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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung
der Produktion von Gas in einem Oxidationsprozess und insbesondere Verfahren
und eine Vorrichtung zum Umgang mit Aerosolen vor einer Gasnachbearbeitungskolonne.
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Hierauf
bezogene Erfindungen schließen eine
frühere
Patentanmeldung für
ein Verfahren und eine Vorrichtung für die Herstellung einer oder
mehrerer nützlicher
Produkte aus halogenierten Materialien von geringerem Wert ein,
die internationale PCT-Anmeldung PCT/US/98/26298, veröffentlicht am
01. Juli 19991, mit der internationalen Veröffentlichungsnummer WO 99/32937.
Die PCT-Anmeldung offenbart
Verfahren und eine Vorrichtung zum Umwandeln eines Zuführstroms,
der im Wesentlichen halogenierte Materialien umfasst, insbesondere
Nebenprodukte und chlorierte Abfallkohlenwasserstoffe, wie sie aus
einer Vielzahl von chemischen Herstellungsverfahren entstehen, zu
einem oder mehreren "Produkten
mit höherem
Wert" über einen
Wiederherstellungsschritt mit teilweiser Oxidation in einem Vergasungsreaktor.
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Der
Begriff "Oxidationsverfahren", wie er hierin verwendet
wird, bezieht sich auf ein Vergasungsverfahren oder ein thermisches
Behandlungsverfahren allgemein, in dem eine Absorptionskolonne auf
der Eintrittsseite einer Gasnachbearbeitungskolonne angewendet wird.
Typischerweise wird in solchen Verfahren Säure aus einem gasförmigen Strom in
Wasser aufgenommen. Unter geeigneten Anordnungs- und Verfahrensbedingungen
kann eine konzentrierte wässrige
Säure aus
einer Absorptionskolonne erhalten werden. Solch eine Säure hoher
Qualität
kann unter einigen Bedingungen und Umständen gereinigt werden oder
weiter verarbeitet werden und als ein Produkt verkauft werden, einschließlich eines anhydrierten
Produktes.
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Zusätzlich kann
ein Synthesegas (Syngas), das in erster Linie Kohlenmonoxid und
Wasserstoff enthält
und geringere Anteile an Wasserdampf und Kohlendioxid enthält, aus
dem oberen Bereich einer Absorptionskolonne wiedergewonnen werden.
Dieser gasförmige
Strom kann unter einigen Umständen in
einer Gasnachbearbeitungseinheit zu einem verkäuflichen oder verwendbaren
Produkt weiterverarbeitet werden. Eine Gasnachbearbeitungseinheit schließt typischerweise
eine Gasnachbearbeitungskolonne oder eine sekundäre Nachbehandlungsreinigungsvorrichtung
ein, um kleine Mengen an Säure, die
noch in dem Prozessgasstrom enthalten sein können, zu entfernen.
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Während früherer zuvor
durchgeführter
Verfahren, wie z.B. Quenchen, Reinigen und Absorption kann jedoch
ein Aerosol, das mikrometergroße
Tröpfchen
flüssiger
Säure enthält, in dem
Prozessgasstrom gebildet werden. Solch ein Aerosol kann z.B. gebildet
werden, wenn die Rate des Wärmetransfers größer ist
als die Rate des Massentransfers, was zu einer Übersättigung einer Dampfphase und
einer heterogenen Nukleusbildung führt. Die Bildung von Aerosolen
in einem Gasprozessstrom hängt
von den Einlassbedingungen in einem Absorptionsweg ab. Das Verhindern
der Aerosolbildung unter Prozessbedingungen ist typischerweise schwierig,
was das derzeitige Stadium des Verständnisses für dieses Phänomen wiedergibt.
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Wenn
es einmal gebildet ist, ist ein Säureaerosol (oder "Nebel") bedauerlicherweise
gegenüber einer
Absorption in konventionell gepackten Absorbern oder Absorberkolonnen
mit Böden
oder Bearbeitungseinheiten resistent. Eine Lösung ist es, sich einer zusätzlichen
intensiven Reinigungstechnologie zuzuwenden, von der Sorte, die
typischerweise zum Entfernen feiner Partikel verwendet wird, wie
z.B. Venturi-Reiniger mit hoher Energie, Reiniger mit ionisierender
Feuchtigkeit und Tiefbettfaser-Polsterfiltern.
