DE1519758A1

DE1519758A1 - Extraktionsverfahren

Info

Publication number: DE1519758A1
Application number: DE19661519758
Authority: DE
Inventors: Wasp Eduard J; Galstaun Lionel S
Original assignee: Bechtel International Corp
Current assignee: Bechtel International Corp
Priority date: 1965-04-19
Filing date: 1966-04-15
Publication date: 1970-02-26
Also published as: NL6605213A; US3489506A; ES325658A1; GB1133230A; BE679684A

Description

H5 N t' ft N K E R C, Keßli-rplatz 1

τ. M.mo-m/..Λ Bi :t, 12. April 1966

0 0/7921 -IC/L

■i c h t e L Corporation, San Francisco (USa), Bush Street

"Extraktionsverfahren"

Die Krfinuunr bezweckt eine Verbesserung Luv ein nach dom GeTenstromprinzip arbeitendes Extraktionsverfahren.

Systeme, bei denen zwei Flüssigkeiten oder eine Flüssigkeit und ein Gas im üe'/enstrom zusammengeführt werden, werden von der Massen-Lber^ancrsseschwindicrkeit iui Absorptionsmedium oder die iveaktionsrreschwindijfrkeit des absorbierten Bestandteils mit einem oder mehreren Bestandteilen des Absorptionsmittel s oder von diesen beiden Geschwindigkeiten beherrscht, ßin wirtschaftlich sehr wichtiges Anwendungsgebiet derartiger Systeme stellt die Absorption von Kohlendioxyd aus einer Gasmischunrc durch eine alkalische Absorptionslösun«; dar.

Solche alkalischen Lösungen enthalten beispielsweise Natrium- oder Kaliunüiydroxyd, Natrium- oder Kaliumkarbonat, einzelne Alkanolamine un.i die verschiedenen aktivierten Natriur.i- oder Kaliumkarbonate. Natriuui- oder Kali u;nhyuroxyd lasst sich nicht so einfach zum ifydroxyd regenerieren; es wird v'ijölmehi' j rreversi b^l zum Karbonat im.l/odvir ßikarboiiat um-

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. i)ie Karbonate hin"icren, sowohl, in aktivierter als auch in inaktiver Form, unu ai ; Alkanol-ariin·; können für die .viederverwenduniT r er: en er i ort werden. Die Hydroxyde zeichnen sich aber dadurch aus, uu«>s sich mit ihnen eine sehr viel vollstänaifrere Entfernung des kohlendioxyds herbeiführen lässt. Aus wirtschaftlichen Ctvini'i^f;n feht wan deshalb im allgemeinen .so vor, uass .»an für die Entfernung d"s "rossten Teils dos Kohlenuioxyds leicht re'?eneri«;rbare Absorptionsmittel verwendet und Jie Ilydroxyde in einer zweiten Stufe einsetzt, um αie letzten Spuren herauszuholen. Da die Hydroxyde nicht leicht regeneriert werden können, werden sie verworfen, sobald der freio Hydroxyd'fehalt sich erschöpft hat.

Die karbonat-Alkanolamin- und Hydroxydlösungen haben einige gemeinsame Eisrenschaf ten in iiizuv darauf, dass ihrer Fähigkeit, Kohlendioxyd aus Gasraischunr ^n zu entfernen, Grenzen gesetzt sind. Die Absorotionsgeschwindiifkeit für Kohlendioxyd ist von dem Massenübersr_an£rskoeffizi3nten dos Flüssii;-keitsfilms und der Reakticnsaeschwindiffkeit ass absorbierten Kohlend!oxyds uic den in der Hauptmasse des Absorptionsmittels enthaltenen, umsetzbaren Bestandteilen abhängig. Die Diffusion des Kohlendioxyds durch die Aasse der Gasphase oder des Gasfilms hat eine zu vernachlässigende V^rer-

in d:-sr Vjrpari'f :nh iit »sind FüLlkörp ii*>fiulea iiit besseren Er/r.'ibnissen als mit Iiöd.-m ai's^ostatteten Säulen bei der

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Absorption von Kohleiidioxyd ans Gasmischun^en eingesetzt worden. Eine Analyse der erreichbaren Kontaktzeiten zwischen Gas und Absorptionsmittel in einer Füllkörpersäuie und c2^;ihöi* in herkömmlicher Ueise gestalteten Bodensäule mit normaler tberlauf (weir)höh» von 5 bis 7»5 cm zeirte, dass in einer Füllkörpersäule sehr viel länccere Kontaktzeiten vorhandan sind.

Hierfür gibt es zwei Gründe:

1. Füllkörpersäulen erfordern im allgemeinen n-rössere Durchmesser als Bodensäulen bei demselben Gas und gleichen Fliessgeschwindigkeiten der Flüssigkeit, und

2. das gesamte Volumen steht für den Kontakt zwischen Gas und Absorptionsmittel zur Varfücruncr, während in Bodensäulen nur das Volumen, was sich aus dem Produkt der aktiven Blasenfläche und der üchaumhöhe ergibt, nutzbringend ist. Das Volumen, das von den Abzügen eingenommen wird und das oberhalb des Schaums liegt, bleibt ohne Nutzen.

Andererseits sind bei grossen Abmessungen Bodensäulen weniger kostspielig als Füllkörpersäulen una zwar wegen des grossen Durchmessers der Füllkörpersäulen für eine bestimmte Kapazität und der Kosten des Füllmaterials. Grosse Bodensäulen haben auch noch insofern einen wesentlichen Vorteil gegenüber Füllkörpersäulen, weil bei ihnen eine unregelmässige Arbeitsweise, wie sie durch die Bildung

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von Flüssigkeitskanälen verursacht wird, und bei grossen Füllkörpersäulen immer wieder auftritt, ausgeschlossen ist.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, mit dem sich in Bodentürmen längere Kontaktzeiten erreichen lassen und das den Absorptionsprozess in den Teilen der Absorptionssäule beschleunigt, wo der Ilauptteil des Kohlendioxyds absorbiert wird.

