DE60006298T2 - Verfahren zur Herstellung von Kohlendioxid - Google Patents

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für die Erzeugung von Kohlendioxid.
  • Stand der Technik
  • Kohlendioxid weist eine große Anzahl von Verwendungszwecken auf. Zum Beispiel wird Kohlendioxid zum Karbonisieren von Getränken, zum Abschrecken, Gefrieren und Verpacken von Meeresfrüchten, Fleisch, Geflügel, Backwaren, Früchten und Gemüsen verwendet, und um die Haltbarkeit von Molkereiprodukten zu erhöhen. Kohlendioxid ist eine wichtige Umweltkomponente in industriellen Abströmen und der Verfahrenswasserbehandlung als ein Ersatz für Schwefelsäure zur Steuerung von pH-Pegeln. Andere Verwendungszwecke beinhalten die Trinkwasserbehandlung, den Einsatz als ein umweltfreundliches Pestizid und als ein Atmosphärenzusatz in Gewächshäusern für ein verbessertes Gemüsewachstum.
  • Im allgemeinen wird Kohlendioxid durch die Reinigung eines Abstroms erzeugt, der ein Nebenprodukt eines organischen oder anorganischen chemischen Verfahrens ist. Der das Kohlendioxid aufweisende Abstrom wird kondensiert und anschließend in einer Destillationskolonne zur Erzeugung des Kohlendioxids mit Produktqualität verarbeitet.
  • US-A-4 704 146 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von Kohlendioxid, wobei im Zuge des Verfahrens:
    • (A) ein Kohlendioxid, Methan und Methanol aufweisender Einsatz mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem Wärmeaustauschfluid partiell kondensiert, der partiell kondensierte Einsatz in einen kondensierten Einsatzteil und einen Dampfeinsatzteil phasengetrennt, der kondensierte Einsatzteil abgelassen und der Dampfeinsatzteil in eine Kolonne übergeleitet wird;
    • (B) der Einsatz innerhalb der Kolonne zu leichtem Überkopf und Kohlendioxidprodukt getrennt wird;
    • (C) der leichte Überkopf mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschfluid zur Erzeugung von Rücklaufflüssigkeit und Restdampf partiell kondensiert wird;
    • (D) Rücklaufflüssigkeit in der Kolonne nach unten geführt wird;
    • (E) Kohlendioxidprodukt von dem unteren Bereich der Kolonne gewonnen wird; und
    • (F) Kohlendioxidprodukt mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem Wärmeaustauschfluid unterkühlt wird.
  • Bei einer anhaltend wachsenden Nachfrage nach Kohlendioxid werden marginalere Kohlendioxidquellen benutzt, um den Rohkohlendioxideinsatz dem Reinigungssystem zuzuführen. Derartige marginale Einsätze können signifikante Mengen an leichten Verunreinigungen beinhalten und erfordern daher signifikant mehr Energie zur Durchführung der notwendigen Verflüssigung vorgängig vor der Destillation zu Produkt.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Systems, das auf effektive und in energieeffizienterer Weise einen Rohkohlendioxid-Einsatzstrom verarbeiten kann, der leichte Verunreinigungen enthält, als dies mit konventionellen Kohlendioxid verarbeitenden Systemen möglich ist.
  • Zusammenfassung der Endung
  • Die obige Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung gelöst, deren einer Aspekt in einem Verfahren zum Erzeugen von Kohlendioxid gemäß Anspruch 1 besteht.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kolonne" eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder – zone, d.h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines Fluidgemisches zu bewirken, z.B. indem die dampfförmige und die flüssige Phase an einer Reihe von vertikal in Abstand innerhalb der Kolonne angebrachten Böden oder Platten und/oder an Packungselementen wie z.B. strukturierter oder Zufallspackung in Kontakt gebracht werden. Für eine weitere Diskussion von Destillationskolonnen sei verwiesen auf das "Chemical Engineers' Handbook", fünfte Ausgabe, herausgegeben von R.H. Perry und C.H. Chilton, McGraw-Hill Book Company, New York, Abschnitt 13, The Continuous Distillation Process.
