstoff mit einem kleinen Rest an Kohlendioxid und gegebenenfalls einem durch den Verbrennungsprozess stark reduzierten Anteil an Sauerstoff. Das gereinigte Gas kann dann beispielsweise an die Atmosphäre abgegeben werden, ohne dabei große Mengen an Kohlendioxid als Treibhausgas freizusetzen. Die Absorptionsvorrichtung weist üblicherweise einen oder mehrere Stoffaustauschelemente auf, die zwischen dem Gaseinlass und dem Absorptionssolvenseinlass angeordnet sind. Die Stoffaustauschelemente dienen dazu, die flüssige und die gasförmige Phase besser in Kontakt zu bringen, insbesondere auch die Oberfläche der flüssigen Phase zu erhöhen. Derartige Stoffaustauschelemente sind dem Fachmann bekannt und können beispielsweise Glockenböden, Füllkörper sein oder strukturierte Packung seinThe absorption device has a gas inlet for the gas to be cleaned and a gas outlet for the cleaned gas. The gas to be cleaned can be, for example, an exhaust gas from the combustion of fossil fuels. The cleaned gas would then mostly be mainly nitrogen with a small remainder of carbon dioxide and possibly a greatly reduced proportion of oxygen due to the combustion process. The cleaned gas can then be released into the atmosphere, for example, without releasing large amounts of carbon dioxide as a greenhouse gas. The absorption device usually has one or more mass transfer elements which are arranged between the gas inlet and the absorption solvent inlet. The mass transfer elements serve to bring the liquid and the gaseous phase into better contact, in particular also to increase the surface area of the liquid phase. Such mass transfer elements are known to those skilled in the art and can, for example, be bubble-cap trays, random packings or structured packing
Die Absorptionsvorrichtung weist weiter einen Absorptionssolvenseinlass und einen Lösungsauslass auf. Der Absorptionssolvenseinlass ist üblicherweise oben an der Absorptionsvorrichtung angeordnet, der Lösungsauslass an der unten an der Absorptionsvorrichtung. Entsprechend ist der Gaseinlass üblicherweise unten und der Gasauslass oben angeordnet, sodass Gas und Solvens im Gegenstrom durch die Absorptionsvorrichtung fließen.The absorption device further includes an absorption solvent inlet and a solution outlet. The absorption solvent inlet is usually located at the top of the absorption device, the solution outlet at the bottom of the absorption device. Correspondingly, the gas inlet is usually arranged at the bottom and the gas outlet at the top, so that the gas and solvent flow countercurrently through the absorption device.
Die Desorptionsvorrichtung weist wenigstens einen ersten Lösungseinlass, einen Absorptionssolvensauslass, einen Warmsolvenseinlass und einen Kohlendioxidauslass auf. Der Lösungsauslass der Absorptionsvorrichtung ist mit dem ersten Lösungseinlass der Desorptionsvorrichtung über eine erste Lösungsverbindung verbunden. Die erste Lösungsverbindung weist einen ersten Wärmetauscher auf. Hierdurch wird der Lösungsstrom, welcher durch die erste Lösungsverbindung fließt, erwärmt, sodass in der Desorptionsvorrichtung das in der Lösung vorhandene Kohlendioxid wieder abgegeben werden kann. Der Absorptionssolvensauslass der Desorptionsvorrichtung ist mit dem Absorptionssolvenseinlass der Absorptionsvorrichtung über eine Absorptionssolvensverbindung verbunden. Über die Absorptionssolvensverbindung fließt das in der Desorptionsvorrichtung vom Kohlendioxid abgereicherte Solvens zurück zur Absorptionsvorrichtung. Die Absorptionssolvensverbindung weist ebenfalls den ersten Wärmetauscher auf. Hierdurch wird die Wärme des Solvensstroms in der Absorptionssolvensverbindung an den Lösungsstrom übergeben. Die Absorptionssolvensverbindung weist eine Abzweigung zu einer Warmsolvensverbindung auf. Es wird also ein Teilstrom des Solvensstroms abgezweigt und in die Warmsolvensverbindung geführt. Die Warmsolvensverbindung ist mit dem Warmsolvenseinlass verbunden. Die Warmsolvensverbindung weist einen zweiten Wärmetauscher auf. Hierdurch kann zusätzlich Energie in das gesamte System eingetragen werden. Die Desorptionsvorrichtung weist üblicherweise einen oder mehrere Stoffaustauschelemente auf, die oberhalb und unterhalb des ersten Lösungseinlass angeordnet sind. Die Stoffaustauschelemente dienen dazu, die flüssige und die gasförmige Phase besser