DE69908531T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Verbesserung von Rückgewinnung von Kohlendioxyd - Google Patents

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Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von im wesentlichen reinem Kohlendioxid aus einem Kohlendioxideinsatz. Insbesondere bezieht sie sich auf die Steigerung der Kohlendioxidausbeute bei einer Destillationskolonne einer Kohlendioxid-Verflüssigungsanlage durch Verwendung eines Kohlendioxid-Abgaskompressors zum Steigern des Abgasdruckes vor der Kondensation und Restabgas-Expansion.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Kohlendioxid wird konventionell als ein gasförmiges Nebenprodukt aus der Erzeugung von Ammoniak oder Wasserstoff sowie aus Fermentationsanlagen erhalten. Es ist bekannt, das gasförmige Nebenprodukt in reines flüssiges Kohlendioxid durch Destillation bei Ausbeuten von mehr als 94 Gew.% umzuwandeln.
  • Konventionelle Destillationskolonnen, die zum Erzeugen von flüssigem Kohlendioxid benutzt werden, arbeiten typischerweise bei einem Druck von etwa 260 psia und einer Kolonnenkondensatortemperatur von etwa –25°F. Das von dem Kopf der Kolonne als ein Überkopfstrom abgeführte Abgas enthält unter diesen Bedingungen etwa 75 Vol.% Kohlendioxid. Dem entsprechend ist der Betrag an Kohlendioxid, das als Abstrom verloren geht, etwa das Dreifache des Betrags an Verunreinigungen in dem Einsatz. Es folgt daher, dass die Kohlendioxidausbeute signifikant abnimmt, wenn die Konzentration an Kohlendioxid in dem Einsatz sinkt.
  • Die abnehmende Verfügbarkeit an Kohlendioxid-Rohmaterial von mäßig hoher Reinheit (z. B. mehr als 98% Kohlendioxid auf Trockenbasis) hat die Entwicklung von Techniken und Anlagenmodifikationen erzwungen, um Ströme, die wesentlich höhere Pegel an nichtkondensierbaren Verunreinigungen enthalten, effektiv zu gewinnen und zu verflüssigen.
  • Wenn erhebliche Anteile an leichten Verunreinigungen in dem Einsatzstrom zu einer Kohlendioxid-Verflüssigungsanlage vorliegen, nimmt die Menge an Kohlendioxid, das effektiv kondensiert und gereinigt werden kann wegen der Taupunktunterdrückung/Reduktion des Einsatz/Abgasstromes ab. Die 1 und 2 des US-Patents 4,639,257 (das '257-Patent) geben graphisch diesen Taupunktunterdrückungseffekt wieder, bei dem, falls ein Gasgemisch weniger als die Gleichgewichtskonzentration an Kohlendioxid bei der Gefriertemperatur des betreffenden Gemischs enthält, das Kohlendioxid durch Kühlen und partielle Kondensation oder durch Kühlen und Destillation nicht abgetrennt werden kann, weil das Kohlendioxid ausfriert, bevor irgendeine Flüssigkeit gebildet wird. Eine einfache Senkung der Primärkondensationstemperatur des Kältemittels (beispielsweise Ammoniak) zur Steigerung der Kohlendioxidausbeute führt in einer solchen Situation oft zu unerwünschten Ausrüstungskomplikationen und thermodynamischen Leistungsineffizienzen. In Verbindung mit solchen Schwierigkeiten bleibt durch eine Modifikation der Kohlendioxid-Kühlvorrichtung noch immer der Verlust an Arbeit unberücksichtigt, die in dem Hochdruck/Restkohlendioxid-Abgasstrom enthalten ist.