  • Trennverfahren mit Dampf-/Flüssigkeitskontakt sind abhängig von den Dampfdrücken der Komponenten. Die Komponente mit dem hohen Dampfdruck (oder die flüchtigere oder niedrigsiedende Komponente) wird dazu neigen, sich in der Dampfphase zu konzentrieren, wohingegen die Komponente mit dem niedrigeren Dampfdruck (oder die weniger flüchtige oder hochsiedende Komponente) dazu neigen wird, sich in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Partielle Kondensation ist das Trennverfahren, bei dem die Kühlung eines Dampfgemisches benutzt werden kann, um die flüchtige(n) Komponente(n) in der Dampfphase und dadurch die weniger flüchtige(n) Komponente(n) in der flüssigen Phase zu konzentrieren. Rektifikation oder kontinuierliche Destillation ist das Trennverfahren, das aufeinanderfolgende partielle Verdampfungen und Kondensationen kombiniert, wie sie durch eine Gegenstrombehandlung der dampfförmigen und flüssigen Phasen erzielt werden. Das Inkontaktbringen der dampfförmigen und flüssigen Phasen im Gegenstrom ist im allgemeinen adiabatisch und kann einen integralen (stufenweisen) oder differentiellen (kontinuierlichen) Kontakt zwischen den Phasen beinhalten. Trennverfahrensanordnungen, die die Prinzipien der Rektifikation zum Trennen von Gemischen benutzen, werden oft als Rektifikationskolonnen, Destillationskolonnen oder Fraktionierkolonnen bezeichnet, wobei diese Begriffe untereinander ausgetauscht werden können.
  • Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe "oberer Teil" und "unterer Teil" die Abschnitte einer Kolonne oberhalb bzw. unterhalb der Kolonnenmitte.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" das Verbringen von zwei Fluiden in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeglichen physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kondensator" einen indirekten Wärmetauscher, in dem ein Kohlendioxid und leichte Verunreinigungen aufweisender Einsatz mindestens partiell kondensiert wird.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "leichte Verunreinigungen" eine oder mehrere Spezies mit einem Dampfdruck, der höher als derjenige von Kohlendioxid ist. Beispiele leichter Verunreinigungen beinhalten Stickstoff; Sauerstoff, Argon, Wasserstoff und Kohlenmonoxid.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid" ein Fluid mit zwei oder mehr Komponenten, die verschiedene Sättigungskurven (Siedepunkte) aufweisen.
  • Ein Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid ist ein Wärmeübertragungsfluid mit mindestens zwei Komponenten. Ströme, die über einen Bereich von Temperaturen partiell kondensieren, werden unter Verwendung bestimmter Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluide effizienter kondensiert, welche durch eine geeignete Auswahl der Komponenten, Zusammensetzung und des Betriebsdrucks dazu ausgelegt sind, der Kondensationswärmeübertragungskurve (Q vs. T) eng zu folgen. Das geeignete Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid minimiert Verfahrensarbeitsverluste durch die Reduzierung des Temperaturunterschieds zwischen dem kühlenden kondensierenden Strom relativ zu dem verdampfenden Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid durch den Partialkondensationswärmetauscher.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Unterkühlen" das Kühlen einer Flüssigkeit auf eine Temperatur, die für den bestehenden Druck niedriger als die Sättigungstemperatur der Flüssigkeit ist.
  • Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe "Turboexpansion" und "Turboexpander" ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung für den Durchfluss von Hochdruckgas durch eine Turbine zur Reduzierung des Drucks und der Temperatur des Gases, wodurch Kälte erzeugt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Die Erfindung weist allgemein die Verwendung eines Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluids auf, das in einem Wärmeaustauschkreislauf umgewälzt wird, um Überkopf von der Destillationskolonne partiell zu verflüssigen, oder um mindestens einen Teil und vorzugsweise den gesamten Einsatz in die Kolonne für die Abtrennung von Kohlendioxid aus leichten Verunreinigungen zu verflüssigen.
  • Das Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid ermöglicht die Durchführung der Verflüssigung mit einer geringeren Energiemenge als diejenige, die erforderlich wäre, wenn eine Turboexpansion zur Erzeugung von Kälte oder wenn ein konventionelles Reinkomponenten-Kältemittel zum Absorbieren der Kondensationswärme benutzt werden würde.
  • Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnung beschrieben werden. Nun auf 1 Bezug nehmend wird ein Kohlendioxid, leichte Verunreinigungen und Wasserdampf aufweisender Einsatzstrom 50 typischerweise bei etwa Umgebungsdruck zu einem Kompressor 1 geleitet, worin er auf einen Druck verdichtet wird, der generell in dem Bereich von 413,7 bis 620,5 kPa (60 bis 90 pound pro inch2 absolut (psia)) liegt. Der Einsatzstrom 50 wird typischerweise von dem Ausstrom eines organischen oder anorganischen chemischen Produktionssystems wie z.B. einem System entnommen, das Ethanol und/oder andere Alkohole erzeugt. Die Kohlendioxidkonzentration in dem Einsatz liegt generell in dem Bereich von 25 bis 98 Mol% auf einer Trockenbasis. Die Erfindung ist für die Verarbeitung eines Einsatzes, in dem die leichten Verunreinigungen mindestens 15 Mol% auf einer Trockenbasis ausmachen, besonders nützlich.