Die Erfindung schlägt somit ein Verfahren zur Extraktion von einem oder mehreren Bestandteilen aus einer flüssigen Mischung vor, bei dem die Mischung nacheinander durch eine erste und zweite Zone im Gegenstrom zu einem aus der Extraktionsflüssigkeit bestehenden Strom geschickt wird, die den bzw. die Bestandteile durch Absorption aufnimmt, wobei die erste Zone durch eine Absorptionssäule gebildet wird, die siebartige Böden ohne Abzüge bzw. Abscheider enthält und sich auf einer höheren Temperatur befindet als die zweite Zone, die mit abscheiderartigen Böden mit hohen Überläufen ausgestattet ist. Dieses Verfahren ist besondere für die Extraktion von Kohlendioxyd aus Gasmischungen durch Absorption in einer regenerierbaren alkalischen Lösung geeignet. Vorzugsweise wird die flüssige Mischung am Boden

oder in dessen Nähe der ersten Zone eingeführt, und vom Kopf der ersten Zone am Boden oder in dessen Nähe der

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zweiten Zone zugeführt, wobei ein erste'r Strom der Extraktionsflüssigkeit am Kopf der ersten Zone oder in dessen Nähe eingeführt und ein gesonderter zweiter Strom an Extraktionsflüssigkeit am Kopf der zweiten Zone oder in dessen Nähe eingeführt wird. Die höhere Temperatur in der ersten Zone kann durch Einführung einer heissen flüssigen Mischung oder einer heissen Extraktionsflüssigkeit oder durch beide aufrecht erhalten werden. Es ist jedoch oft nicht zweckraässig, ein heisses Gas einzuführen, da das Gas im Verlaufe des Verfahrens vorher abgekühlt worden sein könnte, um Wasser oder einen anderen hochsiedenden Bestandteil zwecks dessen Wiedergewinnung zur Kondensation zu bringen oder um einfach dem Gas Feuchtigkeit zu entziehen, damit eine Anreicherung von Wasser in der Absorptionslösung durch Kondensation in der kälteren zweiten Stufe vermieden wird. Wenn es andererseits möglich ist angesammeltes Wasser in einem anderen Teil des Zyklus auf einfache Weise abzuziehen, z.B. im Regenerator, so kann es zweckinässig sein, dass das Gas nicht gekühlt wird und man auf diese Weise ganz bewusst die Lösung verdünnt, weil dadurch die Absorptionswirküng auf Grund der bekannten Regel erhöht wird, dass verdünnte Lösungen in der Absorption wirksamer sind als konzentrierte Lösungen.

Grundsätzlich wird eine maximale Kontaktzeit in der Bodensäule erreicht wenn die Fläche, in der eine Blasenbildung

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stattfindet, auf den höchsten Wert gebracht wird. Um diese Fläche zu erhöhen, ist es im allgemeinen erforderlich, die von den Abzügen bzw. Abscheidern eingenommene Bodenfläche zu verringern. Die Kontaktzeit lässt sich auch dadurch erhöhen, dass man auf den Böden den Spiegel des flüssigen Absorptionsmittels anhebt, was sich durch eine Vergrösserung der Höhe der tberlaufe erreichen lässt. Eine Erhöhung des iberlaufes gestattet auch eine Erhöhung des Abflusses am Boden des Abscheiders, wodurch dessen üurchflusskapazität gesteigert wird. Mit gesteigerter Durchflusskapazität ist es möglich, die Abscheiderfläche zu reduzieren und dadurch die Fläche, in der die Blasenbildung stattfindet, zu vergrössern. Bei dem vorliegenden Verfahren werden all diese Parameter so eingestellt, dass sich eine mit dem optimalsten Ergebnis arbeitende Anlage ergibt.

Die beiden Zonen können in dem oberen und unteren Teil einer einzigen Absorptionssäule angeordnet oder aber auch in voneinander getrennten Absorptionssäulen untergebracht sein. Darüberhinaus sind die Böden in der Zone, durch welche der Hauptanteil des zu absorbierenden Mediums mit dem Absorptionsmittel zusammengebracht wird -also in der ersten Zone- als Sieb oder Gitter ohne Abscheider ausgebildet und vorzugsweise zur Gänze mit Flüssigkeit überflutet, so dass das gesamte Volumen dieser Zone für den Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit zur Verfügung steht.

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Der Vorteil, der damit verbunden ist, dass der Kopf und der Boden der Absorptionssäule bei unterschiedlichen Temperaturen arbea tet, lässt sich unter Bezugnahme auf das bekannte Alkanolaminsystem darlegen, ßei der bekannten Anwendung einer wässrigen Lösung von Io bis 2ü Gew. ^ lUonoäthanolamin (MAA) zur Entfernung von Kohlendioxyd wird die Temperatur der maejren Lösun" durch folgende Faktoren bestimmt:

1. Der Gleichcewichts-Danipfdruck von CO oberhalb

der mageren Lösun^r und der geforderte Aufbereitung (reinifumgs) F rad.