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Als
eine neue und verbesserte Alternative zum Umgang mit Säureaerosolen
aus der Absorberkolonne lehrt die vorliegende Erfindung das Erwärmen des
Prozessgasstromes ("Gasstrom" wird hier verwendet,
um Gas und/oder Dampf und/oder Aerosol zu bezeichnen) nach einem
Säureabsorber-Prozessschritt
und vor einem Gasnachbearbeitungsschritt. Das Erwärmen reduziert
die relative Feuchtigkeit des Gasstroms, typischerweise von einer
vollständigen
Sättigung
zu etwas weniger als Sättigung (ungefähr 80 Prozent).
Wenn eine ausreichende Verweilzeit gegeben ist (welche in einigen
Situationen ungefähr
eine Sekunde sein sollte) kann das Säureaerosol vollständig verdampft
werden. Am wichtigsten ist, dass wenigstens die feinsten Tröpfchen verdampft
werden. Der Gasstrom, in dem im Wesentlichen alle Säure verdampft
ist, kann dann effizient und wirksam in einem sekundären Reiniger
oder einer Gasnachbearbeitungskolonne gereinigt werden. Diese Gasnachbearbeitungskolonne
ist ein Verfahrensschritt, der Standardverfahrensdurchführungen und
gut bekannte Verfahren anwendet. Wegen des jetzt hohen Grades an
Diffusion des Säuregases oder
-dampfes in dem Gasstrom, kann eine Standardgasnachbearbeitungskolonne
das verbleibende Säuregas
in großem
Umfang entfernen.
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Das
Erwärmen
des Prozessgasstroms zwischen einer Absorptionseinheit und einer
Gasnachbearbeitungskolonne kann auf verschiedene Arten erreicht
werden. Eine bevorzugte Ausführungsform ist
es, einen Wärmeaustauscher
zu verwenden, um alle oder Teile des Prozessgasstroms wieder zu
erwärmen.
Da jedoch der Prozessgasstrom kleine Mengen Säure enthält, müssen die Konstruktionsmaterialien
solch eines Wärmeaustauschers
sorgfältig ausgewählt werden.
Ein zweites bevorzugtes Verfahren ist es, eine kleine Menge an erwärmtem nachbehandeltem
Gas von nach dem zweiten Reiniger oder nach der Gasnachbearbeitungskolonne
wieder einzuführen.
Das nachbehandelte Gas kann im Rahmen des Ablaufs erwärmt werden,
wie z.B. in einem Kompressor nach der zweiten Gasnachbearbeitungskolonne.
Ein Teil dieses erwärmten,
trockenen nachbehandelten Gases kann wieder in den Kreislauf eingeführt werden
und mit dem Gasstrom vor dem Eintritt in die Gasnachbearbeitungskolonne
gemischt werden, um eine gewünschte
relative Feuchtigkeit und Temperatur zu erreichen, so dass innerhalb
der Verweilzeit, die zur Verfügung
steht, wenigstens ein wesentlicher Teil der Säuretröpfchen, die ein Aerosol in dem
Prozessgasstrom enthält,
verdampft werden. Bevorzugt ist die vollständige Säureaerosolverdampfung.
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Die
Erfindung schließt
Verfahren zum Verbessern der Herstellung säurefreien Synthesegases in
einem Oxidationsverfahren ein durch Erwärmen eines Gasstromes aus einer
Absorptionseinheit, die ein Säureaerosol
enthält,
um wenigstens einen wesentlichten Anteil der Säuretröpfchen, die in dem Gasstrom getragen
werden, zu verdampfen. Das Verfahren schließt das Fließen des erwärmten Gasstromes in eine Gasnachbearbeitungskolonne
ein. In einer Ausführungsform
wird das Erwärmen
durch Wiedereinführen
eines Teils des erwärmten
Gases von der Gasnachbearbeitungskolonne in den Gasstrom zwischen
der Absorptionseinheit und der Gasnachbearbeitungskolonne erreicht.
Gemäß einer zweiten
Ausführungsform
wird der Gasstrom mit einem Wärmeaustauscher
erwärmt.
Ein weiteres Verfahren schließt
das Erwärmen
durch Mischen mit einem nichtrecycelten heißen trockenen Gas, wie z.B. Luft,
ein. Eine Kombination dieser Verfahren kann auch angewendet werden.