  • Ein verdichteter Einsatz 51 wird mittels Durchleitung durch einen wasser- oder luftbetriebenen Kühler 2 gekühlt und kondensierte Feuchtigkeit wird in einem Phasenseparator 3 abgetrennt. Anschließend wird der Einsatz mittels Durchleitung durch einen Kompressor 4 weiter auf einen Druck verdichtet, der generell in dem Bereich von 1930 bis 2241 kPa (280 bis 325 psia) liegt. Ein weiter verdichteter Einsatz 52 wird danach mittels Durchleitung durch Kühler 5 und 6 weiter abgekühlt. Kondensierte Feuchtigkeit wird in einem Phasenseparator 7 abgeführt und der Einsatz wird mittels Durchleitung durch ein Adsorptionsmittelbett 8 weiter getrocknet.
  • Ein gekühlter getrockneter Einsatzstrom 53 wird anschließend mittels Durchleitung durch einen Kolonnenaufkocher 9 auf nahezu seinen Taupunkt abgekühlt und anschließend zu einem Kondensator 10 geführt, worin er durch indirekten Wärmeaustausch mit umwälzendem Reinkomponenten-Wärmeaustauschfluid mindestens partiell kondensiert und vorzugsweise im wesentlichen vollständig kondensiert wird. Vorzugsweise ist das Reinkomponenten-Wärmeaustauschfluid Ammoniak. Andere in der Praxis dieser Erfindung verwendbare Reinkomponenten-Wärmeaustauschfluide beinhalten Propan und halogenierte Kohlenwasserstoff-Kältemittel. Ein sich ergebender kondensierter Einsatz 54 wird durch ein Ventil 11 rasch verdampft und in eine Kolonne 12 eingespeist, und zwar vorzugsweise wie in 1 dargestellt an dem Kopf der Kolonne 12.
  • Nun erneut auf 1 Bezug nehmend wird ein gasförmiges Wärmeaustauschfluid 55 mittels Durchleitung durch einen Kompressor 15 auf einen mäßigen Druck verdichtet und danach in einen Direktkontakt-Nachkühler 16 eingeleitet. Gasförmiges Wärmeaustauschfluid mit mäßigem Druck wird von dem Nachkühler 16 in einem Strom 56 abgezogen und in einem Kompressor 17 auf einen hohen Druck verdichtet. Anschließend wird das Hochdruckfluid mittels Durchleitung durch einen Wärmetauscher 18 durch indirekten Wärmeaustausch mit beispielsweise Wasser oder Luft im wesentlichen vollständig kondensiert und durch ein Ventil 19 in den Nachkühler 16 als das Kühlmedium eingespeist. Abgeschrecktes flüssiges Wärmeaustauschfluid mit mäßigem Druck wird von dem Nachkühler 16 in einem Strom 57 abgezogen. Falls erwünscht und wie in 1 illustriert wird ein Teil 58 des Stroms 57 durch den Kühler 6 geführt, um den Einsatz abzukühlen und anschließend wird es zu dem Nachkühler 16 zurückgeführt. Der restliche Teil des Stroms 57 wird durch ein Ventil 20 geleitet und anschließend in Ströme 59 und 60 aufgeteilt. Der Strom 59 wird mittels einer Leitung zu dem Kondensator 10 geleitet, worin er mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem oben angeführten kondensierenden Einsatz verdampft wird, und resultierendes verdampftes Wärmeaustauschfluid wird von dem Kondensator 10 als ein Strom 61 abgezogen. Der Strom 60 wird in den Unterkühler 13 eingespeist, in dem er mittels indirektem Wärmeaustausch mit unterkühlendem Produkt verdampft wird. Ein sich ergebender verdampfter Strom 62 wird mit dem Strom 61 zur Ausbildung des gasförmigen Stroms 55 kombiniert und der Kühlzyklus mit geschlossenem Kreislauf wird wiederholt.
  • Die Kolonne 12 wird mit einem Druck betrieben, der generell in dem Bereich von 1724 bis 2206 kPa (250 bis 320 psia) liegt. Innerhalb der Kolonne 12 wird der Einsatz mittels Destillation in leichten Überkopf und Kohlendioxidprodukt aufgeteilt. Die Einsatzflüssigkeit strömt in der Kolonne 12 gegen aufsteigenden Dampf nach unten und leichte Verunreinigungen werden aus der nach unten strömenden Flüssigkeit in dem aufsteigenden Dampf ausgestrippt, um den leichten Überkopf an dem Kopf der Kolonne 12 und das Kohlendioxidprodukt an dem Sumpf der Kolonne 12 auszubilden.