2. Die Aufrecliterhaltun"· einer Teeiimeten Triebkraft am Kopf der Säule.

3. Der Verlust von MAA an das behandelte Gas auf Grund seiner beträchtlichen Flüchtigkeit.

Die Geschwindigkeit, mit der die Lösung zugeführt wird, bestimmt sich nach anderen Erwäpunrren, wie:

4. die Aufrechterhaltuns: von genügendem, ungebunden em MÄA am Boden der Säule, damit eine übermässiee Korrosion verhindert wird und zur Schaffung einer ausreichenden Triebkraft für den Übergang: von C0_ von dem angereicherten Gas zu der angereicherten Flüssigkeit.

vienn die Beschickun.«pstemperatur und das Volumen der Lösung beide vorgegeben sind, dann bestimmt sich die Temperatur

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der Lösung am Boden der Säule ebenfalls auf Grund eines (overaLl) Wärmeausgleichs, der die Reaktionswärme und die latente Wärme bei der Kondensation des Wassers ebenso in Rechnung stellt wie die Eigenwärme der maperen Lüsung am Einlass der Säule und des Gases am Einlass und Auslass. Bei einem typischen Beispiel wird ein MÄA Absorber mit einer MÄA Lösung bei einer Temperatur von etwa 43°C beschickt, wobei die korrespondierende Bodentemperatür etwa zwischen 65 und 68⁰C liefen kann. Bei der üblichen Aufgabe von 34 bis 3£ Standardlitern Co pro Liter angereicherter Lösunjcr lierrt deren Gleichsrewichtsdampfdruck bei etwa 0,14 kp-/cm² (absolut) bei 68°C Zum Vergleich: der Partialdruck von CO bei einem typischen angereicherten Gas liert etwa zwischen 2 und 5>6 kg/cm (absolut).

Indem man die Bodentemperatur auf einen Wert zwischen 68 und 121 C anhebt, nimmt der Partialdruck der anperexcherten Lösung auf 1 bis 2,8 kg/cm (absolut) zu. Auf diese Weise ereribt sich noch eine ausreichende Triebkraft. Die Reaktionsgeschwindigkeiten werden aber um den Faktor 4 bis 10 oder darüber beschleunigt, wodurch ein Netto-Reaktionspewinn in dem Teil der Säule erreicht wird, wo die Absorption in der Hauptsache stattfinden soll.

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Bei einer zweckmässigen Ausführung des erfindungsgeaiässen Verfahrens erreicht man die TemperaturUifferenz zwischen den Zonen dadurch, dass man nur einen Teil, etwa zwischen 10 unu 45£ der mageren Lösung kühlt und diese am Kopf der zweiten Zone zugibt. Der Rest der mageren Lösung wird vom Regenerator heiss abgezogen und de»i Kopf der ersten Zone zugeführt. Sind die beiden Zonen in derselben Absorptionssäule untergebracht, dann wird die gekühlte Lösung dem Kopf dar Säule zugeführt und die heisse Lösung an einer mittleren Stelle der Säule. Es ergeben sich so die folgenden Vorteile:

a. Eine Verringerung der vom Abscheider eingenommenen Fläche im Kopfteil der Säule und demzufolge eine Vargrösserung der aktiven Fläche auf dem Boden, wodurch dessen Wirksamkeit verbessert wird.

b. Eine Verringerung der Überlaufbeiastung im Kopfteil der Säule und demzufolge eine Vergrösserung der Schaumhöhe.

a. und b. wirken sich in einer Verbesserung der Absorption des C0_ aus.

c. Verringerung der Wärmeaustauschfläche für die Abkühlung der Lösung und für den Austausch magere/reiche Lösung.

d. Verringerung des (overall) Wärmebedarfs für das gesamte Verfahren.

e. Verbesserang der Kinetik für di ,, Jftvptceil der Absorption des CO₀ im unteren l'oil tier S^ui .

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Di.fi Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Dort zeilen:

Fin". 1 einen Aufriss im Schnitt von einoni Siebboden mit Abscheidern,

Fir. 2 eine Draufsicht nach der Linie 2-2 der Fig.1, Fif. 3 einen Aufriss im Schnitt von einem perforierten Boden ohne Abscheider,

Fig·. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 der Fig.3# Fir. 5 ein Fliessbild einer für die Durchführung des erfindunes^eraässen Verfahrens verwendeten Anlage, bei

der eine einzige Absorptionssäule verwendet wird und Fit. 6 ein Fliessdiagramm von einer solchen Anlage mit zwei Absorptionssäulen.

In Fig.l bedeutet A die Höhe des Lberlaufs und B den Abstand zwischen dem Abscheider und der Bodenoberseite. Nach einer typischen Ausführung eines herkömmlichen Bodens beträgt A 2,5 bis 5 cm und B liegt im allgemeinen etwa 0,6 bis 1,25 cm darunter, so dass eine Absperrung geschaffen wird. Bei einem konventionellen Boden beträgt die offene Fläche, die sich aus der Summe der Löcher ergibt, im allgemeinen 5 bis 15% der Blaaenbildungsfläche, also der Fläche,die durch den Überlauf, den Abscheider des darüberliegenden Bodens und den Gefässwandüngen zwischen diesen Strängen begrenzt wird.

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* g_AD ORiQiNAU

Der Durchmesser dor Löcher liegt im allgemeinen zwischen 1,25 und 2,5 cm. Bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung wird die Abmessung für A auf lü cm oder darüber, vorzugsweise auf 15 bis 20 cm erhöht und für B eine Ab-

darunter messung von wexxfxx «at* 0,6 cm/gewählt. Die Gesamtfläche der Löcher liegt vorzugsweise zwischen 7 und 11/5 der Blasenbildungsfläche. Der Lochdurchmesser wird reduziert auf einen Wert zwischen U,6 und 1,25 cm. Die genaue Beziehung' zwischen der Lochfläche und der überlaufhöhe bestimmt sich nach hydraulischen Regeln, die dem Fachmann bekannt sind.

Bei Ausführung der Erfindung mit einem einzigen Turm für die Unterbringung der beiden Zonen werden Böden der in den Fig. 1 und 2 wiedergegebenen Ausbildung und mit den grösseren Werten der oben für A und B angegebenen Abmessungen in dem oberen Teil des Absorptionsturms verwendet.