Bevorzugt stellt das Verfahren in allen Fällen eine ausreichende Verweilzeit zwischen
dem Erwärmungs-
und/oder Mischungsschritt und der Gasnachbearbeitungskolonne bereit, um
eine Verdampfung von im Wesentlichen allen Säuretröpfchen, die das Aerosol in
dem Gasstrom aus der Absorptionseinheit belasten, zu erlauben.
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Die
Erfindung schließt
auch eine Vorrichtung zur Verwendung bei der Herstellung eines Synthesegases
in einem Oxidationsprozess ein. Die Vorrichtung umfasst eine Säureabsorptionskolonne
in fluider Verbindung mit und auf der Eintrittsseite eines Wärmeaustauschers,
der wiederum in fluider Verbindung mit und auf der Eintrittsseite
von einer Gasnachbearbeitungskolonne steht. Alternativ schließt die Vorrichtung
eine Gasmischanlage (z.B. einen Gas-Verteiler mit mehreren Eingängen in
Kombination mit einem statischen Mischer) anstelle des Wärmeaustauschers
ein und sorgt entweder dafür,
dass Gas von nach der Gasnachbearbeitungskolonne in den Gasmischer
wieder eingeführt
wird, oder sorgt für
eine anderweitige Verbindung des Mischers mit einer Quelle heißen trockenen
Gases.
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung kann erreicht werden, wenn die folgende detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Zusammenhang
mit den folgenden Abbildungen betrachtet wird, in denen:
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1 ein
Blockflussdiagramm einer Ausführungsform
eines Vergasungsverfahrens ist, in diesem Beispiel ein Vergasungsverfahren
für halogenierte Materialien.
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2 stellt
eine Ausführungsform
eines Vergasers für
die Verwendung in einem Vergasungsverfahren dar, in diesem Fall
ein Vergasungsverfahren für
halogenierte Materialien, wie in 1.
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3 stellt
eine Ausführungsform
einer Quencheinheit für
die Verwendung in einem Vergasungsverfahren für halogenierte Materialien,
wie in 1, dar.
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4 stellt
eine Ausführungsform
für eine Säureabsorptionseinheit
für die
Verwendung in einem Vergasungsverfahren, wie für das Beispiel der 1,
dar.
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Die 5A und 5B stellen
Ausführungsformen
für eine
Gasnachbearbeitungseinheit dar, wie für das Beispiel der 1,
einschließlich
den bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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Eine
besondere Ausführungsform
eines Vergasungsverfahrens für
halogenierte Materialien wird für
Verständniszwecke
diskutiert, um das vorliegende Problem und seine Lösung zu
zeigen. Die Ausführungsform
des Verfahrens umfasst 5 größere Prozessbereiche,
die in dem Blockflussdiagramm der 1 dargestellt
sind.
- 1. Vergaser 200
- 2. Quench 300
- 3. Besonderes Entfernen und Wiedergewinnen 350.
- 4. Wiedergewinnen wässriger
HCl und Reinigen 400, 450
- 5. Synthesegasnachbearbeitung 700.
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Jeder
Bereich der Ausführungsform
wird kurz diskutiert, wobei RCl's
(chlorinierten organischen Materialien) als ein beispielhaftes halogeniertes
Zuführmaterial
verwendet werden.
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Inital
werden die RCl- oder halogenierten Materialzuflüsse bevorzugt in einem Zuführtank gemischt,
von dem aus sie durch einen Vorerwärmer hindurchgepumpt werden
und dem Vergaserbereich 200 zugeführt werden, wie es in 2 gezeigt
ist. In dem Vergaserbereich 200 und unter Beibehaltung der
Lehren unserer früheren
Anmeldung, auf die oben Bezug genommen wurde, wird die Vergasung des
RCl-Stroms 144 bevorzugt in einem primären Vergaser R-200 und
in einem sekundären
Vergaser R-210 erreicht. Der Strom 144 wird somit
in den primären
Reaktor R-200 mit Sauerstoff und Dampf 298 über den
Hauptbrenner BL-200 zerstäubt. In einer strengen Vergasungsumgebung
(die Betriebstemperaturen und -drücke in R-200 sind
bevorzugter im Bereich von 1.450°C
und 5 bar (75 psig)), werden die RCl oder ähnliche Komponenten teilweise
oxidiert und zu Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Chlorid, Wasserstoff
und geringeren Mengen Wasserdampf und Kohlendioxid umgewandelt,
mit Spuren anderer Substanzen, einschließlich Ruß (welcher im Wesentlichen
Kohlenstoff ist). Die Produkte aus R-200 fließen dann
in den zweiten Reaktor R-210, worin alle Reaktionen bis
zur Vervollständigung
ablaufen, wodurch hohe Wirksamkeiten für alle halogenierten Spezies erzielt
werden und was dazu tendiert, ungewünschte Nebenprodukte, wie z.B.