in Kontakt zu bringen, insbesondere auch die Oberfläche der flüssigen Phase zu erhöhen. Derartige Stoffaustauschelemente sind dem Fachmann bekannt und können beispielsweise Glockenböden, Füllkörper oder strukturierte Packung sein.The desorption device has at least a first solution inlet, an absorbent solvent outlet, a warm solvent inlet, and a carbon dioxide outlet. The solution outlet of the absorption device is connected to the first solution inlet of the desorption device via a first solution connection. The first solution compound has a first heat exchanger. As a result, the solution stream which flows through the first solution connection is heated, so that the carbon dioxide present in the solution can be emitted again in the desorption device. The absorption solvent outlet of the desorption device is connected to the absorption solvent inlet of the absorption device via an absorption solvent connection. The solvent depleted of carbon dioxide in the desorption device flows back to the absorption device via the absorption solvent connection. The absorption solvent compound also has the first heat exchanger. This transfers the heat of the solvent flow to the solution flow in the absorption solvent connection. The absorption solvent junction has a branch to a warm solvent junction. A partial flow of the solvent flow is therefore branched off and fed into the warm solvent connection. The warm solvent connection is connected to the warm solvent inlet. The warm solvent compound has a second heat exchanger. As a result, additional energy can be introduced into the entire system. The desorption device usually has one or more mass transfer elements which are arranged above and below the first solution inlet. The mass transfer elements serve to bring the liquid and the gaseous phase into better contact, in particular also to increase the surface area of the liquid phase. Such mass transfer elements are known to those skilled in the art and can, for example, be bubble-cap trays, random packings or structured packing.
Erfindungsgemäß zweigt zwischen der Absorptionsvorrichtung und dem ersten Wärmetauscher der ersten Lösungsverbindung eine dritte Lösungsverbindung ab. Die dritte Lösungsverbindung ist strömungstechnisch am Ende, wo der Lösungsstrom wieder aus der dritten Lösungsverbindung austritt, mit der ersten Lösungsverbindung hinter dem ersten Wärmetauscher oder der Absorptionsvorrichtung verbunden. Die dritte Lösungsverbindung weist einen vierten Wärmetauscher auf, in dem der Lösungsstrom der dritten Lösungsverbindung erwärmt wird. Der vierte Wärmetauscher und der Gaseinlass sind über eine Gasverbindung verbunden, sodass das zu reinigende Gas durch den vierten Wärmetauscher geleitet wird, bevor das zu reinigende Gas in die Absorptionsvorrichtung geführt wird. Üblicherweise wird das zu reinigende Gas mit einer Temperatur zwischen 100 °C und 200 °C, beispielsweise mit 150 °C, bereitgestellt, entsprechend wie es aus den Vorprozessen anfällt. In der Absorptionsvorrichtung sind Temperaturen von 30 °C bis 40 °C üblich sind, ist normalerweise ein Wärmetauscher zum Abkühlen notwendig. Jedoch ist die hierbei anfallende Wärme oftmals nicht mehr zu nutzen, da diese auf einem sehr geringen Niveau anfällt. Durch den direkten Wärmeübergang kann die Energie direkt auf den Lösungsstrom übertragen werden, welcher dabei auf beispielsweise 100 °C bis 110 °C und damit auf das Temperaturniveau der Desoptionsvorrichtung gebracht wird. Hierdurch kann die am zweiten Wärmetauscher zugeführte Energie, welche aus einer höherwertigen Energiequelle, meist Dampf, stammt, wenigstens teilweise eingespart werden.According to the invention, a third solution connection branches off between the absorption device and the first heat exchanger of the first solution connection. The third solution connection is fluidly connected to the first solution connection after the first heat exchanger or absorption device at the end where the solution flow exits the third solution connection again. The third solution compound has a fourth heat exchanger in which the solution stream of the third solution compound is heated. The fourth heat exchanger and the gas inlet are connected via a gas connection, so that the gas to be cleaned is passed through the fourth heat exchanger before the gas to be cleaned is passed