Die Fig. 3 und 4 zeigen einen perforierten Boden ohne Abscheider. Bei Anlagen mit derartigen Böden fliesst die Flüssigkeit durch die Löcher nach unten ab und das Gas steigt durch diese hindurch. Böden, wie sie in den Fig. 3 und 4 wiedergegeben sind, unterscheiden sich von der Bodenausführung nach den Fig. 1 und 2 grundsätzlich darin, dass erstere eine sehr viel grössere Üffnungsfläche aufweisen. Im allgemeinen beträgt die Öffnungsfläche, die in dem

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Prozentsatz angegeben wird, welchen die Locher von dem siesamten ^uersclmitt des Turmes bzw. der Säule beanspruchen, . 20 bis 30%, Die Durchmesser der Löcher liegen im allgemeinen zwischen 1,25 und 2,5 cm.

Wird das erfindunpsiTemässe Verfahren in einem einzigen Absorptionsturm ausgeführt, dann werden die Böden der in den Fi^. 3 und 4 gezeigten Ausführung im Bodenteil des Turms verwendet. Diese Böden sind dann vorzugsweise überflutet, d.h. die zusammenhängende Phase in diesem Teil des Turms stellt eine Flüssigkeit dar, während in oberen Teil, in dem Böden mit einer Ausführung gemäss den Fig.l und 2 vorgesehen sind, die zusammenhängende Phase oberhalb des Schaumspiegels ein Gas ist. Ebenso liegt die Uffnungsfläche der Siebböden ohne Abscheider, wie sie bei der Erfindung verwendet werden, vorzugsweise im oberen Teil des konventionellen Bereichs oder sogar darüber z.B. zwischen 25 und 35% der Bodenfläche.Wie ersichtlich besteht der Hauptzweck der perforierten Buden darin, den Flüssigkeitsstrom zu drosseln bzw. zu stauen und eine Agglomeration des Gases zu grossen Blasen zu verhindern* Durch di· Böden wird damit eine Mehrzahl von Stufen für den Kontakt zwischen dem Gas und der Flüssigkeit geschaffen und sie verhindern einen zu starken Flüssigkeitsfluss vom Boden des Turms zum Kopf des überfluteten Abschnitte.

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Bei dem Fliessbild nach Fig.5 wird das Gas über die Leitung 1 dem Aufwärmer 2 dos Regenerators zugeführt, wo es seine Wärme durch indirekten Austausch mit der regenerierten Extraktionslösung abgibt. (Bei Alkanolaminsystemen ist es wichtig, dass sich das Gas auf einer Temperatur befindet, die nicht wesentlich oberhalb 15Ü C liegt; damit ein Abbau des Amins vermieden wird. Bei solchen Systemen kann es erforderlich sein, einen zweiten Wärmer zu verwenden, der mit gespanntem Dampf von 2,8 kg/cm aufgeheizt wird, um die für die Regenerierung benötigte Wärme zu erhalten. ) .

ü_as teilweise gekühlte Gas verlässt den Aufwärmer 2 durch die Leitung 4 bei einer Temperatur zwischen 12Ü C und 144°C, was davon abhängt, welche Wärme das System erfordert und welche Temperatur am Einlass des Aufwärmers vorhanden sein muss. Das Gas strömt zu dem Abscheider St ^wo wässriges Kondensat abgetrennt und über die Leitung 20 abgeführt wird. Das Gas gelangt dann durch die Leitung 19 und das Ventil und es kann in dem Vorerhitzer 27 für die Lösung abgekühlt und dann ohne weitere Kühlung über die Leitungen 23 und dem Boden des Absorbers 30 zugeführt werden. Man kann aber auch so vorgehen, dass der Gasstrom vermittels des Ventils 36 aufgeteilt wird, wobei ein Teil in üexa Kühler 28 abgekühlt wird und der Rest ungekühlt durch die Leitung 23 abströmt. Der abgekühlte Teil wird über die Leitung 2j dem Abscheider 26 zugeführt, u« das abgekühlte Gas vom

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Kondensat abzutrennen. t)ie wässrige Phase wird über die Leitung 22 abfi:ezo£?en. Vermittels der Einstellung des Ventils 3o lasst sich .lie Temperatur regeln, mit welcher uas Gas in den Absorber 30 eintritt.

i)er· Absorber 30, der insgesamt 20 bis 5*J Böden oder noch mehr enthalten kann, wovon 10 bis 20 der im riodenabschnitt 3Ua untergebrachten Böden die in den Fip·. 3 und 4 wiedergesehene Ausbildung haben und 10 bis 30 oder noch mehr der im oberen Abschnitt 3OB untergebrachten Boden üie in den Fic.l und 2 wiedergesehene Ausbildung aufweisen können, ist mindestens ;nit zwei ßinlassdüsen für die Lösung versehen, wobei der erste mit I?.. bezeichnete Einlass zwischen dem obersten Siebboden ohne Abscheider und ύ an untersten Boden mit Abscheider angeordnet ist. Diesem Boden wird heisse Extraktionslösuner bei einer Temperatur zwischen 94 und 115°C, vorzugsweise zwischen 99 und 1Ü4°C zugeführt. Es kann sich hierbei um vollständig regenerierte Lösung handeln, die vom Boden des Regenerators 3 über die Leitung 13 und 39 sowie das Ventil 44 abgezogen wurde, obgleich vorzugsweise nur teilweise regenerierte Lösung verwendet wird, die von einem der unteren Böden des Regenerators über die Leitung 15 und das Ventil 43 abgezogen und hiernach in der Pumpe 16 auf den notwendigen Druck gebracht wurde» ca dann über die Leitung 17 und Uas Ventil 46 zum Absorber befördert zu werden. Die Lq min gameng®, die heiss zugeführt wird, liegt nora al erweise z*.iechen 55 und

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der Gesamtmenge der iⁿ Uralauf befindlichen Lösung.