Ruß, zu
minimieren. Der primäre
Vergaser R-200, der in der bevorzugten Ausführungsform
dargestellt ist, wirkt als ein von unten befeuerter, dabei gerührter Reaktor,
dessen prinzipielle Zwecke es sind, die Flüssigkeiten, die in R-200 zugeführt werden,
zu zerstäuben,
die Flüssigkeiten zu
verdunsten und die verdampften Zuflüsse gründlich mit Sauerstoff, Moderator
und heißen
Reaktionsprodukten zu mischen. Der sekundäre Vergaser R-210 weist
flussverringernde Charakteristiken auf und ist prinzipiell so gestaltet,
dass er eine ausreichende Verweilzeit für die vollständige Umbildung der
Materialien zu dem gewünschten
Synthesegas und hydrierten Halogenprodukten bereitstellt.
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Heiße Gase
aus dem Reaktor R-210 werden in einer Quencheinheit 300 durch
direkten Kontakt mit einem zirkulierenden Wasserstrom gekühlt. 3 stellt
eine Ausführungsform
einer Quencheinheit dar. Das aus dem Reaktor ausfließende Synthesegas
und der rezirkulierende wässrige
Strom werden in einem mit einem Wehr versehenen Quenchbehälter gemischt.
Die Mischung fließt
dann in eine Dampf-Flüssigkeits-Separationstrommel,
aus der ein gequenchter Gasstrom oben heraustritt und eine unten
befindliche Flüssigkeit
gekühlt
und zu dem Quench wiedereingeführt
wird. Wenigstens ein abgezweigter Strom der unten befindlichen Flüssigkeit wird
bevorzugt zu einer Filtereinheit geführt, um darin enthaltene Feststoffe
zu entfernen.
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Teilchen
in dem Gasstrom, der oben aus dem Quench-Dampf-Flüssigkeits-Separator austritt, bestehend
in erster Linie aus Ruß,
werden bevorzugt aus dem Gasstrom in einem Zerstäuber oder Reiniger entfernt,
bevorzugt in einem nassen Belüftungsreiniger.
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Aus
dem Quenchbereich 300 wird ein teilchenfreier Synthesegasstrom
aus dem Dampf-Flüssigkeits-Separator-Reiniger
in eine HCl-Absorptionskolonne 400 eingeführt, die
detaillierter in 4 dargestellt ist. Ein Gasstrom
von nicht kondensierbaren Synthesegaskomponenten, einschließlich einiger Säureaerosole,
tritt durch den Absorber oben hinaus und in eine Synthesegasnachbearbeitungseinheit 700 ein,
die detaillierter weiter unten diskutiert wird, im Zusammenhang
mit den 5A und 5B.
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In
der Absorptionseinheit 400 wird in dem Synthesegasstrom
befindliches HCl absorbiert, um einen unteren Strom konzentrierter
wässriger
Säure zu
bilden. Dieser wässrige
Säurestrom
wird bevorzugt gefiltert und tritt durch ein Absorptionsbett 450 hindurch,
um letzte Verunreinigungen von Teilchen und organischen Substanzen
zu entfernen, was ein wässriges
HCl-Produkt ergibt.
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Ein ätzender
Reiniger oder Nachbearbeitungsturm und ein das Synthesegas aufwirbelndes System
sind Elemente, die einen Teil einer Snythesegasnachbearbeitungseinheit 700 bilden
können.
Eine bevorzugte Ausführungsform
eines ätzenden
Reinigers, oder einer Synthesegasnachbearbeitungskolonne verwendet
den Zellausfluss in einem weiter unten gelegenen Bereich einer Kolonne,
um letzte Spuren von HCl aus dem Synthesegasstrom, die aus der Absorbereinheit 400 herausfließen, zu
absorbieren.