  • Es wurden zahlreiche Versuche unternommen, das zuvor beschriebene Problem zu lösen. Das erste und direkteste Mittel zum Reduzieren des Kohlendioxidverlusts in dem Überkopf-Abstrom einer Kohlendioxidanlage ist einfach die Senkung der Temperatur, bei welcher der Abstrom kondensiert wird. Wenn die Abgastemperatur gesenkt wird, wird der Anteil an Kohlendioxid erhöht, der kondensiert und gewonnen wird. Um niedrigere Abgaskondensationstemperaturen zu erzeugen, müssen Kältemittel wie Kohlendioxid oder Ammoniak bei subambienten Drücken verwendet werden, um die Kaltkondensationsleistung zu absorbieren. Als eine natürliche Folge der thermodynamischen Beschränkungen der Sättigungstemperatur von Ammoniak ist jedoch eine Steigerung des Kolonnendruckpegels häufig die einzige verfügbare Prozessvariable die für eine Leistungsmaximierung maximiert werden kann. Ein erhöhter Kolonnendruck ist jedoch mit einer erheblichen Zunahme der Druckenergieverluste verbunden, welche dem Prozessabstrom zugeordnet sind. Ungeachtet ihrer Mängel wurden diese Optionen jedoch kommerziell genutzt, und sie sind im wesentlichen Industriestandards für die Erhöhung der Kohlendioxidausbeute von existierenden Anlagen.
  • In jüngerer Zeit wurden Prozesse vorgeschlagen, welche die Kohlendioxidausbeute aus Abströmen durch Verwendung von Membran- und/oder Adsorptionseinheiten steigern. Bei Membrananordnungen wird der Kohlendioxidabstrom einer Membran ausgesetzt, die bevorzugt Kohlendioxid diffundiert. Der Permeatstrom, d. h. der mit Kohlendioxid angereicherte Strom, wird dann wieder in den Einsatzkompressionszug eingeleitet, in welchem das umgewälzte Kohlendioxid kondensiert und gewonnen wird. Solche Hybridmembranprozesse wurden in dem '257-Patent sowie in den US-Patenten 4,602,477 und 4,936,887 offenbart. Analog wurden Adsorptionssysteme in Verbindung mit ähnlichen Zielsetzungen vorgeschlagen. Bei diesen Anordnungen wird Kohlendioxid bevorzugt auf einem Adsorptionsmittel adsorbiert. Der Adsorptionsmittelbehälter wird dann entspannt und/oder der mit Kohlendioxid angereicherte Desorptionsstrom wird extrahiert und erneut in die Einsatzkompressions- und Kondensationsgruppe eingeführt. Der Abstrom von einer Destillationskolonne wird in einer Druckwechseladsorptions-Vorrichtung verarbeitet, um einen hochkonzentrierten Kohlendioxidstrom zu erzeugen, der zu dem Kohlendioxideinsatz zurückgeführt wird. US-Patent 4,952,223 zeigt ein Beispiel einer Druckwechseladsorptions-(PSA-)Abgasverarbeitungsvorrichtung, bei welcher reines flüssiges Kohlendioxid aus Kohlendioxideinsätzen niedriger Konzentration, insbesondere Einsätzen mit einer Konzentration an Kohlendioxid von etwa 35 bis etwa 98 Vol.% erzeugt wird.
  • Wie angegeben, gibt es eine Reihe von Hybridprozessen, welche die Abgaskohlendioxidausbeute durch Diffusion (Membranen) und/oder Adsorption (PSA/VPSA) erhöhen. All-gemein unterscheiden sich diese Prozesse wesentlich von der vorliegenden Erfindung hinsichtlich sowohl des Betriebs wie der erforderlichen Ausrüstung. Ein Vergleich des Betriebsverhaltens dieser Hybridprozesse mit der vorliegenden Erfindung zeigt, dass diese Anordnungen mit verschiedenen Nachteilen verbunden sind. Das Betriebsverhalten von Membranen und Druckwechseladsorptionseinheiten zum Erhöhen des Abgaskohlendioxidgehalts ist demjenigen unterlegen, das durch partielle Kondensation und/oder Destillation, wie im Falle der vorliegenden Erfindung, erreicht werden kann. Noch wichtiger ist, dass Membranen und Druckwechseladsorptionseinheiten nicht die Druckenergieverluste des Restabstroms mildern. Außerdem geht sowohl bei Membranen wie bei Druckwechseladsorptionseinheiten Abgasdruckenergie verloren. Letztlich senken beide Prozesse wesentlich den Druck des angereicherten Umwälz-Kohlendioxidstroms (Raffinat/Desorbat). Weil der Umwälzstrom einen niedrigeren Druck hat, muss ferner bei beiden Hybridprozessen entweder ein zusätzlicher Umwälzkompressor vorgesehen werden oder für eine inkrementelle Einsatzkompressor-Größensteigerung gesorgt werden.