te

Die Restmemre der Extraktionslüsun?: wird vom Boden des K-efenerators 3 über die Leitungren 13 und 38 zur Pumpe 14 hin abgezogen und danach über das Ventil 21, die Leitung 24» den Kühler 31 und schliesslich über die Leitung 32 zu dem zweiten Einlass 32A des Absorbers. Diese Restmenge kann entweder oberhalb des obersten Bodens in den Absorber eintreten, oder, wie es in Fip.5 gezeigt ist, an einer ein oder zwei Böden darunzerIier;enden Stelle und über die Leitung 32B kann dann auf den obersten Boden Wasser aufgegeben werden. Man verfährt auf diese Weise oft aus Vor sich tsirründen, um ein Mitreissen von Tropfen der Absorptionslösung durch den gereinigten Gasstrom zu vermeiden. Wird ein Gas mit hohem Reinheitsgrad verlangt, so kann es erforderlich sein,ein entlüftetes oder zerlegtes Dampfkondensat zu verwenden, wobei der Strom nur noch Spuren von CO oder Bokarbonat enthält. Die Böden für das Waschen des Wassers können von der im oberen Teil der Säule verwendeten Ausführung sein oder die üblichen Hberlaufhöhen zwischen 2,5 und 5 cm aufweisen.

Der heisse oder gekühlte, noch unreine Gasstrom, der Über die Leitung 29 kommt, tritt in der Nähe des Bodens des Turms 30 ein, vorzugsweise durch einen Einsprüher 37»

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damit ein kontinuierlicher Strom von Gasblasen gebildet wird. Das Gas perkoliert nach oben durch die die überflutete Zone enthaltenden Böden ohne Abfluss bzw. Abscheider. Hier wird das Gas mit der heissen Lösung in Berührung gebracht. An jedem Boden wird die Geschwindigkeit des Gases zufolge der Beschränkung der verringerten Lochfläche vergrössert, was eine Turbulenz hervorruft und gleichzeitig zu einem Aufbrechen des Gasstromes in kleine Blasen führt. Nach Verlassen der überfluteten Zone tritt das Gas in den Abschnitt ein, in welchem die Böden mit den Abscheidern und der vergrösserten Überlaufhöhe angeordnet sind. In dieser Stufe wird im allgemeinen 7O-8ÜJ2 des CU aus dem Gas entfernt, das bei dem Partialdruck der Absorptionslösung mit V/asser gesättigt wird.

Wenn das Gas in diesen kühleren Teil des Turms eintritt kühlt es sich ebenfalls ab und gibt sowohl Wasser ale auch Hitze an die Lösung ab. Während demnach der Bodenteil dee Turms einen verhältnismassig kleinen Temperaturgradienten zufolge der Reaktionswärme dee CO„mit dem Abaorptionamittel haben kann, ist der thermische Gradient im oberen Teil im allgemeinen etwas grosser und zwar grundsätzlich deawegen, weil Wärme vom Gas auf die Lösung übergeht sowohl als Eigenwärme als auch als latente Kondensationswärme zuzüglich

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eines kleinen Anteils aus der Reaktion des restlichen Cu₀. Das Gas verlässt den Turm bei dem obersten Boden über die Leitung 34 «nit einer Temperatur, die im wesentlichen der gekühlten Lösunr entspricht.

Die angereicherte Lüsunsr fliesst unter Druck vom Boden des Absorbers über die Leitung 35 ab und dann zu dem Vorerhitzer 27 für die Lösung und über die Leitung 18 und das Ventil 40 zum Regenerator 3. Die Temperatur der angereicherten Lösung am Auslass des Vorerhitzers wird durch Einstellung des auf der Heissiras-Seite des Vorerhitzers 27 angeordneten Dreiwegeventils 46 geregelt.

Die Böden im Regenerator 3 entsprechen vorzugsweise sämtlich der mit Abscheider versehenen Ausführung mit erhöhtem Überlauf. Man sollte an sich erwarten, dass, wie bei dem Absorber, die Verwendung von Siebboden ohne Abscheider im unteren Teil, verbunden mit einer tberflutung, die Regenerierung durch Herbeiführung von maximalen Kontaktzeiten verbessern würde. Bei höheren Temperaturen des Generators verläuft jedoch die Desorption normalerweise genügend schnell und die geringere Kontakt*eit bei den mit Abscheider versehenen Böden ist für eine zufriedenstellende Regenerierung ausreichend. Der Vorteil der Böden mit Abscheider besteht darin, dass sie einen geringeren Druckabfall erfordern und somit geringere Temperaturen in: Aufwärmer gestatten. Die geringeren Temperaturen haben

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wirksamere Uärmefewinnimir aus den Gas zur Fol^ire. Dies stallt den Hauptgrund für die bevorzugte Verwendung von Böden mit Abscheider dar. Um den Druckabfall zu verririTern, könnon im Regenerator so'iar die herkömmlichen Böden mit Abscheider und mit normaler überlaufhöhe verwendet werden.

Die angereicherte Lösunt wird vorzugsweise dem Regenerator am zweiten oder dritten Boden von oben zugeführt. Die oben liegenden Böden werden aus der Leitung 12 mit Kondensatwasser versehen. Das Rücklaufwasser wird dazu benutzt, um möfTlicherweise mitgerissenes Absorptionsmittel, oder, falls Alkanolamin als Absorptionsmittel verwendet wird, verflüchtigtes Alkanolamin auszuwaschen.

Beim Abfliessen der angereicherten Lösung durch die Regenerator· boden wird die Lösung fortschreitend von Absorbat befreit, indem man im Geirenstrom mit der Absorptionslösung Dampf aufsteigen lässt. Der Dampf wird durch Kochen des Lösungsanteils erhalten, der über die Leitung 41 abgezweigt und durch den Aufwärmer 2 geschickt wird, der durch das heisse Gas, das von der Leitung 1 in die Aufwärmerrohre eintritt, mit Wärme versorgt wird« Der Dampf und die heisse Lösung werden über die Leitung 42 dem Boden dee Regenerators zugeführt, wo der Dampf und die vollständig regenerierte Lösung in eine Dampfphase und in eine Löaungenittelphaae getrennt werden. Der Dampf steigt durch die Boden auf und

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verlässt den Regenerator über die Leitung 6 zum Kondensator 7 hin und strömt dann durch die Leitung 8 zum Rückflussepeicher 9. Das wässrige Kondensat wird von dem absorbierten Gas getrennt, das das System über die Leitung verlässt. Das Kondensat fliesst über die Leitung IU zur Pumpe 11, die das Wasser über die Leitung 12 zu den Waschböden des Regenerators fördert. Der Druck in dem Rückflußspeicher entspricht annähernd Atmosphärendruck; die Temperatur liegt etwa zwischen 38 und 65 C. Die regenerierte Lösung: wird in der oben beschriebenen Weise zum Absorber zurückgeführt, wodurch sich der Kreislauf schliesst.