into the absorption device. The gas to be cleaned is usually provided at a temperature between 100° C. and 200° C., for example at 150° C., depending on how it is obtained from the preliminary processes. Temperatures of 30°C to 40°C are common in the absorption device, a heat exchanger is normally required for cooling. However, the heat generated here can often no longer be used, since it occurs at a very low level. Due to the direct heat transfer, the energy can be transferred directly to the solution stream, which is brought to, for example, 100° C. to 110° C. and thus to the temperature level of the desoption device. As a result, the energy supplied to the second heat exchanger, which comes from a higher-value energy source, usually steam, can be saved at least in part.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die erste Lösungsverbindung strömungstechnisch hinter dem ersten Wärmetauscher eine Verdampfungsvorrichtung auf. Die Verdampfungsvorrichtung, auch Druckentspannungsbehälter genannt, dient dazu, dass die im ersten Wärmetauscher erwärmte Lösung des Lösungsstroms sich ausdehnen und daher partiell verdampfen kann. In der Verdampfungsvorrichtung wird somit die flüssige Phase des Lösungsstroms von der gasförmigen Phase des Lösungsstroms getrennt. Die flüssige Phase wird durch die erste Lösungsverbindung in die Desorptionsvorrichtung geführt. Die Desorptionsvorrichtung weist weiter einen Dampfeinlass auf und die Verdampfungsvorrichtung weist einen Dampfauslass auf. Der Dampfauslass der Verdampfungsvorrichtung und der Dampfeinlass der Desorptionsvorrichtung sind zur Überführung der gasförmigen Phase mit einer Gaslösungsverbindung verbunden. Besonders bevorzugt ist der Dampfeinlass in unteren Bereich der Desorptionsvorrichtung angeordnet. Hierdurch wird die energetische Führung des Gesamtprozesses optimiert.In a further embodiment of the invention, the first solution connection has an evaporation device downstream of the first heat exchanger in terms of flow. The evaporation device, also known as the pressure expansion tank, is used to allow the solution of the solution stream heated in the first heat exchanger to expand and therefore partially evaporate. The liquid phase of the solution stream is thus separated from the gaseous phase of the solution stream in the evaporation device. The liquid phase is led into the desorption device through the first solution connection. The desorptions The device further has a vapor inlet and the vaporization device has a vapor outlet. The vapor outlet of the evaporation device and the vapor inlet of the desorption device are connected to a gas solution connection for transfer of the gaseous phase. The steam inlet is particularly preferably arranged in the lower area of the desorption device. This optimizes the energetic management of the overall process.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die dritte Lösungsverbindung am Ende, wo der Lösungsstrom wieder aus der dritten Lösungsverbindung austritt, mit der Verdampfungsvorrichtung verbunden. Hierdurch kann hier, ebenso wie bei dem erwärmten Lösungsstrom der ersten Lösungsverbindung ein Entspannen erfolgen und die Gasphase von der flüssigen Phase getrennt werden.In a further embodiment of the invention, the third solution connection is connected to the evaporation device at the end where the solution stream emerges again from the third solution connection. In this way, as in the case of the heated solution stream of the first solution compound, expansion can take place here and the gas phase can be separated from the liquid phase.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist die Gasverbindung eine Rohgasreinigung auf. Insbesondere und bevorzugt ist die Rohgasreinigung zur Entfernung von Schwefeloxiden ausgebildet.In a further embodiment of the invention, the gas connection has a raw gas cleaning system. In particular and preferably, the raw gas cleaning is designed to remove sulfur oxides.