DE2856571C3 - Kontinuierliches Verfahren zur Entfernung aus einer Beschickungsgasmischung - Google Patents
Kontinuierliches Verfahren zur Entfernung aus einer BeschickungsgasmischungInfo
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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- B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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- Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
Description
Die Entfernung saurer Gase, insbesondere CO2 und/oder HA durch Gegenstromabsorption mit Alkanolarninen
ist in rler Industrie seit mehr als 40 Jahren bekannt Etwa 1969 wurde ein Korrosionsinhibierungssystem
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-CO? 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 CÖ2
und/oder HaS1 bei dem die Notwendigkeit zum Erhitzen
und Kühlen aus äußerlichen Quellen auf einem Minimum gehalten wird. Ein weiteres Ziel ist die
Schaffung eines verbesserten, korrosionsinhibierten Verfahrens zur Entfernung von CO2 und/oder H2S.
(Hinfort wird unter »saures Gas« COj, gegebenenfalls in
Mischung mit HjS, verstanden.)
Bei den beiliegenden Zeichnungen bedeutet
F i g. 1 ein schematisches Fließdiagramm einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
F i g. 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 Absorptionskolonne
zwecks Verringerung des temperaturkontrollierten Teildruckes des absorbierten, sauren Gases abgekühlt,
wodurch eine höhere Beladung als sonst möglich wird. In Kombination mit dem 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 C02-Entfernungsanlage vom Amin-Typ
geliefert Bei üblichen, nichtinhibierten CO2-MEA-Emfernungssystemen
betrug der zur Schaffung dieser Energie notwendige Wasserdampf gewöhnlich 209 000 KJ/Kg Mol CO2. Korrosionsinhibiene 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 geringer
bekanntlich die COrBeladung in der Strippkolonne ist, um so geringer ist die notwendige Wärme, die zugeführt
werden muß, und um so geringer ist der erforderliche Durchmesser der Strippkolonne. Hierin liegt die
Grundlage der Verwendung eines erfindungsgemäßen Blitttankes zur COrEntfernung 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 isi die
erforderlicne 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.
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
blitzverdampf; 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 Bod'.'nmaterial 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
magerert/reichen Austausch anzubringen, weil hier ein
angemessenes Erhitzen nach dem Blitzverdampfen erzielt werden kann, ist aus verschiedenen Gründen
ebenfalls unbefriedigend. Je höher die EinläßtemperatUf
zum Blitztank, um so besser ist die erzielte Blitzverdampfungswirksamkeit
bezüglich der CO2-Enifemung
(vgl. Fig.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 82° C 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 COrTeildruck im Amin, erhöht die Triebkraft der
Massenübertragung für CO2 und erlaubt dadurch eine noch höh ;re Beladung durch Berührung der restlichen,
untersten Böden. Aufgrund der nie igeren Temperaturen
der den Kontaktor verlassenden, reichen Lösung, muß die Blitzverdampfungsanlage zwischen HX-I und
HX-2 (vgl. Fig. 1) betrieben werden, wodurch eine vernünftige Vor-Blitzverdampfungstemperatur geschaff
η 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. Äihan und Methan, die in Form von Erdgas oder Substitut- oder synthetischem
Erdgas (SNG), Äthylen, Äthan, Propylen, Propan, Mischungen dieser Kohlenwasserstoffe und als vorgereinigter
Ausfluß aus dem Kracken von Naphtha oder Rohöl sowie aus der Kohlevergasung völligen. Synthesegas
ist cmc Mischung aus Wasserstoff und Kuhlen
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.-<*6 Stickstoff und etwa 60 Vol.-%
Wasserstoff, bezogen auf das Gesamtvolumen der Mischung aus Stickstof und Wasserstoff.
P.is Beschickungsgas enthält als saures Gas z. B. Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff und Mischungen
derselben in Mei gen von etwa 5 bis etwr- 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 ge
wohnlich im Beschickungsgas enthaltene Menge an saurem Gas liegt zwischen etwa 15 und etwa 30 Vol.-%.