  • US-A-4,704,146 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von im wesentlichen reinem Kohlendioxid aus einem Kohlendioxideinsatz, der mindestens 90 Vol.% Kohlendioxid, mindestens 2 Vol.% Methan und einen geringfügigen Prozentsatz an Methanol enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
    • a) Destillieren des Kohlendioxideinsatzes in einer Destillationskolonne, um so ein flüssiges Produkt, welches im wesentlichen reines Kohlendioxid enthält, und einen Überkopfdampfstrom zu erzeugen, der Kohlendioxid enthält;
    • b) Kühlen und partielles Kondensieren des Überkopfdampfstroms;
    • c) Phasentrennen des gekühlten Stroms in einem Phasenabscheider in eine Kondensatflüssigkeit und einen Restdampf; und
    • d) Rückführen der Kondensatflüssigkeit zu der Destillationskolonne, um in dem Destillationsschritt weiter destilliert zu werden.
  • US-A-4,704,146 offenbart ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen von im wesentlichen reinem Kohlendioxid aus einem Kohlendioxideinsatz, der mindestens 90 Vol.% Kohlendioxid, mindestens 2 Vol.% Methan und einen geringen Prozentsatz an Methanol enthält, wobei die Vorrichtung versehen ist mit:
    • a) einer Destillationskolonne zum Destillieren des Kohlendioxideinsatzes, um so ein flüssiges Produkt, das im wesentlichen reines Kohlendioxid enthält, und einen Überkopfstrom zu erzeugen, der Kohlendioxid enthält;
    • b) einem Wärmetauscher zum Kühlen des verdichteten Überkopfdampfstroms, um den Überkopfdampfstrom zu kühlen und den Überkopfdampfstrom zu einem gekühlten Strom teilweise zu kondensieren sowie um einen wesentlichen Teil des in dem Überkopfdampfstrom enthaltenen Kohlendioxids zu kondensieren;
    • c) einem Phasenabscheider zum Phasentrennen des gekühlten Stroms in eine Kondensatflüssigkeit und einen Restdampf; und
    • d) einer Rückführleitung zum Rückführen der Kondensatflüssigkeit zu der Destillationkolonne zwecks weiterer Destillation.
  • Eine weitere für das Reduzieren von Abgasverlusten vorgeschlagene Technik ist nicht auf die Gewinnung von zusätzlichem Kohlendioxid gerichtet. Im Gegenteil, bei diesem Verfahren wird die in dem Kohlendioxid-Abstrom enthaltene Druckenergie zurückgewonnen. Die meisten Kohlendioxid-Verflüssigungs/Destillationsanordnungen arbeiten bei wesentlich über dem Atmosphärendruck liegenden Drücken (z. B. bei Drücken von mehr als etwa 20 atm). Infolgedessen verlassen alle nichtkondensierbaren Stoffe und nichtkondensiertes Kohlendioxid natürlicherweise den Destillations/Kondensationsprozess bei einem solchen Druck. Typischerweise wird nicht versucht oder keine Vorsorge dafür getroffen, die enthaltende Abgas-Druckenergie zurückzugewinnen. Bei steigenden Verunreinigungspegeln steigen jedoch ebenso die Durchflussmenge des Abstroms und der Druckenergieverlust an. Die direkteste Maßnahme zur Rückgewinnung dieser Druckenergie ist die Verwendung einer Hilfsturboexpansion. Im Effekt wird der Abstrom erwärmt und expandiert, wobei die Wellen-Expansionsarbeit zurückgewonnen wird. Diese Option vermeidet das ineffiziente Drosseln des Abstroms und kann wesentliche Energiemengen einsparen. US-Patent 4,977,745 (das '745-Patent) offenbart eine solche Anordnung.