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zweigt zwischen der Absorptionsvorrichtung und dem ersten Wärmetauscher der ersten Lösungsverbindung eine zweite Lösungsverbindung ab. Die zweite Lösungsverbindung führt direkt in den Kopf der Desorptionsvorrichtung. Direkt bedeutet in diesem Zusammenhang ohne einen Wärmetauscher oder dergleichen. Gegebenenfalls kann hier ein (Durchflussregel-)Ventil angeordnet sein. Somit wird die mit Kohlendioxid beladene Lösung selber zur Kühlung des aus der Desoptionsvorrichtung austretenden Gasstroms genutzt. Infolgedessen verbleibt die aus ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher in die Desorptionseinrichtung zugeführte Wärme in der Desorptionseinrichtung und im Solvens und wird nicht an ein Kühlmedium abgegeben.In a further embodiment of the invention, a second solution connection branches off between the absorption device and the first heat exchanger of the first solution connection. The second solution connection leads directly to the top of the desorption device. In this context, directly means without a heat exchanger or the like. If necessary, a (flow control) valve can be arranged here. The solution loaded with carbon dioxide is thus itself used to cool the gas stream exiting the desorption device. As a result, the heat supplied from the first heat exchanger and the second heat exchanger into the desorption device remains in the desorption device and the solvent and is not released to a cooling medium.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zweigt zwischen der Absorptionsvorrichtung und dem ersten Wärmetauscher der ersten Lösungsverbindung eine vierte Lösungsverbindung ab. Die vierte Lösungsverbindung ist am Ende, wo der Lösungsstrom wieder aus der vierten Lösungsverbindung austritt, mit der ersten Lösungsverbindung hinter dem ersten Wärmetauscher oder der Absorptionsvorrichtung verbunden. Die vierte Lösungsverbindung weist einen fünften Wärmetauscher auf. Der fünfte Wärmetauscher ist derart mit dem zweiten Wärmetauscher verbunden ist, dass das im zweiten Wärmetauscher abgekühlte Wärmetauschmedium in den fünften Wärmetauscher geführt wird. Hierdurch kann das Maximum an thermischer Energie aus dem Wärmetauschmedium, meist Dampf, gewonnen werden und so der gesamte Energiebedarf wiederum gesenkt werden.In a further embodiment of the invention, a fourth solution connection branches off between the absorption device and the first heat exchanger of the first solution connection. The fourth solution connection is connected to the first solution connection after the first heat exchanger or absorption device at the end where the solution flow exits the fourth solution connection again. The fourth solution compound has a fifth heat exchanger. The fifth heat exchanger is connected to the second heat exchanger in such a way that the heat exchange medium cooled in the second heat exchanger is fed into the fifth heat exchanger. As a result, the maximum amount of thermal energy can be obtained from the heat exchange medium, usually steam, and the overall energy requirement can thus be reduced in turn.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die vierte Lösungsverbindung am Ende, wo der Lösungsstrom wieder aus der vierten Lösungsverbindung austritt, mit der Verdampfungsvorrichtung verbunden. Hierdurch kann hier, ebenso wie bei dem erwärmten Lösungsstrom der ersten Lösungsverbindung ein Entspannen erfolgen und die Gasphase von der flüssigen Phase getrennt werden.In a further embodiment of the invention, the fourth solution connection is connected to the evaporation device at the end where the solution stream exits the fourth solution connection again. In this way, as in the case of the heated solution stream of the first solution compound, expansion can take place here and the gas phase can be separated from the liquid phase.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Kohlendioxidauslass mit einem ersten Kohlendioxidkompressor verbunden. Der erste Kohlendioxidkompressor ist mit einem ersten Kohlendioxidwärmetauscher verbunden, um das durch die Kompression erwärmte Kohlendioxid wieder abzukühlen. Dieses ist üblich, da sowohl zum Deponieren als auch zur Weiterverarbeitung von Kohlendioxid, beispielsweise zu Methanol das Kohlendioxid mit einem höheren Druck benötigt wird. Üblicherweise sind hierzu eine Mehrzahl an Kohlendioxidkompressoren und Kohlendioxidwärmetauschern kaskadiert hintereinander in Reihe geschaltet, um das Kohlendioxid in Stufen jeweils zu komprimieren und dazwischen immer wieder abzukühlen. Zwischen der Absorptionsvorrichtung und dem ersten Wärmetauscher der ersten Lösungsverbindung zweigt eine fünfte Lösungsverbindung