Wasser kann und ist gewöhnlich in Mischung mit allen Verfahrerisgäskomoonenten 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. 3. 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. zn
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),
Diäthanolamin (DEA) und Triäthanolamin (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 Veibindungen 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. ao
bezogen auf das Gewicht der Lösung. Bei Verwendung von DEA 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%
50
Das System isi 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
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 tn 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
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
(To) gewöhnlich zwischen etwa 60 und etwa 880C liegt. Zur vi.fjtärkten Massenübertragung sollte jedoch die
Temperatur des mit der Lösung in Berührung kommenden Gases vorzugsweise etwa 30C 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 720C,
gewöhnlich etwa 40 bis 52"C, aus. Das Abga„ (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 liegea 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,i bis etwa
1,0, gewöhnlich zwischen etwa 0,50 bis etwa 0,67. Wenn
die das saure Gas enthallende Lösung eine Temperatur
zwischen etwa 58 bis 85°G, vorzugsweise etwa 68°C,
erreicht, wird sie durch eine Kühlzone 5 zwecks Temperaturverminderung geführt, worauf der abgekühlte
Strom durch die Absorptionszone geführt wird, S um die molare Beladung der Lösung an saurem Gas so
zu erhöhen, daß die Temperatur 7-2 der die Absorptionszone verlassende^ 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 COj in die M EA-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 COj-Triebkraft
zwischen dem CO2 in der Gasphase und dem absorbierten Cö?. Daher erfoigt der größte Teil tier zo
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 beiadene,
reiche Lösung verläßt den Absorber 2 bei oder nahe des unteren Bodens durch Leitung 8 bei einer Absorberausgangstemperatur
(Γ2) 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 Blitzverdampfungsgef|ß 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 Blitzverdampfurtg
von der Blitzverdampfungstemperatur und der -»5
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 7«
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 7J
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.-°/oige 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 v/urde die Gleichgewiehtsannäherung der Beladung des reichen Lösungsmittelstromes
konstant auf etwa 87% gehalten. Die Lösungsfließgeschwindigkeit beträgt 2300g/mol, die
Absorbereintrittstemperatur 41°G und die magere Beladung 0,21 Mol CO2 pro Mol Amin. Die teilweise mit
CO2 beiadene MEA-Lösung wird durch einen Zwischenkühler bei etwa 66°C hindurchgeführt und dann zum
Absorber zurückgeleitet, wo die reiche Lösung auf 0,56 Mol CO? pro MoI Amin erhöht wird. Die Lösung verläßt
den Absorber bei 57° C, und das COj im Abgas ist auf
100 ppm verringert. Der Zwischenkühler erforderte 49,43XlO6KJZSId. bei einer Kühlwassergeschwindigkeit
von 3i24g/moi zum Kühlen der teilweise
beladenen MEA-Lösung. Die reiche Aminlösung wurde bei einer Temperatur von 57" C zum Wärmeaustauscher
10 geleitet und tritt mit 80° C 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 74° C 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 1210C 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 lOOKJ/Kg Mol CO* zum Abstrippen der CO2
reichen Aminlösung von 1574 kg Mol/std auf 653 kg Mol/std notwendig sind.
An diesem Punkt ist es zweckmäßig, das erfindu-gsgemäße
Verfahren mit anderen Verfahren zu vergleichen. Tabelle I zeigt die verschiedenen Systeme. Sehr
wichtig in jedem Verfahren ist die pro Mol 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 Grund verfahren mit einem Wert von 1,0 in Bezug gesetzt
Beim Versuch, die bekannte Grundkonzeption (Spalte 1) bezüglich Energieverbrauch zu verbessern, kann
man eine Blitzverdampfung anwenden, um die COrBeladung 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 021
mol/mol zu verringern (Spalte 3). Leider wird der
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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 Gleichgewichts-Überlegungen fixiert ist. Wie ersichtlich, kann man eine
gewisse Verbesserung bezüglich der erforderlichen Energie und tier Betriebskosten erreichen (von
128 000 KJ/Kg Mül CO2 und OI 1,0 auf 107 000 KJ/Kg
Mol CO2 und 01 = 0,94). Mari 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 Gleichgewichtsüberlegüngen
Zu erreichert. 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 MoI CO2 und O!= 1,0 aui 110 900 KJ/Kg
MoI CO2 und 01 = 0,93) (Spalte 4). Eine deutliche
Verbesserung wurde durch entsprechende Kombination der beiden obengenannten Möglichkeiten erzielt Die
gewünschten Konstruktionscharakterisiika 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 Blitzveniampfungswirksamkeit erreicht werden kann, die für einen
wirtschaftlichen Energieverbrauch notwendig ist. Die Verwendung eine* 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 Fließgejchwindigkeit
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 erfindungsgeniäßen, kombinierten System einen geringeren NetU>Energieverbrauch als
die einzelnen Komponenten, tür 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.
