DE2856571B2 - Kontinuierliches Verfahren zur Entfernung aus einer Beschickungsgasmischung - Google Patents
Kontinuierliches Verfahren zur Entfernung aus einer BeschickungsgasmischungInfo
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Description
Die Entfernung saurer Gase, insbesondere CO2
und/oder H2S, durch Gegenstromabsorption mit Alkanolaminen
ist in der Industrie seit menr als 40 Jahren bekannt. Etwa 1969 wurde ein Korrosipnsinhibierungssystem
gefunden und später als US-PS 38 08 140 patentiert, das viele übliche Beschränkungen bei
Konstruktion und Betrieb der MEA( = Monoäthanolamin)-CO2 Entfernung eliminierte. Seit dieser Zeit
wurde ständig an der Verbesserung und Optimierung des MEA-CO2 Korrosionsinhibierungssystems bezüglich
geringerer Kapitalinvestitionen, d. h. Verminderung der Anzahl von Teilen und der Größe der notwendigen
Vorrichtung, und bezüglich geringerer Energieerfordernisse zur Durchführung des Verfahrens weitergearbeitet
Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines verbesserten Verfahrens zur Entfernung von COj
und/oder H2S, bei dem die Notwendigkeit zum Erhitzen rnd Kühien aus äußerlichen Quellen auf einem
Minimum gehalten wird. Ein weiteres Ziel ist die Schaffung eines verbesserten, korrosionsinhibierten
Verfahrens zur Entfernung von CO; und/oder HiS.
(Hinfort wird unter »saures Gas« CO2, gegebenenfalls in
Mischung mit H2S, verstanden.)
Bei den beiliegenden Zeichnungen bedeutet
F ■ g. 1 ein schematisches Fließdiagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und ϊ
Fig.2 ist eine Kurve der prozentualen CO2-Entfernung
gegen Temperatur und Beladung. M/M bedeutet dabei Mol/Mol.
Erfindungsgemäß wird die säurereiche Aminwaschlösung nahe der Mitte zum Boden der Absorpiionsko'onne
zwecks Verringerung des temperaturkontrollierten Teildruckes des absorbierten, sauren Gases abgekühlt,
wodurch eine höhere Beladung als sonst möglich wird. In Kombination mit dom Abkühlen der reichen Lösung
wird eine Blitzdestillation der reichen Lösung vorgesehen,
durch die eine bisher nicht erreichbare, niedrige Kocherenergie möglich wird.
Die zum Desorbieren von CO2 aus dem beladenen Lösungsmittel notwendige Energie wird in der Strippkolonne
einer CXVEntfernungsanlage vor.. Amin-Typ geliefert Bei üblichen, nichtinhibierten CO2-MEA-Emfernungssystemen
betrug der zur Schaffung dieser Energie notwendige Wasserdampf gewöhnlich 209 000 KJ/Kg Mol CO2- Korrosionsinhibierte Systeme
gemäß der US-PS 38 08 140 haben diese Anforderungen wesentlich verringert Die vorliegende Erfindung
vermindert nun die Notwendigkeit zum Erhitzen und Kühlen aus äußerlichen Quellen noch weiter. Je l wringer
bekanntlich die CO2-Beladung in der Strippkolonne ist,
um so geringer ist die notwendige Wärme, die zugeführt m werden muß, und um so geringer ist der erforderliche
Durchmesser der Strippkolonne. Hierin liegt die Grundlage der Verwendung eines erfindungsgemäßen
Blitztankes zur CO2-Entfernung vor dem tatsächlichen Strippen. Je mehr CO2 außerhalb des Strippers entfernt
wird, indem man sich der hohen Beladung der den entsprechend konstruierten Kontaktor verlassenden
Aminlösung bedient (Abkühlung der MEA-Lösung) und die CO2-Entfernung durch Blitzverdampfung nahe
atmosphärischem Druck erfolgt, um so geringer ist die w
erforderliche Regenerationswärme. Dann ist ein Teil des Strippens, was sie erforderliche Energie betrifft,
»gratis«. Bei der Konstruktion kann der Blitztank irgendwo in der reichen Lösungsmittelleitung zwischen
dem Kontaktor und dem Stripper angeordnet werden, r> wobei jedoch wenig Vorteile durch eine unzureichende
Anordnung und Konstruktion desselben erreicht werden. Dabei spielt die Thermodynamik des Systems eine
große Rolle. Da CO2 und H2O aus einem Hochdruckstrom
blitzverdampft werden, wird die für die Verdampfung notwendige Wärme aus der flüssigen
Phase als thermische Energie verbraucht. Ist der Blitztank daher unmittelbar anschließend an den