ab. Die fünfte Lösungsverbindung ist am Ende, wo der Lösungsstrom wieder aus der fünften Lösungsverbindung austritt, mit der ersten Lösungsverbindung hinter dem ersten Wärmetauscher oder der Absorptionsvorrichtung verbunden. Die fünfte Lösungsverbindung weist den ersten Kohlendioxidwärmetauscher auf. Hierdurch kann die thermische Energie, die durch das Komprimieren des Kohlendioxids erzeugt wird, für den Prozess genutzt werden. Ist eine Mehrzahl an Kohlendioxidwärmetauschern vorhanden, so werden diese bevorzugt parallel in die fünfte Lösungsverbindung integriert.In another embodiment of the invention, the carbon dioxide outlet is connected to a first carbon dioxide compressor. The first carbon dioxide compressor is connected to a first carbon dioxide heat exchanger in order to cool down the carbon dioxide heated by the compression again. This is common, since the carbon dioxide is required at a higher pressure both for dumping and for the further processing of carbon dioxide, for example to form methanol. For this purpose, a plurality of carbon dioxide compressors and carbon dioxide heat exchangers are usually connected in series in a cascaded manner in order to compress the carbon dioxide in stages and to cool it again and again in between. A fifth solution connection branches off between the absorption device and the first heat exchanger of the first solution connection. The fifth solution connection is connected to the first solution connection after the first heat exchanger or absorption device at the end where the solution flow exits the fifth solution connection again. The fifth solution compound includes the first carbon dioxide heat exchanger. This allows the thermal energy generated by compressing the carbon dioxide to be used for the process. If there is a plurality of carbon dioxide heat exchangers, these are preferably integrated in parallel into the fifth solution compound.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die fünfte Lösungsverbindung am Ende, wo der Lösungsstrom wieder aus der fünften Lösungsverbindung austritt, mit der Verdampfungsvorrichtung verbunden. Hierdurch kann hier, ebenso wie bei dem erwärmten Lösungsstrom der ersten Lösungsverbindung ein Entspannen erfolgen und die Gasphase von der flüssigen Phase getrennt werden.In a further embodiment of the invention, the fifth solution connection is connected to the evaporation device at the end where the solution stream emerges again from the fifth solution connection. In this way, as in the case of the heated solution stream of the first solution compound, expansion can take place here and the gas phase can be separated from the liquid phase.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Druck des Solvens im zweiten Wärmetauscher um 0,2 bar bis 5 bar höher ist als der Druck in der Desorptionsvorrichtung am Absorptionssolvensauslass. Im zweiten Wärmetauscher kann somit eine höhere Ausgangstemperatur erzielt werden, da durch den erhöhten Druck die Temperatur, bis hin zur Siedetemperatur bei dem entsprechenden Druck, erhöht werden kann. Dieses wiederum bedeutet, dass das Solvens am Absorptionssolvensauslass eine höhere Temperatur aufweist und damit mit einer höheren Temperatur in den ersten Wärmetauscher gelangt. Dadurch kann dieser entweder kompakter ausgeführt werden oder eine höhere Ausgangstemperatur für den beladenen Lösungsstrom aus dem ersten Wärmetauscher erzielt werden. Letzteres wiederrum führt zu einer effizienteren Austreibung des Kohlendioxids aus der Lösung.In a further embodiment of the invention, the pressure of the solvent in the second heat exchanger is 0.2 bar to 5 bar higher than the pressure in the desorption device at the absorption solvent outlet. In the second heat exchanger thus a higher starting temperature can be achieved, since the increased pressure can increase the temperature up to the boiling point at the corresponding pressure. This in turn means that the solvent has a higher temperature at the absorption solvent outlet and thus reaches the first heat exchanger at a higher temperature. As a result, it can either be made more compact or a higher outlet temperature can be achieved for the loaded solution stream from the first heat exchanger. The latter in turn leads to more efficient expulsion of the carbon dioxide from the solution.