  • Zusammenfassend ist festzuhalten, dass die früheren Versuche, Kohlendioxidabgasverluste zu reduzieren, in erster Linie auf eine Steigerung entweder (i) der Kohlendioxidausbeute oder (ii) der Abgasdruckenergie-Rückgewinnung gerichtet waren.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von im wesentlichen reinem Kohlendioxid entsprechend den Ansprüchen 1 bzw. 7. Die vorliegende Erfindung sorgt für eine Steigerung sowohl der Kohlendioxidausbeute wie gleichzeitig der Abgasdruckrückgewinnung. In dieser Beziehung ist die vorliegende Erfindung insbesondere auf eine Maximierung der andernfalls verlorenen Druckenergie des Restabgasstroms gerichtet. Die vorliegende Erfindung ist besonders effektiv für Verflüssigungs- und Destillationsanlagen, die Prozesskohlendioxid-Abströme verarbeiten, die mehr als 5% leichte Verunreinigungen (z. B. N2, O2, Ar, CH4, H2 und CO) enthalten.
  • Bezüglich der konventionellen verbesserten Kaltkondensationstechniken, die Kohlendioxid von vermindertem Druck oder Vakuumammoniak verwenden, bieten die vorliegende Erfindung eine Alternative für eine verbesserte Kohlendioxidausbeute. Bei den früheren Prozessen wurde der Abstrom nach Verlassen der Kolonne (oder nach vorläufiger Abgaskondensation) unmittelbar einer Kondensation unterzogen. Der Abgasdruck wird effektiv auf einem Wert gehalten, der dem der Kolonne entspricht. Im Gegensatz dazu sorgt die vorliegende Erfindung für die Kompression des Abstromes auf einen Druck über dem Kolonnendruck. Diese Steigerung des Abgasdruckes erzwingt eine Erhöhung des Taupunkts des Abstroms. Dies erlaubt es, dass ein größerer Teil des in dem Abgas enthaltenen Kohlendioxids für jeden gegebenen Temperaturwert kondensiert wird. Infolgedessen ist die Produktausbeute der vorliegenden Erfindung naturgemäß höher als diejenige von früheren Prozessen.
  • Der herausgestellte Abgas-Nachexpansionsprozess gewinnt die Druckenergie des Abstroms effektiv zurück. Der Wert des in dem Expansionsstrom enthaltenen Kohlendioxids ist jedoch oft ausreichend, um eine Gewinnung an Stelle eines Austrags als Niederdruck-Abstrom zu rechtfertigen. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steigert wiederum die Kohlendioxidausbeute durch Abgaskompression, was eine zusätzliche Kohlendioxid-Kondensation/Gewinnung vor der Restabgas-Postexpansion gestattet. Ein Hauptunterschied zwischen der vorliegenden Erfndung und der Anordnung gemäß dem '745-Patent besteht darin, dass bei der vorliegenden Erfndung das Abgas vor Expansion und Kondensation zunächst komprimiert wird, statt, wie zuvor offenbart, nach dem Trennprozess unmittelbar expandiert zu werden.
  • Allgemein gesprochen, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Abstrom, der eine Kohlendioxid-Destillationskolonne in einem Verflüssigungsprozess verlässt, zunächst auf einen erhöhten Druck komprimiert. Der aufgedrückte Abstrom wird dann einem Wärmeaustausch ausgesetzt, indem er gegen siedende Kältemittelflüssigkeit teilweise kondensiert wird. Der teilweise verflüssigte Abstrom wird phasengetrennt, wobei der flüssige Teil zwecks Gewinnung zu der Destillationskolonne zurückgeleitet wird, und der Restabstrom wird dann unter Erzeugung von nutzbarer mechanischer Energie mindestens einer Turboexpansionsstufe unterzogen. Die vorliegende Erfindung stellt damit ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von im wesentlichen reinem Kohlendioxid aus einem Kohlendioxideinsatz bereit, der etwa 80 bis etwa 98 Vol.% Kohlendioxid enthält und das der Anlage zugeführte Gas darstellt, wobei das abgehende Gas etwa 80 bis etwa 50 Vol.% Kohlendioxid enthält. Der Kohlendioxideinsatz wird in einer Destillationskolonne destilliert, um auf diese Weise ein flüssiges Produkt, das im wesentlichen reines Kohlendioxid enthält, und einen Überkopfdampfstrom zu bilden, der Kohlendioxid enthält. Der Überkopfdampfstrom wird in einer Kompressionsstufe komprimiert, um einen verdichteten Strom zu bilden, wobei der Überkopfdampfstrom auf einen Druck verdichtet wird, der ausreicht, damit ein wesentlicher Teil des in dem Überkopfdampfstrom enthaltenen Kohlendioxids kondensiert werden kann. Der verdichtete Strom wird in einem Wärmetauscher zu einem gekühlten Strom gekühlt, um den verdichteten Strom zu kühlen und teilweise zu kondensieren. Der gekühlte Strom wird in einem Phasenabscheider in einer Kondensatflüssigkeit und einen Restdampf phasengetrennt. Die Kondensatflüssigkeit wird zu der Destillationskolonne zurückgeführt, um weiter destilliert zu werden.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Wärmeaustauschschritt mindestens eine Kondensations- und Phasentrennstufe. Die abgetrennte Flüssigkeit wird zu der Destillationskolonne zwecks weiterer Reinigung und Gewinnung zurückgeleitet, und der verbleibende gasförmige Teil des Abgasstroms wird anschließend erwärmt und turboexpandiert. Alternativ kann der Wärmeaustausschritt aus mindestens einer Aufwärm- Wärmeaustauschstufe vor einer unmittelbaren Turboexpansion bestehen. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform stellt die mechanische Energie der Expansion die für die Abgaskompression erforderliche Energie bereit.