Strippereinlaß angeordnet, dann wird die fühlbare Wärmeanforderung der Kolonne aufgrund der vermindenen
Einlaßtemperatur erhöht; und ein durch verminderte CO2-Beladung erzielter Vorteil wird durch den
negativen Effekt bei der fühlbaren Wärme vermindert. Dann ist es notwendig, das Bodenmaterial des
Blitztankes (durch Wärmeaustauscher) vor dem Strippen erneut zu erhitzen. Die Möglichkeit, die Anordnung
unmittelbar stromabwärts der Abzugsleitung des reichen Lösungsmittels aus dem Kontaktor vor dem
mageren/reichen Austausch anzubringen, weil hier ein angemessenes Erhitzen nach dem Blitzverdampfen
erzielt werden kann, ist aus verschiedenen Gründen ebenfalls unbefriedigend. Je höher die Einlaßtemperatur
zum Blitztank, um v> besser ist die erzielte Bliizver
dampfungswirksamkeil bezüglich 6er CO2-Entfernung
(vgl. F i g. 2). Die Blitzverdampfungswirksamkeit wird als Prozentsatz der gesamten CO2-Entfernung, bezogen
auf die in der reichen Lösung enthaltene CO2-Menge,
definiert Daher spielt die Beladung eine wichtige Rolle. Bei 82CC werden z. B. weniger als 4% des CO2 durch
Blitzverdampfung aus einer 0,50 m/m Beladung entfernt während aus 0,58 m/m fast 13% entfernt werden
können.
Erfindungsgemäß wird nun versucht, die aus dem Kontaktor austretende, reiche Beladung über einen
derzeit normalen Wert von etwa 0,50 mol/mol zu
erhöhen. Dies erreicht man durch genaue Konstruktion für eine sehr enge Gleichgewichtsbeladung auf den
unteren Böden, während auf einem der unteren Boden ein Zwischenkühler verwendet wird, um das halb-behandelte
Amin abzukühlen. Dieses Abkühlen verringert den CO2-Teildruck im Amin, erhöht die Triebkraft der
Massenübertragung für CO2 und erlaubt dadurch eine noch höhere Beladung durch Berührung der restlichen,
untersten Boden. Aufgrund der niedrigeren Temperaturen der den Kontaktor verlassenden, reichen Losung,
muß die Blitzverdampfungsanlage zwischen HX-I und HX-2 (vgl. Fig. 1) betrieben werden, wodurch eine
vernünftige Vor-Blitzverdampfungstemperatur geschaffen
wird, während die Fähigkeit zum erneuten Erhitzen der Lösung nach dem Blitzverdampfen vor
einem weiteren Strippen aufrechterhalten bleibt.
Das Beschickungsgas ist eine Mischung aus Verfahrensgas
und saurem Gas, wobei das Verfahrensgas z. B. ein Kohlenwasserstoff, eine Mischung aus Kohlenwasserstoffen,
Synthesegas oder eine Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff ist. Die im System behandelten
Kohlenwasserstoffe sind z. B. Äthan und Methan, die in Form von Erdgas oder Substitut- oder synthetischem
Erdgas (SNG), Äthylen, Äthan, Propylen, Propan. Mischungen dieser Kohlenwasserstoffe und als vergereinigter
Ausfluß aus dem Kracken von Naphtha oder Rohöl sowie aus der Kohlevergasung vorligen. Synthesegas
ist eine Mischung aus Wasserstoff u'icl Kohlen
monoxid in unterschiedlichen Verhältnissen, gewöhnlich zwischen etwa 60 bis 80 Vol.-% Wasserstoff und etwa
0,1 bis etwa 20 Vol.-% Kohlenmonoxid, wobei der gegebenenfalls vorliegende Rest aus Kohlendioxid
besteht; die Prozentsätze sind auf das Gesamtvolumen des Synthesegases bezogen. Eine typische Mischung
besteht aus 77,7% H2, 0,3% CO und 22,0% CO2 oder
70% H2, 15% CO und 15% CO2. Die Mischung aus
Stickstoff und Wasserstoff wird bei der Herstellung von Ammoniak verwendet. Gewöhnlich enthält die Mischung
etwa 20 Vol.-% Stickstoff und etwa 60 Vol.-% Wasserstoff, bezogen auf das Gesamtvolumen der
Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff.
Das Beschickungsgas enthält als saures Gas z. B. Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Mischungen
derselben in Mengen von etwa 5 bis etwa 60 Vol.-%, bezogen auf das Gesamtvolumen des Beschickungsgases.
Die Bezeichnung »Gesamtvolumen des Beschikkungsgases« umfaßt das oben definierte Verfahrensgas
und saure Gas, nicht jedoch Wasserdampf und die im folgenden beschriebenen Verunreinigungen. Die gewöhnlich
im Beschickungsgas enthaltene Menge an saurem Gas liegt zwischen etwa 15 und etwa 30 Vol.-%.