Hierbei ist der Druck des Solvens im zweiten Wärmetauscher apparativ bedingt. Um den Druck gezielt apparativ einzustellen gibt es zwei beispielhafte und bevorzugte Ausführungsformen. In einer ersten beispielhaften und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Druck des Solvens im zweiten Wärmetauscher dadurch um 0,2 bar bis 5 bar höher als der Druck in der Desorptionsvorrichtung am Absorptionssolvensauslass, dass der zweite Wärmetauscher um wenigstens 1 m unter dem Absorptionssolvensauslass angeordnet ist, wodurch der Druck im zweiten Wärmetauscher durch den hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule des Solvens erzeugt wird. In einer zweiten beispielhaften und bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Druck des Solvens im zweiten Wärmetauscher dadurch um 0,2 bar bis 5 bar höher als der Druck in der Desorptionsvorrichtung am Absorptionssolvensauslass, dass vor dem zweiten Wärmetauscher eine erste Pumpe zur Erzeugung des entsprechenden Überdrucks angeordnet ist.Here, the pressure of the solvent in the second heat exchanger is dependent on the equipment. There are two exemplary and preferred embodiments for setting the pressure in a targeted manner using equipment. In a first exemplary and preferred embodiment of the invention, the pressure of the solvent in the second heat exchanger is higher by 0.2 bar to 5 bar than the pressure in the desorption device at the absorption solvent outlet in that the second heat exchanger is arranged at least 1 m below the absorption solvent outlet, whereby the pressure in the second heat exchanger is generated by the hydrostatic pressure of the liquid column of the solvent. In a second exemplary and preferred embodiment of the invention, the pressure of the solvent in the second heat exchanger is 0.2 bar to 5 bar higher than the pressure in the desorption device at the absorption solvent outlet by arranging a first pump upstream of the second heat exchanger to generate the corresponding overpressure is.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem zweiten Wärmetauscher und der Desorptionsvorrichtung eine Druckverlusteinrichtung, beispielsweise eines Regelventils, einer Lochblende oder einer Rohrverengung, angeordnet. Mit der Druckverlusteinrichtung wird der gewünschte Überdruck im zweiten Wärmetauscher Gas/dampfseitig eingestellt beziehungsweise gehalten. Hierdurch kann, wenn erforderlich, ein Verdampfen bereits im zweiten Wärmetauscher verhindert werden.In a further embodiment of the invention, a pressure loss device, for example a control valve, an orifice plate or a tube constriction, is arranged between the second heat exchanger and the desorption device. With the pressure loss device, the desired overpressure is set or maintained in the second heat exchanger on the gas/steam side. In this way, if necessary, evaporation can already be prevented in the second heat exchanger.
Bevorzugt ist der erste Lösungseinlass im mittleren Bereich der Desorptionsvorrichtung angeordnet.The first solution inlet is preferably arranged in the middle region of the desorption device.
Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Kohlendioxid-Abtrennungsvorrichtung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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1 erste beispielhafte Ausführungsform -
2 zweite beispielhafte Ausführungsform -
3 dritte beispielhafte Ausführungsform
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1 first exemplary embodiment -
2 second exemplary embodiment -
3 third exemplary embodiment
In