Fig. 6 veranschaulicht eine Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens, bei dem zwei Absorptionstünae verwendet werden. Diese Anlage bietet beträchtliche Variationemöelichkeiten für den Lösungsfluss zu und von dem Absorber der zweiten Stufe. Viele der Einrichtungsteile sind in beiden Figuren 5 und 6 dieselben und deshalb mit denselben Bezugszeichen versehen.

Wie bei dem in Fig.5 dargestellten Verfahrensablauf tritt das heisse, wassergesättigte Gas, das gereinigt werden soll, über die Leitung 1 ein und strömt unter einen tiberdruck von 7 bis 30 kg/cm und einer Temperatur zwischen 150 und 177° C zu den Rohren des Aufwärmers 2. Nach dem Wärmeaustausch mit der Lösung in dem Aufwärmer wird das Gas durch die Leitung 4 dem Abscheider 5 zugeführt, wo das Gas und das wässrige Kondensat voneinander getrennt werden.

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Das Kondensat wird unter Regelung des Flüssigkeitsspiegels in die Kondensatleitung 20 abgezogen. Üas abgetrennte Gas strömt über die Leitung 19 und das Dreiwegeventil 36 zu dem Kühler 28 und danach durch die Leitung 2 5 zu dem Abscheider 26, wo das Kondensat wiederum abgeschieden und in die Leitung 22 unter Regelung des Flüssigkeitsspiegels ausgetragen wird. Kin Teil des heissen Gases wird über die Leitun"· 23 an dem Kühler 28 vorbeigeleitet und dann mit dem abgekühlten, von dem Abscheider 26 kommenden Gasstrom vereinigt. Die zwei Ströme vermischen sich in der Leitung 29· Die Temperatur des Gases nach der Mischung in der Leitung 29 wird durch Einstellung des Dreiwegeventils 36 geregelt. Das Gas strömt dann zum Boden des zu der ersten Stufe gehörenden Absorbers 50, in dem es im Gegenstrom zu dem nach unten fliessenden Strom der Extraktionslösung aufsteigt.

Der Absorber 50 enthält Siebböden ohne Abscheider und arbeitet normalerweise in überflutetem Zustand. Wie bei der Ausführungsform nach Fig.5 wird der Hauptanteil des Absorbats in dem überfluteten Teil entfernt. Teilweise gereinigtes Gas, das etwa 15 bis 30$ seines ursprünglichen Absorbatgehaltes enthält, verlässt den zu der ersten Stufe gehörenden Absorber über die Leitung 54» welche das Gas zu der Sprüheinrichtung 55 am Boden des zu der zweiten Stufe gehörenden Absorbers 56 befördert. Dieser Absorber

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ist rait Böden ausgestattet, die Abscheider bzw. Abläufe aufweisen und mit einem hohen überlauf versehen sind. Die Böden können mit einer Flüssigkeit von Lber lauf höhe arbeiten oder überflutet sein. Das Gas steigt im Gegenstrora zu der nach unten fliessenden Lösung auf. Gereinigtes Gas verlässt den Kopf des Absorbers 5ö über die Leitung

In der ersten Stufe fliesst vom Boden des Absorbers 5*-» mit Absorbat angereicherte Lösung unter Druck durch die Leitung 18a zum Ventil 40 ab, wo der Druck bis im wesentlichen auf Atmosphärendruck abgebaut wird, wonach die Lösung über die Leitung 18 in den Regenerator 3 eintritt. Sie wird auf den dritten Boden von oben gegeben, wo ein Teil des Absorbats sofort ausgetrieben wird. Die Lösung fliesst durch die Böden nach unten, wo sie mit durch den von den unteren Böden kommenden Dampf zerlegt wird. Das Absorbat wird im Gegenstrom mit Rückflusswasser ausgewaschen und verlässt den Kopf des Regenerators durch die Leitung 6, den Kühler 7, die Leitung 8, den Sammler 9 für denJRückfluss und verlässt schliesslich das System über die Leitung 33. Das kondensierte Wasser verlässt den Sammler 9 Über die Leitung 10 und wird vermittels der Pumpe 11 Über die Leitung 12 zu dem obersten Boden des Regenerators 3 gepumpt.

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«a

Die angereicherte Lösung fliesst durch die kegenerationssäule 3 nach unten, wobei sie zunehmend von dem Absorbat befreit wird. Etwa bei dem dritten Boden von unten wird der Hauptteil (z.B. zwischen 5<-> und 75% des gesamten Lösungsstroms) durch eine Abzweigung 15 abgezogen. Er strömt über das Ventil 43 zu der Sauf*seite der Pumpe 16, von wo aus er durch das Ventil 46 und die Leitung 17 zu dem obersten Boden des zu der ersten Stufe gehörenden Absorbers 5^ gepumpt wird, ohne vorher abgekühlt zu werden.