Wasser kann und ist gewöhnlich in Mischung mit allen Ver.'jhrensgaskomponenten in Form von Wasserdampf
oder -tröpfchen in Mengen zwischen 0 bis zur Sättigung, vorzugsweise bis zur Sättigung, anwesend. Die Sättigung
verringert die Wasserverdampfung im Bodenteil
der Absorptionszone. Es kann auch ein wasserfreies Beschickungsgas verwendet werden, was jedoch selten
der Fall ist.
»Verunreinigungen« werden hier definiert als (a) jedes oben nicht als Verfahrensgas, saures Gas oder
Wasserdampf definierte Gas und (b) feste Teilchen oder flüssige Tröpfchen (ausschließlich Wassertröpfchen) im
Beschickungsgas. Sie können in Mengen bis zu etwa 3 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht des Beschikkungsgases,
vorliegen, sind jedoch vorzugsweise in Mengen nicht über etwa 1 Gew.-%, und in vielen Fällen
unter 0,01 Gew.-%, anwesend. Gasförmige Verunreinigungen sind z. B. Schwefeldioxid, Carbonylsulfid und
Kohlendisulfid. Feste oder flüssige Verunreinigungen sind z. B. Eisensulfid, Eisenoxid, hoch molekulare
Kohlenwasserstoffe und Polymere, jedes Olefin mit mehr als einer Doppelbindung, dreifach gebundene
Kohlenwasserstoffe und allgemein jedes Material, das in situ polymerisiert oder reagiert, ist eine unerwünschte
Verunreinigung.
Das Absorptionsmittel ist eine Lösung aus einem Alkanolamin mit 1 bis 3 Alkanolradikalen, wobei jedes
Alkanolradikal 1 bis 3 C-Atome hat, und Wasser. Alkanolamine sind z. B. Monoäthanolamin (MEA),
Diethanolamin (DEA) und Triethanolamin (TEA), wobei MEA als Absorptionsmittel bevorzugt wird. Andere
geeignete Alkanolamine sind Diisopropanolamin, Monoisopropanolamin,
Monopropanolamin, Dipropanolamin, Tripropanolamin und Triisopropanolamin. Obgleich
Mischungen aus Alkanolaminen verwendet werden können, wird dies nicht bevorzugt. Verwendet
werden können Mischungen aus Aminen und inerten anorganischen oder organischen Verbindungen mit
einer hohen Löslichkeit für zu entfernende Verunreinigungen. Diese Verbindungen können anstelle von
Wasser verwendet werden. So kann z. B. eine Behandlungslösung aus Glykol-Amin-Wasser gemäß
der US-PS 21 77 068 verwendet werden.
Die wäßrige, in das System eingeführte MEA-Lösung enthält gewöhnlich etwa 15 bis etwa 70 Gew.-% MEA,
bezogen auf das Gewicht der Lösung. Bei Verwendung von DF.A beträgt der breite Bereich der ursprünglichen
Lösung etwa 25 bis etwa 90 Gew.-% und bei TEA liegt dieser Bereich zwischen etwa 40 und etwa 95 Gew.-%.
Im erfindungsgemäßen System können z. B. die folgenden typischen Lösungen verwendet werden:
MEA 35%
DEA 50%
TEA 70%
DEA 50%
TEA 70%
Wasser 65%
Wasser 50%
Wasser 30%
Wasser 50%
Wasser 30%
Das System ist vorzugsweise praktisch korrosionsfrei. Andernfalls gehen die Vorteile durch das vorliegende
Verfahren im großtechnischen Betrieb durch verminderte Produktion aufgrund von Schließungszeiten der
korrodierten Anlage verloren. In einem Kohlendioxidsystem erreicht man Korrosionsfreiheit z.B. durch
Verwendung der z. B. in der US-PS 38 08 140 beschriebenen
Korrosionsinhibitoren oder durch Verwendung einer Vorrichtung aus verschiedenen Titanlegierungen to
oder verschiedenen korrosionsbeständigen rostfreien oder Kohlestahlen oder mit einer mit Glas ausgekleideten
Anlage. Jedenfalls ist es zweckmäßig, in einem Kohlendioxidsystem ein gewisses Antikorrosionssystem
zu verwenden. Beim Einsatz von Antimon- und Vanadiumverbindungen (vgL die US-PS 38 08140)
werden die Verbindungen in einem Verhältnis von etwa 1 bis 9 Gew.-Teilen Antimonverbindung zu etwa 9 bis 1
Gew.-Teilen Vanadiumverbindung gemischt, wobei Verhältnisse von etwa 4 bis 6 Teilen zu etwa 6 bis 4
Teilen, insbesondere jedoch gleiche Teile, bevorzugt werden. Die Kombination aus Antimon- und Vanadiumverbindungen
wird in einer Menge von etwa 0,01 bis etwa 2,0 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der
wäßrigen Alkanolaminlösung einschließlich des Gewichtes aus Wasser und Alkanolamin, zugefügt.