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Es
kann Wasser in dem oberen Bereich der Kolonne für einen letzten Waschschritt
des Produktsynthesegases verwendet werden. Das oben liegende Synthesegasprodukt
kann zu einem dafür
geschaffenen Aufwirbelsystem geleitet oder aufgewirbelt werden.
Die verbrauchte Lösung
aus den unteren Teilen der Kolonne kann zu einer geeigneten Abwasserbearbeitungseinrichtung
fließen.
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Nachdem
nun ein Vergasungsverfahren, in der die vorliegende Erfindung Anwendung
finden kann, in allgemeinen Begriffen beschrieben ist, werden nun
bevorzugte Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden
Erfindung beschrieben. Insbesondere unter Bezugnahme auf die 5A tritt
der Gasstrom 418 in eine Gasnachbearbeitungseinheit 700 aus
der Absorptionseinheit 400 ein. Ein Recyclestrom 798 kann
aus einem nachbehandelten Synthesegasstrom 730 erhalten
werden, welcher eine erhöhte Temperatur
(verglichen mit dem Strom 418) besitzt, in dem er in einem
Kompressor C-720 komprimiert worden ist. Durch Mischen
des Stroms 418 mit dem Strom 798 in einem statischen
Mischer 796 erhöht sich
die Temperatur des Mischungsstroms 797 und erniedrigt dessen
relative Feuchtigkeit. Der Mischer 796 kann ein geeignetes
Kanalisieren erlauben, um eine optimale Flussrate für den Strom 798 bereitzustellen,
indem dieser in geeignete Röhren
geführt wird,
die sich von dem Strom 730 abzweigen. Der Gasstrom 730 aus
dem Kompressor C-720 hat auch eine niedrige absolute Feuchtigkeit,
was die mittlere Feuchtigkeit der Mischung weiter reduziert. Bevorzugt
wird ein statischer Mischer 796 bereitgestellt, um zu helfen,
eine vollständige
und schnelle Mischung der Gasströme
sicherzustellen. Die Überführungszeit
in den Röhren
zwischen dem Gasmischer 796 und der Gasnachbearbeitungskolonne
T-710 sollte so konstruiert sein, dass die notwendige Verweilzeit
bereitgestellt wird, um eine vollständige oder nahezu vollständige Verdampfung
des Aerosols in dem Gasstrom 418 zu erreichen. Verweilzeiten
in Größenordnung
von 1 Sekunde sollten in den meisten Fällen ausreichend sein.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann eine Quelle 750 eines nicht recycelten heißen Gases, wie
z.B. Luft, in fluider Verbindung mit dem Gasmischer 796 angeordnet
sein, um einen geeigneten Strom 751 von heißem Gas
bereitzustellen, um es mit dem Prozesstrom 418 zu mischen,
so dass eine vollständige
oder nahezu vollständige
Verdampfung des Aerosols in dem Gasstrom 418 vor der Nachbearbeitungskolonne
T-710 erreicht wird. Eine solche Ausführungsform kann eine besondere
Anwendung in einem thermischen Bearbeitungsverfahren haben.
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In
einer dritten Ausführungsform,
die in 5B dargestellt ist, kann ein
Wärmeaustauscher 799,
aus den erforderlichen Materialien, um einer Säurekorrosion zu widerstehen,
bereitgestellt werden, anstelle eines Gasmischers 796.
Der gesamte oder ein Teil des Gasstroms 418 kann erwärmt werden,
um die erforderliche Verdampfung der Säuretröpfchen in Aerosolform in dem
Strom 418 zu bewirken, bevor der Strom 797 die
Gasnachbearbeitungskolonne T-710 erreicht.
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Naheliegenderweise
wird eine Kombination von Wärmeaustausch
und Einmischen von heißen Gasen
ebenfalls angedacht. Die vorstehende Offenbarung und Beschreibung
der Erfindung ist nur erläuternd
und für
diese erklärend
und es können
verschiedene Änderungen
bei der Größe, Form
und den Materialien, ebenso wie bei den Details des dargestellten
Systems gemacht werden, ohne aus der Idee der Erfindung herauszuführen. Die
Erfindung wird unter Verwendung der Terminologie beansprucht, die von
einer historischen Vermutung abhängt,
dass eine Wiedergabe eines einzelnen Elementes eines oder mehrere
solcher Elemente abdeckt, und die Wiedergabe von zwei Elementen
zwei oder mehr Elemente der spezifizierten Beschreibung und dem
Charakter abdeckt.