Der Rest der Losung fliesst in der Regeneratorsäule 3 weiter nach unten zu dem untersten Bodeix und von hier über die Leitung 42A zu dem als Thermosiphon ausgebildeten Aufwärmer 2. Dampf and heisse Lösung verlassen den Aufwärmer über die Leitung 42B, die den aus der /lischphase bestehenden Strom dem Bodenteil des Regenerators 3 zuleitet. Hier wird der Dampf von der Lösung abgetrennt und er steigt durch die Böden im Gegenstrom zu der Lösung nach oben, wodurch diese vom Absorbat befreit wird. Die Lösung verlässt den Boden des Regenerators über die Leitungen 13 und 38. Sie gelangt auf diese Weise zu der Saugeeite der Pumpe 14· Die vollständig gereinigte Lösung wird über das Ventil 21 in die Leitung 24 auegetragen, Über die sie zu dem Austauscher und dann au dem Kühler 31 und echlieselich Über die Leitung zu dem zu der zweiten Stufe gehörenden Absorber 56 gelangt.

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Es sei noch bemerkt, dass diese Lösung nasserst rein ist und deshalb mit ihr ein sehr hoher Reinigunpseffekt auf das Gas ausgeübt werden kann, nachdem sie einen nur sehr geringen Rest-Fartialdruck an Absorbat aufweist.

Die magere Lösung wird etwa am dritten Boden von unten in den zur zweiten Stufe gehörenden Absorber 5ö eingetragen. Die beiden obersten Buden werden aus der Leitung 5ö mit gut gereinigtem Dampfkonuensat beschickt. Jiese Böden dienen dazu, ein Mitreissen von Tropfen der mageren Lösung zu verhindern, die andernfalls mit dem gereinigten Gasstrom ausgetragen werden könnten.

Die magere Lösung fliesst dann unter dew Einfluss der Schwerkraft über die zum Absorber 56 gehörenden Böden und zwar im Gegenstrora zu dem aufsteigenden Gas. Sie verlässt den Turm über die Leitung 62 als teilweise angereicherte Lösung.

Im allgemeinen kann diese ziüa Teil angereicherte Lösung noch als Absorptionsmittel in dem zur ersten Stufe gehörenden Absorber 50 verwendet werden. Falls es erwünscht ist, diese Lösung zur Vergrösserung des Lösungsvolumens in der ersten Stufe zu verwenden, wird die Lösung über die Leitung 62 zu der Saugseite der Pumpe 64 abgeführt, welche sie durch die Leitung 66 zu der Mantelseite des Wärmeaustauschers 27 befördert, wo sie im indirekten Kontakt mit heisser, vom

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Si

Boden des Regenerators 3 kommender Lösung erwärmt wird. Sie gelangt dann durch das Ventil 67 (das Ventil 68 bleibt geschlossen) zu den Leitungen 69 und 17 und hiernach zu dem Absorber für die erste Stufe.

Y/ahlweise kann sie über das Ventil 71 an dem Austauscher 27 vorbeigeführt werden, entweder zur Gänze oder nur teilweise. Durch dieses Vorbeiführen an dem Austauscher 27 wird die Absorptionsteuperatur in dom zur ersten Stufe¹ gehörenden Absorber 5<J allmählich abgesenkt.

Falls es unerwünscht ist, die teilweise angereicherte Lösung aus dem zur zweiten Stufe gehörenden Absorber 56 in dem Absorber 5t.' für die erste Stufe zu verwenden, gibt es noch einen dritten Fliessweg. In diesem Falle wird die Pumpe 64 abgesperrt und teilweise angereicherte Lösung fIiesst durch die Leitung 62, das Ventil 62A, die Leitung 66, den Austauscher 27 und das Ventil 68 (die Ventile 67 und 71 bleiben reschlossen) zum Regenerator 3- Die Eintrittsstelle liegt etwa zwei Böden oberhalb des Bodens, von dem der seitliche Abzug weggeht, da in diesem Falle die Lösung etwas zu stark angereichert sein würde, um sie in der ersten Absorptionsstufe zu verwenden.

Das in Fig.6 wiedergegebene Fliessbild eignet sich insbesondere für den Fall, dass von zwei Quellen herkommendes, angereichertes Gas behandelt werden soll, wobei eine besonders reich an CO₀ und die andere verhälfcnismässig arm ist. In einem

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solchen Falle können die Gase gleichzeitig behandelt werden, indem das reiche Gas in heissem Zustand dem ersten Absorber 5ü und das abgekühlte, verarmte Gas dem zur zweiten Stufe gehörenden Absorber 56 zusammen mit dem bereits teilweise behandelten Gas, das aus der Leitung 54 durch eine -in
Fi£> 4 nicht gezeigte- Düse in der Nähe des Einlasses zur Säule 56 strömt, zugeführt wird. Ein typisches Beispiel
für die Anwendung eines Verfahrens gemäss dem Fliessbild
nach Fig. 5 ist die Behandlung von Konvertgas in einer
Wasserstoffanlage oder im Synthesegasgenerator einer
Ammoniakanlage. Dieses Gas kann als Nebenprodukt von Koks-Öfen, durch Dampfumformung von Naturgas, LPG oder Naphta
oder durch teilweise Oxydation von Kohle, Koks oder irgend eines kohlenwasserstoffhaltigen Materials erhalten werden. Es ist normalerweise bei einer Temperatur von etwa 150 bis 177 C erhältlich; es wird mit Wasser gesättigt und hat
einen Kohlendioxydgehalt zwischen 5 «nd 35$, der Rest
besteht zur Hauptsache aus Wasserstoff mit geringeren Mengen an Stickstoff, Kohlenmonoxyd, Argon und Methan. In Anlagen zur Wasserstofferzeugung kann der Stickstoff vollständig
fehlen, was von der Zusammensetzung des Ausgangsproduktes oder von der Reinheit des für die teilweise Verbrennung
verwendeten Sauerstoffs abhängt. Bei dem ausgewählten Beispiel wird das Gas mit Wasser bei einer Temperatur zwischen 150 und 177°C und einem Überdruck von 7 bis 30 kg/cm

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<resätti<rt. Höhere Drücke sind zwar von Vorteil obgleich sie .in allgemeinen jrepenwartiir aus wirtschaftlichen Gründen nicht zur Yerfü<mn^ stehen.