Die im Verfahren von Absorption, Strippen und Kühlen sowie als Kocher, Filter, Rohre, Turbinen,
Pumpen, Blitztanks usw. verwendete Vorrichtung ist üblich. Eine typische, im System verwendete Absorptionskolonne
kann als Siebbodenkontaktor mit 15 bis 35 Siebboden mit einem Bodenabstand von 0,6 m oder
dessen Äquivalent bezüglich der Füllung beschrieben werden. Eine typische, im System verwendete Destillationskolonne
kann als Siebbodenturm mit 15 bis 20 tatsächlichen Böden oder äquivalenter Füllung beschrieben
werden. Die Kolonne enthält in ihrem unteren Teil oder in einem äußerlichen Kessel ein rohrförmiges
Heizelement oder einen Kocher und am Kopf oder außerhalb der Kolonne Kühler und einen Wasserabscheider
(in der Zeichnung nicht gezeigt).
In der Zeichnung wird nun das Beschickungsgas durch Leitung 1 bei oder nahe des unteren Bodens in
den Absorber 2 (Kontaktor) eingeführt, wobei die Einlaßtemperatur des Beschickungsgases zum Absorber
(T0) gewöhnlich zwischen etwa 60 und etwa 880C liegt.
Zur verstärkten Massenübertragung sollte jedoch die Temperatur des mit der Lösung in Berührung
kommenden Gases vorzugsweise etwa 3° C über der Temperatur der austretenden Lösung liegen, um eine
Wasserverdampfung aus der Lösung in das Gas zu verhindern. Eine Verdampfung bewirkt die Bildung
eines Dampffilmes, der die gute Massenübertragung vom Gas zur Flüssigkeit inhibiert, weshalb die
Massenübertragung abnimmt Das Beschickungsgas fließt aufwärts durch den Absorber und trifft im
Gegenstrom auf die als magere Lösung bezeichnete, wäßrige Alkanolaminlösung, die bei oder nahe des
oberen Bodens von Absorber 2 durch Leitung 4 eingeführt wird.
Der Druck im Absorber 2 kann zwischen etwa 1,0 bis 103 bar bis etwa 17,2 bis 55 bar liegen.
Die magere Lösung betritt den Absorber 2 bei einer Temperatur (Γι) zwischen etwa 40 bis etwa 72°C,
gewöhnlich zwischen etwa 40 bis etwa 52° C.
Das Beschickungsgas, dessen Hauptmasse an saurem Gas absorbiert wurde, läuft aufwärts durch die
Absorberkolonne und tritt als Abgas durch Leitung 3 bei einer Temperatur zwischen etwa 40 bis etwa 72° C,
gewöhnlich etwa 40 bis 52° C aus. Das Abgas (oder Verfahrensgas) kann bis zu etwa 18 000 ppm saures Gas
enthalten, wobei es selbstverständlich den jeweiligen Vorschriften an das Verfahrensgas entsprechen soll, die
oft nur bei 5 ppm saurem Gas liegen. Das erfindungsgemäße
Verfahren entspricht diesen breiten Anforderungen ohne Schwierigkeit
Nachdem die magere Lösung das saure Gas mit Ausnahme des kleinen, obengenannten Bruchteils
absorbiert hat, wird sie als reiche Lösung, d.h. als
Mischung aus magerer Lösung, absorbiertem saurem Gas, zusätzlichem aus dem Beschickungsgas aufgenommenem
Wasser und einigen Verunreinigungen, bezeichnet Die »Beladung der reichen Lösung«, die das
Mol-Verhältnis von saurem Gas zu Alkanolamin der reichen Lösung angibt, liegt zwischen etwa 0,1 bis etwa
1,0, gewöhnlich zwischen etwa 0,50 bis etwa 0,67. Wenn
die das saure Gas enthaltende Lösung eine Temperatur zwischen etwa 58 bis 85° C, vorzugsweise etwa 68° C,
erreicht, wird sie durch eine Kühlzone 5 zwecks Temperaturverminderung geführt, worauf der abgekühlte Strom durch die Absorptionszone geführt wird,
um die molare Beladung der Lösung an saurem Gas so zu erhöhen, daß die Temperatur 7} der die Absorptionszone verlassenden, reichen Lösung nie über 85° C steigt,
wobei zur Absorption von CO2 durch MEA-Lösungen ein Bereich von 57 bis 85° C bevorzugt wird. Dies wird
aufgrund der Massenübertragung bestimmt, die eine Funktion der Kinetik und die Triebkraft des Systems ist.