  • Der Überkopfdampfstrom kann auf einen Druck von etwa 2413 kPa (350 psia) bis etwa 6205 kPa (900 psia) verdichtet werden. Der verdichtete Strom kann ferner in dem Wärmetauscher unter Verwendung eines abgekühlten Kältemittels mit mäßigem Druck gekühlt werden, das von einem gesonderten Kälteerzeugungssystem bereitgestellt wird. Das Kühlen des verdichteten Stroms kann auf eine Temperatur von etwa –31,7°C (–25°F) bis etwa –54,9°C (–65°F) erfolgen.
  • Der Kohlendioxideinsatz kann verdichtet, getrocknet und gekühlt werden, bevor er in der Destillationskolonne destilliert wird. In dieser Beziehung kann der getrocknete Einsatz in einem Kolonnenaufkocher auf einen Wert nahe seinem Taupunkt gekühlt werden. Der gekühlte, getrocknete Einsatz kann dann gegen Niederdruckkältemittel in einem Kondensator gekühlt werden, bevor er in der Destillationskolonne destillier wird. Das Niederdruckkältemittel in dem Kondensator kann von einem gesonderten Kälteerzeugungssystem bereitgestellt werden.
  • Die Destillation in der Destillationskolonne kann bei einer Temperatur von etwa –23,3°C (–10°F) bis etwa –45,6°C (–50°F) und bei einem Druck von etwa 1793 kpa (260 psia) bis etwa 2344 kPa (340 psia) durchgeführt werden.
  • Es wurde generell gefunden, dass durch Anwendung der Konzepte der vorliegenden Erfindung die Ausbeute des Kohlendioxids einen Wert von etwa 95 Gew.% übersteigen kann.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Figur zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zum Verbessern der Kohlendioxidausbeute in einer Kohlendioxidverflüssigungs- und -destillationsanlage.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Die Figur zeigt schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der einfachen Erläuterung halber wird die vorliegende Erfndung im Zusammenhang mit einer konventionellen Einkolonnen-Kohlendioxid-Destillationsanordnung mit zugehöriger zweistufiger Kälteeinheit dargestellt. Für den Fachmann versteht es sich natürlich, dass die vorliegende Erfndung auf diese besondere Anordnung nicht beschränkt ist.