Für das erfindunrsremässe Verfahren ist es wesentlich, dass die Temperatur in der ersten Zona höher als in der zweiten Zone ist. Die tatsächlich verwendeten Temperaturen hänrren zu einem gewissen Grad von dem verwendeten Absorptionsmittel ab. In der nachstehenden Tabelle I sind die bevorzugten Temperaturbereiche für die oberen und unteren Abschnitte für mehrere Absorptionsmittel angegeben.

Tabelle I Absorptionstemperatür ( C)

Absorptionslösung Bodenzone obere Zone

Alkanolamine SS- 110 38-54

Karbonate 88 - 121 82-93

Karbonate und Arsenite SB - 121 49-76

Das Absorptionsmittel ist im allgemeinen in Wasser gelöst, obgleich auch die Verwendung anderer Lösungsmittel wie z.B. Sulfolan oder die wasserlöslichen Alkohole verwendet werden können. Nachstehend sind die bevorzugten Kcnzentrationsbereiche angegeben;

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Konz eiitr ation

te

Alkanolamine 5 bis 20 Gew./ΰ

Karbonate 15 bis 25 Gew.^> Karbonate - Arsenite

Karbonate als KO 200 ί/Liter

Arsenite als As„0 140 f/Liter

Die Karbonat-Arsenit Lösunrr ist allgemein als Vetrocoke Lösung bekannt und in dem US-Patent 3,037*^44 beschrieben. Es sind dem Fachmann auch andere geeignete aktivierte Karbonatlösungen bekannt, wie unter der Bezeichnung "Catacarb", oder auch Lösungen mit anderen Aktivatoren. Diese erfordern im allgemeinen Bedingungen, die zwischen nicht-aktiviertem Karbonat und Vetrocoke lieren.

Die nachfolgende Gegenüberstellung des erfinuungsgemässen Verfahrens und des Standes der Technik verdeutlicht die Vorteile der Erfindung. Die Beispiele 1, 2, 3 und A wurden sämtlich mit demselben handelsüblichen Turiugehäuse ausgeführt. Die beiden ersten Beispiele sind typisch für die arbeitsweise mit einem herkömmlichen Turm,der ohne Überflutung des unteren Teils arbeitet. Wenn der untere Teil überflutet worden ist, dann sind die Co₀ Gehalte des gereinigten Gases etwa halb so gross als bei Anwendung der bekannten Arbeitsweise.

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Die beiden letzten Beispiele veranschaulichen das erfindungsgemässe Verfahren, das mit Spaltung des Lösungsflusses, einer erhöhten lberlaufhöhe und einem grossen thermischen Gradienten in der Säule arbeitet.

GefenüberstellunT der Arbeitsweise und Ausführung der Absorber

Ausführung des furms Stand der Technik JSrfindung Beispiel Nr. 12 3 4

Durchmesser des

Turms in m 3,2 3,2 3,2 3,2

Anzahl der Böden 25 25 25 25 Lberlaufhöhe in cm 5 5 5 5

Rohgas

Durchsatz in liillionen

raVTag 1,7 1,46 1,43 2,2

% CO₂, (Vol.;,) 19,3 18,9 19,0 19,1

- arsenaktiviertes heisses Karbonat

Lösung

Durchsatz, l/min. 10,950 10,9&0 11,740 11,740

Temperatur, C.

am Kopf des Absorbers

am Boden des Absorbers

verarmte Lösung, r- HCO,, gereinigtes Gas, ^c/ CO^

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65	4	69	5	60	40	64
74	74,		82	82
2	1	3	4	8,5
1,	It		o,54

Claims

Paten tansprüche

1. Verfahren zur Extraktion eines oder mehrerer Bestandteile aus einer flüssigen Mischunfr, indem die Mischung im Ger enstrom mit einem Strom einer iSxtraktionsflüssifikeio zusammengebracht wird, welche den bzw. die Bestandteile absorbierb, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung durch zwei aufeinanderfolgende Zonen befördert wird, wobei die erste Zone durch einen turmförmigen Absorber gebildet wird, der Siebboden ohne Ablauf enthält und die eine höhere Temperabur aufweist als die zweite Zone, die Böden mit Ablauf und hohem überlauf enthält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Mischung am Boden der ersten Zone oder in der Nähe dieses Bodens zugeführt, von dem Kopf der ersten Zone dem Boden der zweiten Zone oder einer in der Nähe dieses Bodens gelegenen Stelle zugeleitet, ein erster Strom an Extraktionsflüssigkeit am Kopf der ersten Zone oder in dessen Nähe und ein hiervon gesonderter zweiter Strom an Extraktionsflüssigkeit am. Kopf der zweiten Zone oder in dessen Nähe zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den ersten Strom der Extraktionsflüssigkeit eine teilweise regenerierte Lösung und für den zweiten Strom eine vollständig regenerierte Lösung verwendet wird.

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4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3* Uaaurch r'

dass der erste Strom der öxti'aktionsflüssi:rkeit oine höhere remperatur aufweist als der zweite otrc-ia.

5. Verfahren nach Anspruch 4> dadurch gekennzeichnet, dass Io bis 45-^ das Gesamtvolumens der Extraktionsflüssi'-Vkeit für den zweiten, frekühlten Ütrom und der Lest für den ersten, heisseren Stx^oia verwenaet werden.

0. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch «rekeimzeiclmec, dass aie üxtraktionsflüssigkeit, weiche die zweite Zono verlasst, der ersten Zone zugeführt wird.

7. Verfahren nach eineni oder inehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch takennzeichnet, dass die erste und zweite Zone in dem unteren und oberen Teil eines einzigen Absorptionsturmes untergebracht sind.

b. Verfahren nach einei.i oder aiehreren der vcrheri£ehenüen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Siebboden ohne Ablauf der ersten Zone in überflutetem Zustand gehalten werden.

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