Über und unter diesem Temperaturbereich wird die Massenübertragung von CO2 in die MEA-Lösung
behindert. Temperaturen unter 57°C bewirken eine längere Reaktionsgeschwindigkeit, weil die Kinetik des
Systems bei niedrigeren Temperaturen vermindert wird. Temperaturen über 85° C beeinflussen die CO2-Triebkraft zwischen dem CO2 in der Gasphase und dem
absorbierten CO2. Daher erfolgt der größte Teil der Absorption vorzugsweise in diesem Temperaturbereich.
Aber selbstverständlich erlaubt die Hinzufügung von Massenübertragungsanlagen (Böden) in den Absorberkolonnen ein Arbeiten bei höheren und niedrigeren
Absorptionstemperaturen, allerdings mit nicht erwünschten, erhöhten Kapitalkosten. Die hoch beladene,
reiche Lösung verläßt den Absorber 2 bei oder nahe des unteren Bodens durch Leitung 8 bei einer Absorberausgangstemperatur (Ti) zwischen etwa 57 bis 85°C,
gewöhnlich zwischen etwa 63 bis etwa 68° C. Die Absorberausgangstemperatur der reichen Lösung ist
vorzugsweise niedriger als die Eingangstemperatur des Beschickungsgases.
Die reiche Lösung läuft vom Boden der Absorberkolonne 2 zum ersten Wärmeaustauscher 10, wo sie in
Wärmeaustauschbeziehung zur zurückgeführten, regenerierten Alkanolaminlösung tritt, um die Temperatur der Lösung auf T3 zu erhöhen. Die erhitzte, reiche
Lösung wird bei Temperaturen zwischen 77 bis 91 °C durch Leitung 9 zum Blitzverdampfungsgefäß 12
geleitet, wo CO2 durch Leitung 7 aus der reichen Lösung
bei Drucken zwischen 0 bis 4,1, vorzugsweise 0,52 — 1,15 bar blitzverdampft wird. Wie oben erwähnt und aus
F i g. 2 ersichtlich, hängt die Menge an Blitzverdampfung von der Blitzverdampfungstemperatur und der
Beladung an saurem Gas ab. Je höher die Temperatur und die Gasbeladung, um so höher ist die Blitzverdampfung. Die Blitzverdampfung verringert die Temperatur
des den Blitztank 12 verlassenden Stromes auf Ta
zwischen 68 bis 82° C Entsprechend wird der Strom durch Pumpe 2 über Leitung 13 zu einem zweiten
Wärmeaustauscher 14 geführt, wo die Temperatur auf 93 bis 116° C erhöht wird, um die aus den Kochern 23
erforderliche Wärme zum Abstrippen von CO2 aus der Lösung auf einem Minimum zu halten. Die Lösung wird
durch Leitung 22 zum Stripper 19 geleitet Die magere Lösung verläßt den Stripper 19 bei einer Temperatur T6
zwischen 116 bis 138° C und wird durch Leitung 16 und
17 zu den Wärmeaustauschern 14 und 10 und dann durch Leitung 18 zum Kühler für die magere Lösung 21
zurückgeführt Dann wird die abgekühlte magere Lösung durch Pumpe 24 zum Kopf der Absorberkolonne 2 eingeführt, und der Zyklus wird wiederholt
Die folgenden Beispiele und Vergleichsdaten zeigen deutlich die Vorteile der vorliegenden Erfindung.