Stand der | St. d. Techn. | St d. Techn. | 0,50 | St d. Techn. | Erfindungsgemäß | |
Technik | + Blitzverdampf. + BHtzvcrdampf. | 0,21 | W/Zwischcn- | Zwischenkühl. | ||
87,5% | kühler | + Blitzverdampfung | ||||
Belad. d. reichen Lösung | 0,50 | 0.50 | 48 485 | 0,56 | 0.56 | |
Belad. d. mageren Lösung | 0,15 | 0,15 | 5573 | 0,21 | 0,21 | |
Gleichgewicht | 87,5% | 87,5% | 87.5% | 87.5% | ||
KJ/MoIanzahl | 57 970 | 51750 | 2996 | 503S0 | 45 005 | |
kapitalinvestition | 4535 | 5593 | 5523 | 6154 | ||
(Mill. Einheiten) | 4151 | |||||
Energiekosten | 3520 | 3159 | 3028 | 2708 | ||
(Mill. Einheiten pro Jahr) | 1,27 | |||||
Betriebskosten | 4427 | 1 4278 | 0,85 | 4133 | 3939 | |
(Mill. Einheiten pro Jahr) | 0,94 | |||||
Kapitalindex | 1,0 | 1,23 | Hierzu 2 Blatt Zeichnungen | 1,22 | 1,36 | |
Energieindex | 1,0 | 0,90 | 0,86 | 0,77 | ||
Betriebsindex | 1,0 | 0,97 | 0,93 | 0,89 | ||
Claims (8)
1. Kontinuierliches Verfahren zur Entfernung von Kohlendioxid und/oder Schwefelwasserstoff aus
einer Beschickungsgasmischung durch Berührung ί 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 VoI.-% Kohlendioxid und/oder Schwefelwasserstoff, wobei sich der VoL-Pro- η
zentsatz auf das Gesamtvolumen der in die Absorptionszone eingeführten Mischung aus
(A) und (B) bezieht, bei einer Einlaßtemperatur in die Absorptionszone (7J) für die Beschikkungi'jasmischung
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 (Ti) von 4Γ bis 72°C zwecks Absorption des Kohlendioxids
und/oder Schwefelwasserstoffes in Berührung bringt.
(c) mindestens den größten Teil der abwärts fließenden, das saure Gas enthaltenden Alkanolaminlösung
durch eine Kühlzone zwecks Verminderung üer Te ,iperatur der Lösung
führt, nachdem die Lösung eine Temperatur von 57° bis 85° C erreicht i tt, 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 (7}) 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 zuriickgeführten,
regenerierten Alkanolaminlösung leitet, um die Temperatur der reichen Lösung (Ti)
auf 77° bis 9PC 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 (7i) 68° bis
82° C 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 der in den
Stripper eingeführten Lösung abtrennt, wobei das abgetrennte Wasser in Form von Wasserdampf
vorliegt, und die Mischung über Kopf aus der Strippzone entfernt;
(i) dje restliche Lösung aus Stufe (h) vom Boden der Strippzone bei einer Temperatur (7i)
zwischen 116° bis 138" C entfernt;
(j) die heiße regenerierte Lösung aus Stufe (i) in Wärmeaustauschbeziehung zu den Lö-ungen in
Stufe (d) und (f) leitet und dann zu einer Kühlzone führt, wo die Temperatur (Γι) auf 4Γ
bis 72°C verringert wird; und
(k) die Lösung aus Stufe (j) zur Absorptionszone zurückführt.
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 eine
Monoäthanolaminlösung mit einer Konzentration zwischen 15 bis 70 Gew.-% ist
4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur 7*2 zwischen
57° bis 85° C liegt.
5. 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.-Teilen Antimonverbindung 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 Teilen Vanadiumverbindung beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6. dadurch gekennzeichnet, daß die Alkanolaminlösung eine
inerte organische Verbindung enthält
8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beladung mit saurem Gas
etwa 036 m/m beträgt.
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