  • In der Figur wird rohes Einsatzgas 5, das im wesentlichen etwa 80% bis etwa 98% Kohlendioxid, kleinere Mengen (in der Größenordnung von etwa 5% oder mehr) an niedriger siedenden Verunreinigungen (wie N2, O2, Ar, H2, CO und CH4) und Feuchtigkeit enthält, in einem Kompressor 10 von einem nahe dem Atmosphärendruck liegenden Druck auf etwa 414 kPa (60 psia) bis etwa 621 kPa (90 psia) verdichtet. Der verdichtete Strom wird dann in einem Wärmetauscher 20 und einem wassergekühlten Wärmetauscher 21 nacheinander auf eine Temperatur von etwa 26,7°C (80°F) bis etwa 37,8°C (100°F) gekühlt. Alle kondensierte Feuchtigkeit wird in einem Phasenabscheider/Behälter 30 abgetrennt und abgezogen. Der getrocknete Einsatzstrom wird typischerweise auf einen erhöhten Druck von etwa 1931 kPa (280 psia) auf mindestens etwa 2241 kPa (325 psia) in einem Kompressor 40 weiter verdichtet. Nach dem Verdichten in dem Kompressor 40 wird der Einsatzstrom in aufeinander folgenden Wärmetauschern 50 und 60 gegen Kühlwasser und abgekühltes Kältemittel auf eine Temperatur von etwa 1,7°C (35°F) bis etwa 7,2°C (45°F) weiter gekühlt. Der Einsatzstrom wird in einem Abscheiderbehälter 70 wiederum von kondensierter Feuchtigkeit befreit. Der getrocknete Strom wird mittels eines Adsorptionsmittelsystems 80 weiter getrocknet. Bei dem Adsorptionsmittelsystem 80 kann es sich beispielsweise um ein Adsorptionsmittelbett aus Aluminiumoxid handeln. Obwohl nicht dargestellt, können auch Kohlenadsorptionsbetten benutzt werden, um etwaige höhersiedende Kohlenwasserstoffe zu extrahieren.
  • Der gereinigte und getrocknete Einsatzstrom wird dann innerhalb eines Kolonnenaufkochers 90 auf einen Wert nahe bei seinem Taupunkt weiter gekühlt. Diese Temperatur liegt abhängig von der Zusammensetzung des Stroms bei etwa –17,8°C (0°F) bis etwa –12,2°C (10°F). Der Einsatzstrom wird dann in einem Hauptkondensator 100 gegen Niederdruckkältemittel im wesentlichen kondensiert. Der Einsatzstrom wird dann über ein Ventil 110 in einen nahe dem Kopf einer Destillationskolonne 120 liegenden Stelle eingespeist, wo er als Primäreinsatz dient. Kohlendioxid wird von der Flüssigkeit innerhalb der Kolonne 120 gestrippt. Die Kolonne 120 arbeitet bei einer Temperatur von etwa –31,7°C (–25°F) bis etwa –20,6°C (–5°F) und einem Druck von etwa 1862 kPa (270 psia) bis etwa 2206 kPa (320 psia). Flüssiges Kohlendioxid, das im wesentlichen rein ist, wird von der Basis der Kolonne 120 in einer Leitung 121 gesammelt, und ein über eine Leitung 122 laufender Teil dieses Stroms wird in dem Kolonnenaufkocher 90 teilweise verdampft, wobei der so erzeugte Dampf als Strippdampf für die Kolonne 120 dient. Der in einer Leitung 123 verbleibende Teil des flüssigen Kohlendioxids wird auf eine Temperatur von etwa –31,7°C (–25°F) bis etwa –26,1°C (–15°F) innerhalb eines Wärmetauschers 130 gegen Niederdruckkältemittel unterkühlt und über ein Ventil 140 zu einem Speicher übermittelt.
  • Bei dem insgesamt mit dem Bezugszeichen 300 versehenen Kältesystem kann eine Reihe von unterschiedlichen Kältemitteln verwendet werden, um die oben angegebenen Kühl-und Kondensationsaufgaben zu erfüllen. Zu möglichen Kältemitteln, die eingesetzt werden können, gehören R22 (Chlordifluormethan), R717 (Ammoniak) und R290 (Propan). Andere Kältemittel, welche die gewünschten thermodynamischen Eigenschaften haben, können, falls erwünscht, gleichfalls verwendet werden. Kaltes gasförmiges Kältemittel, vorzugsweise Ammoniak, wird von einem niedrigen Druck innerhalb eines Kompressors 150 auf einen Druck von etwa 483 kPa (70 psia) bis etwa 586 kPa (85 psia) verdichtet und in einen Direktkontakt-Nachkühler 160 geleitet. Gasförmiges Kältemittel mit mäßigem Druck wird aus dem Kopf des Nachkühlers 160 in einer Leitung 161 abgezogen und in einem Kompressor 170 auf einen Druck von etwa 1379 kPa (70 psia) bis etwa 1517 kPa (220 psia) verdichtet. Hochdruckkältemittel wird dann in einem Wärmetauscher 180, der mittels Wasser, Gebläseluft oder dergleichen gekühlt sein kann, im Wesentlichen kondensiert. Das verflüssigte Kältemittel wird dann über ein Ventil 190 auf einen Druck von etwa 483 kPa (70 psia) bis etwa 586 kPa (85 psia) entspannt und als Kühlmedium in den Direktkontakt-Nachkühler 160 eingeführt.