Das Konzept der vorliegenden Erfindung wird in ein System der oben beschriebenen Art dargestellt, wobei
eine 35gew.-%ige MEA-Lösung als Absorptionsmittel
verwendet wird. Der eintretende Gasstrom fließt mit
6133 kg Mol/std, von denen 1089 kg Mol/std CO2 sind,
und betritt den Absorber mit 660C. Der eintretende Gasstrom ist mit Wasser gesättigt; der Druck bei der
Berührung beträgt 26,1 bar. Zum leichteren Vergleich der vorliegenden Erfindung mit verschiedenen anderen
Systemen auf äquivalenter Basis wurde die Gleichgewichtsannäherung der Beladung des reichen Lösungsmittelstromes konstant auf etwa 87% gehalten. Die
Lösungsfließgeschwindigkeit beträgt 2300g/mol, die Absorbereintrittstemperatur 41 °C und die magere
Beladung 0,21 Mol CO2 pro Mol Amin. Die teilweise mit
CO2 beladene MEA-Lösung wird durch einen Zwischenkühler bei etwa 66° C hindurchgeführt und dann zum
Absorber zurückgeleitet, wo die reiche Lösung auf 0,56 Mol CO2 pro Mol Amin erhöht wird. Die Lösung verläßt
den Absorber bei 57° C, und das CO2 im Abgas ist auf
100 ppm verringert Der Zwischenkühler erforderte 49,43XlO6KJZSId. bei einer Kühlwassergeschwindig
keit von 3124 g/mol zum Kühlen der teilweise
beladenen MEA-Lösung. Die reiche Aminlösung wurde bei einer Temperatur von 57° C zum Wärmeaustauscher
10 geleitet und tritt mit 8O0C aus. Die zurückgeführte,
magere Aminlösung tritt bei 87° C ein und verläßt diesen
bei 64,5"C. Dann wird die Lösung zum Blitztank geführt
und auf atmosphärischen Druck blitzverdampft Die Temperatur der reichen Lösung wird durch die
Blitzverdampfung von 80° C auf 740C verringert, und
durch die Blitzverdampfung werden 168 kg Mol/std
CO2 entfernt Der CO2-Gehalt der reichen Lösung wird
dadurch von 1742 auf 1574 kg Mol/hr verringert
Dann wird die Lösung bei 74° C zum zweiten Wärmeaustauscher 14 geleitet wo die reiche Aminlösung durch die zurückgeführte, bei 121° C eintretende
und bei 87° C austretende, magere Aminlösung auf 110° C erhitzt wurde.
Dann läuft die reiche Lösung mit 110° C zum Stripper,
wo 99 100 KJ/Kg Mol CO2 zum Abstrippen der CO2
reichen Aminlösung von 1574 kg Mol/std auf 653 kg
An diesem Punkt ist es zweckmäßig, das erfindungsgemäße Verfahren mit anderen Verfahren zu vergleichen. Tabelle 1 zeigt die verschiedenen Systeme. Sehr
wichtig in jedem Verfahren ist die pro MoI CO2
erforderliche Energie, weil sich hier der tatsächliche
Energieverbrauch zeigt Allerdings können verschiedene Alternativen eine erhöhte Kapitalinvestition zur
Verringerung der Energiekosten erfordern. Dies wird im zweiten Vergleichsindex, dem Betriebsindex, gezeigt,
der sich aus den Betriebskosten herleitet die die jährlichen Energiekosten mit einer fixen, jährlichen
Kapitalamortisation für die besondere Vorrichtung kombinieren. Dann wird der Betriebsindex zum
bekannten Grundverfahren mit einem Wert von 1,0 in
Beim Versuch, die bekannte Grundkonzeption (Spalte 1) bezüglich Energieverbrauch zu verbessern, kann
man eine Blitzverdampfung anwenden, um die CO2-Beladung bei der Strippkolonne zu verbessern. Die
Wirkung wird in Spalte 2 gezeigt Die Hauptschwierigkeit bei dieser Alternative liegt darin, daß die Beladung
der reichen Lösung durch Gleichgewichtsüberlegungen auf 0,5 mol/mol beschränkt ist was das Maß an
erzielbarer Blitzverdampfung begrenzt (vgL Fig.2).
Man kann weiter versuchen, die notwendige Reaktionsund Verdampfungsenthalpie der Strippkolonne durch
erhöhte Beladung der mageren Lösung von 0,15 auf 0,21
mol/mol zu verringern (Spalte 3). Leider wird der
ίο
potentielle Vorteil durch erhöhte Anforderungen an fühlbarer Wärme im Zusammenhang mit der hohen
Fließgeschwindigkeit der Lösung eingeschränkt, die der erhöhten Beladung der mageren Lösung folgt, wenn die
Beladung der reichen Lösung durch Gleichgewichtsüberlegungen fixiert ist. Wie ersichtlich, kann man eine
gewisse Verbesserung bezüglich der erforderlichen Energie und der Betriebskosten erreichen (von
128 000 KJ/Kg Mol CO2 und OI 1,0 auf 107 000 KJ/Kg
Mol CO2 und 01 = 0,94). Man kann auch versuchen, die