In der Desorptionsvorrichtung 30 wird das Kohlendioxid thermisch aus der Lösung entfernt und über den Kohlendioxidauslass 34 abgegeben. Dieser Kohlendioxidstrom kann dann beispielsweise entweder einer weiteren Umsetzung oder einer Deponierung zugeführt werden. Das vom Kohlendioxid befreite Solvens sammelt sich am Boden der Desorptionsvorrichtung 30 und wird durch den Absorptionssolvensauslass 32 der Absorptionssolvensverbindung 50 zugeführt. Der Solvensstrom gibt hierbei im ersten Wärmetauscher 41 seine thermische Energie an den Lösungsstrom ab. Beispielsweise mittels einer vierten Pumpe gelangt der Solvensstrom über einen dritten Wärmetauscher 55 durch den Absorptionssolvenseinlass 23 in die Absorptionsvorrichtung.In the
Vom Solvensstrom in der Absorptionssolvensverbindung 50 zweigt an der Abzweigung 51 ein Teilstrom ab, welcher durch die Warmsolvensverbindung 52 über den zweiten Wärmetauscher 53 insbesondere dampfförmig oder als Dampf/Flüssig-Gemisch durch den Warmsolvenseinlass 33 zurück in die Desorptionsvorrichtung 30 gefördert wird. Über den zweiten Wärmetauscher 53 wird die benötigte Energie für das Austreiben des Kohlendioxids aus der Lösung dem System zugeführt.A partial flow branches off from the solvent flow in the absorption
Weiter zweigt von der erste Lösungsverbindung 40 eine dritte Lösungsverbindung 60 ab, welche einen vierten Wärmetauscher 61 aufweist. Die dritte Lösungsverbindung 60 mündet am Ende in die Verdampfungsvorrichtung 42. Die Energie, welche im vierten Wärmetauscher 61 auf dem Lösungsstrom übertragen wird, stammt aus dem vom Kohlendioxid zu reinigendem Gasstrom. Um diesen Gaststrom dann in die Absorptionsvorrichtung 20 zu überführen sind der vierte Wärmetauscher 61 und der Gaseinlass 21 der Absorptionsvorrichtung 20 über die Gasverbindung 25 verbunden. Die Gasverbindung 25 weist zusätzlich eine Rohgasreinigung 26 auf, in der SOx entfernt und bringt zusätzlich den Gasstrom auf die richtige Temperatur für die Absorption des Kohlendioxids in der Absorptionsvorrichtung 20.A
In
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Kohlendioxid-AbtrennungsvorrichtungCarbon Dioxide Separation Device
- 2020
- Absorptionsvorrichtungabsorption device
- 2121
- Gaseinlassgas inlet
- 2222
- Gasauslassgas outlet
- 2323
- Absorptionssolvenseinlassabsorption solvent inlet
- 2424
- Lösungsauslasssolution outlet
- 2525
- Gasverbindunggas connection
- 2626
- Rohgasreinigung30 DesorptionsvorrichtungRaw gas cleaning30 desorption device
- 3131
- erster Lösungseinlassfirst solution inlet
- 3232
- Absorptionssolvensauslassabsorption solvent outlet
- 3333
- Warmsolvenseinlasswarm solvent inlet
- 3434
- Kohlendioxidauslasscarbon dioxide outlet
- 3535
- Dampfeinlasssteam inlet
- 3636
- Kohlendioxidkompressorcarbon dioxide compressor
- 3737
- Kohlendioxidwärmetauschercarbon dioxide heat exchanger
- 4040
- erste Lösungsverbindungfirst solution connection
- 4141
- erster Wärmetauscherfirst heat exchanger
- 4242
- Verdampfungsvorrichtungvaporizing device
- 4343
- Dampfauslasssteam outlet
- 4444
- Gaslösungsverbindunggas solution compound
- 4545
- zweite Lösungsverbindungsecond solution compound
- 4646
- zweite Pumpesecond pump
- 4747
- dritte Pumpethird pump
- 5050
- Absorptionssolvensverbindungabsorption solvent compound
- 5151
- Abzweigungjunction
- 5252
- Warmsolvensverbindungwarm solvent compound
- 5353
- zweiter Wärmetauschersecond heat exchanger
- 5454
- erste Pumpefirst pump
- 5555
- dritter Wärmetauscherthird heat exchanger
- 6060
- dritte Lösungsverbindungthird solution compound
- 6161
- vierter Wärmetauscherfourth heat exchanger
- 6262
- vierte Lösungsverbindungfourth solution compound
- 6363
- fünfte Wärmetauscherfifth heat exchanger
- 6464
- fünfte Lösungsverbindungfifth solution connection
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
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- WO 2014077919 A1 [0005]WO 2014077919 A1 [0005]
- US 20170197175 A1 [0006]US20170197175A1 [0006]
- WO 2013013749 A1 [0007]WO 2013013749 A1 [0007]
- WO 2019232626 A1 [0008]WO 2019232626 A1 [0008]
- US 20210220771 A1 [0009]US20210220771A1 [0009]
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- WO 2004080573 A1 [0014]WO 2004080573 A1 [0014]
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