  • Kohlendioxidproduktflüssigkeit, die im allgemeinen eine Kohlendioxidkonzentration von mindestens 99,9 Mol% aufweist, wird von dem unteren Bereich der Kolonne 12 in einem Strom 63 abgezogen. Ein Teil 64 wird mittels Durchleitung durch den Aufkocher 9 in indirektem Wärmeaustausch mit Kühleinsatz verdampft und ein sich ergebender verdampfter Teil 65 wird in die Kolonne 12 zurückgeführt, um als der aufsteigende Dampf zu dienen. Ein weiterer Teil 66 des Stroms 63 wird mittels Durchleitung durch den Unterkühler 13 unterkühlt, durch das Ventil 14 geleitet und als Produktkohlendioxid in einem Strom 67 gewonnen.
  • Ein leichter Überkopfdampf 68, der einen erhöhten Anteil an leichten Verunreinigungen gegenüber denjenigen in dem Einsatz und zusätzlich etwas Kohlendioxid enthält, wird von dem oberen Bereich der Kolonne 12 abgezogen, mittels Durchleitung durch einen Wärmetauscher 71 partiell kondensiert und in einen Phasenseparator 31 eingespeist. Nicht kondensierte dampfförmige Restverunreinigungen werden in einem Dampfstrom 69 aus dem Phasenseparator 31 herausgeleitet und mittels Durchleitung durch den Wärmetauscher 71 vor dem Abzug von dem System erwärmt. Die resultierende Rücklaufflüssigkeit wird in einem Strom 70 von dem Phasenseparator 31 in den oberen Bereich der Kolonne 12 und anschließend in der Kolonne 12 nach unten geführt.
  • Der Wärmetauscher 71 wird durch eine Umwälzung eines Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluids angetrieben, das vorzugsweise aus dem zum Antrieb des Wärmetauschers 10 benutzten Kältemittel, z.B. Ammoniak, und einer zweiten kälteren Siedespezies, z.B. Stickstoff besteht. Weitere verwendbare kältere Siedespezies beinhalten Argon, Methan, Ethan und Kältemittel mit den Bezeichnungen R14, R23, R32 und R125. Ein Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid 72 wird in einem Kompressor 73 verdichtet, anschließend gekühlt und vorzugsweise partiell oder vollständig mittels Durchleitung durch einen Wärmetauscher 74 durch indirekten Wärmeaustausch mit einem geeigneten Kühlfluid wie z.B. Wasser oder Gebläseluft kondensiert. Ein resultierendes Fluid 75 wird mittels Durchleitung durch einen Wärmetauscher 76 weiter kondensiert und/oder unterkühlt und anschließend in zwei Teile aufgeteilt. Ein erster Teil 77 wird mittels Durchleitung durch ein Ventil 78 druckverringert und danach durch den Wärmetauscher 71 geleitet, um den leichten Überkopfdampf partiell zu kondensieren. Ein zweiter Teil 79 wird durch ein Ventil 80 druckverringert und danach durch den Wärmetauscher 76 geführt, um das Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid 75 zu kondensieren und/oder zu unterkühlen. Die Ströme 77 und 79 werden zur Ausbildung des Stroms 72 erneut kombiniert und der Kühlzyklus mit geschlossenen Kreislauf wird wiederholt.
  • Mit der Verwendung dieser Erfindung ist nun eine effiziente und effektive Bereitstellung von Kohlendioxid mit Produktqualität mittels Tieftemperaturrektifikation aus einem Einsatz möglich, der signifikante Pegel an leichten Verunreinigungen enthält.

Claims (2)

  1. Verfahren zum Erzeugen von Kohlendioxid, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) ein Einsatz (50), der Kohlendioxid und leichte Verunreinigungen enthält, mittels indirekten Wärmeaustausch mit umgewälztem Reinkomponentenwärmeaustauschfluid (55) kondensiert wird und der kondensierte Einsatz in eine Kolonne (12) übergeleitet wird; (B) der Einsatz innerhalb der Kolonne in leichten Überkopf (68) und Kohlendioxidprodukt (63) zerlegt wird; (C) leichter Überkopf (68) mittels indirektem Wärmeaustausch mit Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid (72) teilweise kondensiert wird, um Rücklaufflüssigkeit (70) und verbleibende dampfförmige Verunreinigungen (69) zu erzeugen; (D) Rücklaufflüssigkeit (70) von den verbleibenden dampfförmigen Verunreinigungen (69) abgetrennt wird und Rücklaufflüssigkeit (70) in der Kolonne (12) nach unten geleitet wird; (E) Kohlendioxidprodukt (63) von dem unteren Bereich der Kolonne (12) gewonnen wird; und (F) das Kohlendioxidprodukt (66) mittels indirektem Wärmeaustausch mit dem umgewälzten Reinkomponentenwärmeaustauschfluid (55) unterkühlt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Mehrkomponenten-Wärmeaustauschfluid (72) Ammoniak und Stickstoff aufweist.
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