Beladung der reichen Lösung durch Verwendung eines Zwischenkühlers zu erhöhen. Dabei ergeben sich bei
einer niedrigeren Temperatur der reichen Lösung höhere Beladungen derselben, um dieselben Gleichgewichtsüberlegungen
zu erreichen. Die Wirkung kann durch eine erhöhte Beladung der mageren Lösung weiter verstärkt werden, wodurch bessere thermodynamische
Bedingungen im Stripper erreicht werden. Die Ergebnisse zeigen wiederum die Verbesserung (von
128 000 KJ/Kg Mol CO2 und OI = 1,0 auf 110 900 KJ/Kg
Mol CO2 und 01=0,93) (Spalte 4). Eine deutliche
Verbesserung wurde durch entsprechende Kombination der beiden obengenannten Möglichkeiten erzielt Die
gewünschten Konstruktionscharakteristika erzielt man nur unter Berücksichtigung des synergistischen Effektes
dieser Kombination. Die Blitzverdampfung ist zweckmäßig, um die COrBeladung beim thermischen
Strippen zu verringern; die Thermodynamik der Blitzverdampfung bestimmt deren Wirksamkeit als
Funktion der Eingangsbeladung. Daher sind innerhalb des Gleichgewichtskonzeptes möglichst hohe Eingangsbeladungen der reichen Lösung zweckmäßig, weil mit
üblichen Beladungen nicht die hohe Blitzverdampfungswirksamkeit erreicht werden kann, die für einen
wirtschaftlichen Energieverbrauch notwendig ist. Die Verwendung eines Zwischenkühlers begünstigt die
erhöhte Blitzverdampfungswirksamkeit durch Verringerung der endgültigen Begrenzungen durch Gleichgewichtsüberlegungen
und erlaubt eine höhere Beladung am Absorberausgang. Der Zwischenkühler ist auch aus
einem anderen Grund wichtig. Die erhöhte Beladung der mageren Lösung kann sich für die Stripperkonstruktion
nur günstig auswirken, wenn man die erforderliche fühlbare Wärme aufgrund der erhöhten Fließgeschwindigkeit
der Lösung nicht ansteigen läßt. Durch Zwischenkühlung kann die Beladung der reichen
Lösung zur Erzielung einer äquivalenten Nettobeladung erhöht werden, wodurch sich eine verbesserte thermodynamische
Situation im Stripper und Absorber ergibt. Die gegenseitige Beeinflussung jeder Konstruktionskomponente schafft eine optimale Kombination von
Wirkungen, die dem erfindungsgemäßen, kombinierten System einen geringeren Netto-Energieverbrauch als
die einzelnen Komponenten, für sich genommen, verleihen. Das Ziel der vorliegenden Erfindung liegt in
der optimalen Stellung des Zwischenkühlers und Blitztanks und der sorgfältigen Wahl aller Konstruktionsparameter
zur Erreichung eines gut ausgewogenen Systems. Wie aus Spalte 5 der folgenden Tabelle
ersichtlich, erhält man erfindungsgemäß einen erheblich verringerten Energieverbrauch beim Strippen von
99 100 KJ/Kg Mol CO2 und einen gesamten Betriebsindex
(01) von 0,89. Die verminderte Strippenergie zeigt sich in deutlichen Einsparungen der Energiekosten
(Energie-Index 0,77). Diese hohen Energieeinsparungen machen die erhöhte Kapitalinvestition, die sich im
gesamten Betriebsindex von 0,87 widerspiegelt, mehr als wett.
Tabelle 1 | Stand der | St. d. Techn. | St. d. Techn. | 0,50 | St d. Techn. | Erfindungsgemäß |
Technik | + Blitzverdampf. + Blitzverdampf. | 0,21 | W/Zwischen | Zwischenkühl. | ||
87,5% | kühler | + Blitzverdampfung | ||||
0,50 | 0,50 | 48485 | 0,56 | 0,56 | ||
Belad. d. reichen Lösung | 0,15 | 0,15 | 5573 | 0,21 | 0,21 | |
Belad. d. mageren Lösung | 87,5% | 87,5% | 87,5% | 87,5% | ||
Gleichgewicht | 57 970 | 51750 | 2996 | 50380 | 45005 | |
KJ/Molanzahl | 4535 | 5593 | 5523 | 6154 | ||
Kapitalinvestition | 4151 | |||||
(Mill. Einheiten) | 3520 | 3159 | 3028 | 2708 | ||
Energiekosten | 1,27 | |||||
(Mill. Einheiten pro Jahr) | 4427 | 4278 | 0,85 | 4133 | 3939 | |
Betriebskosten | 0,94 | |||||
(Mill. Einheiten pro Jahr) | 1,0 | 1,23 | Hierzu 2 Blatt Zeichnungen | 1,22 | 1,36 | |
Kapitalindex | 1,0 | 0,90 | 0,86 | 0,77 | ||
Energieindex | 1,0 | 0,97 | 0,93 | 0,89 | ||
Betriebsindex | ||||||
Claims (1)
- Patentansprüche:1. Kontinuierliches Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid und/oder Schwefelwasserstoff aus einer Beschickungsgasmischung durch Berührung derselben mit einer wäßrigen Alkanolaminlösung, wobei das Alkanolamin 1 bis 3 Alkanolreste aufweist und jeder Rest 2 oder 3 C-Atome hat, dadurch gekennzeichnet, daß man(a) in eine Absorptionszone eine Beschickungsgasmischung (A) aus Verfahrensgas aus der Gruppe Kohlenwasserstoffe, Synthesegas, einer Mischung aus Stickstoff und Wasserstoff und (B) 5 bis 60 VoL-% Kohlendioxid und/oder Schwefelwasserstoff, wobei sich der Vol.-Prozentsätz auf das Gesamtvolumen der in die Absorptionszone eingeführten Mischung aus (A) und (B) bezieht, bei einer Einlaßtemperatur in die Absorptionszone (F0) für die Beschikkungsgasmischung zwischen 60° bis 88° C. einführt;(b) die Beschickungsgasmischung in der Absorptionszone im Gegenstrom mit einer Mischung aus einer wäßrigen Alkanolaminlösung einer Konzentration von 15 bis 95 Gew.-% Alkanolamin und einer Temperatur (71) von 41° bis 720C zwecks Absorption des Kohlendioxids und/oder Schwefelwasserstoffes in Berührung bringt.(c) mindestens den größten Teil der abwärts fließenden, das saure Gas enthaltenden A'.kanolaminlösung durch eine Kühlzone zwecks Verminderung der Temperatur der Lösung führt, nachdem die Lösung eine Temperatur von 57° bis 850C erreicht hat, worauf man die gekühlte, saures Gas enthaltende Lösung zur Erhöhung der molaren Beladung der Lösung an saurem Gas durch eine Absorptionszone führt, wobei die Temperatur (T2) der reichen, die Absorptionszone verlassenden Lösung 85°C nie übersteigt;(d) die an saurem Gas reiche Lösung mit einer sauren Gasbeladung von 0,50 bis 0,67 m/m vom Boden der Absorptionszone entfernt und in Wärmeaustauschbeziehung zu einer zurückgeführten, regenerierten Alkanolaminlösung leitet, um die Temperatur der reichen Lösung (7"3) auf 77° bis 910C zu bringen;(e) die erhitzte, reiche Lösung aus Stufe (d) zu einer Blitzverdampfungszone zwecks Entfernung von weiterer Beladung an saurem Gas aus der Alkanolaminlösung, als wenn der Strom nicht erhitzt wäre, leitet, wobei die Blitzverdampfung die Temperatur der Lösung auf (T4) 68° bis 820C vermindert;(f) den saures Gas enthaltenden Strom mit verminderter Temperatur aus Stufe (e) in Wärmeaustauschbeziehung zur zurückgeführten, regenerierten Alkanolaminlösung führt, um die Temperatur auf (T5) 93° bis 116° C zu erhöhen;(g) die erhitzte Lösung aus Stufe (f) in eine Strippzone einführt, so daß dem System zur Entfernung des sauren Gases aus der Lösung weniger fühlbare Wärme zugegeben werden braucht;(h) die Mischung aus saurem Gas und einem geringeren Anteil Wasser von eier in den Stripper eingeführten Lösung abtrennt, wobei das abgetrennte Wasser in Form von Wasser dampf vorliegt, und die Mischung über Kopf aus der Strippzone entfernt;(i) dje restliche Lösung aus Stufe (h) vom Boden der Strippzone bei einer Temperatur (Tb) zwischen 116° bis 138°C entfernt;
(j) die heiße regenerierte Lösung aus Stufe (i) in Wärmeaustauschbeziehung zu den Lösungen in Stufe (d) und (f) leitet und dann zu einerKühlzone führt, wo die Temperatur (Γι) auf 41 ° bis 72° C verringert wird; und
(k) die Lösung aus Stufe (j) zur Absorptionszone zurückführtis 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Alkanolamin Monoäthanolamin verwendet wird.3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet daß die Alkanolaminlösung eine2» Monoäthanolatninlösung mit einer Konzentration zwischen 15 bis 70 Gew.-% ist.4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur T2 zwischen 57° bis 85° C liegt5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die wäßrige Alkanolaminlösung als Korrosionsinhibitoren Antimon- und Vanadiumverbindungen in solcher Mischung enthält, daß ein Verhältnis von etwa 1 bis 9 Gew.-Teilenid Anümonverbindung zu etwa 9 bis 1 Gew.-Teil Vanadiumverbindung vorliegt.6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen etwa 4 bis 6 Teilen Antimonverbindung zu etwa 6 bis 4 TeilenJ5 Vanadiumverbindung beträgt.7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Alkanolaminlösung eine inerte organische Verbindung enthält8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladung mit saurem Gas etwa 0,56 m/m beträgt.
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