  • Ein Strom von gekühltem Kältemittel mit einem mäßigen Druck von etwa 483 kPa (70 psia) bis etwa 586 kPa (85 psia) wird in einer Leitung 162 von dem Boden des Nachkühlers 160 entnommen. Ein in einer Leitung 163 fließender Teil dieses Stroms wird benutzt, um den Einsatzstrom innerhalb des Wärmetauschers 60 abzukühlen. Ein weiterer Teil dieses Stroms wird in eine Leitung 164 abgezweigt und über ein Ventil 200 auf einen Druck von etwa 96 kPa (14 psia) bis etwa 138 kPa (20 psia) weiter entspannt. Ein in einer Leitung 166 fließender Teil dieses verdichteten Stroms absorbiert die Kondensationswärme innerhalb des Haupteinsatzkondensators 100 und sorgt in einer Leitung 168 für die Produktunterkühlung in dem Wärmetauscher 130. Ein weiterer, in einer Leitung 165 fließender Teil dient dem Kondensieren eines Teils des Überkopfabstroms von der Destillationskolonne 120, was unten näher erläutert wird. Die verdampften Niederdruckströme werden wieder zusammengefasst und in dem Kompressor 150 des Kältesystems 300 wie oben angegeben verdichtet.
  • Die Kolonne 120 verlassender Überkopfdampf 124 wird in einem Kompressor 210 auf einen Druck verdichtet, der ausreicht, damit ein wesentlicher Teil des enthaltenen Kohlendioxids innerhalb eines Wärmetauschers 220 kondensiert werden kann. Dieser Druck, der höher als der Kolonnendruck ist, liegt in der Größenordnung von etwa 2413 bis etwa 6206 kPa (etwa 350 bis etwa 900 psia). Der verdichtete Strom in einer Leitung 125 wird in dem Wärmetauscher 220 teilweise kondensiert. Der teilweise kondensierte Strom in einer Leitung 126 wird in einem Behälter 230 phasengetrennt. Die Kondensatflüssigkeit in einer Leitung 231 wird dann über ein Ventil 240 druckentspannt und in den oberen Teil der Kolonne 120 zurückgeführt. Der den Phasenabscheider 230 in einer Leitung 232 verlassende Restdampf wird durch Durchleiten durch den Wärmetauscher 20 und, falls erwünscht, einen Abgaswärmetauscher 250 auf eine erhöhte Temperatur erwärmt, die für eine Expansion in einem Turboexpander 260 geeignet ist. Diese Temperatur liegt in der Größenordnung von etwa 71,1°C (160°F) bis etwa 176,7°C (350°F). Die von dem Turboexpander 260 erzeugte Abtriebswellenenergie kann über eine Welle/Spindel 270 unmittelbar der Kompressionsstufe in dem Kompressor 210 zugeführt werden.
  • Mit der vorliegenden Erfindung soll ein Weg bereitgestellt werden, um die Kohlendioxidproduktion aus typischen Abströmen von Kohlendioxidanlagen zu steigern. Die vorliegende Erfndung braucht nicht auf die in der Figur gezeigte spezielle Konfiguration beschränkt zu werden.
  • Wie oben beschrieben, kann nach der Abgasverdichtung in dem Kompressor 210 ein Kondensationsschritt vorgesehen werden, um Kohlendioxid aus dem Abstrom weiter herauszukondensieren. Zu Optionen für diesen Grundschritt gehören die Verwendung von mehreren Kühlpegeln ebenso wie der Einsatz von mehreren Kältemitteln (z. B. Ammoniak und Kohlendioxid). Der Druck, bei dem dieser Kondensationsschritt durchgeführt wird (oder bei dem diese Kondensationsschritte erfolgen), ist willkürlich und braucht nicht allein durch die Abtriebswellenenergie bestimmt zu sein, die von dem Turboexpander 260 erzielt werden kann.
  • Ferner können gesonderte zusätzliche Kompressionsstufen mit extern zugeführter Energie in dem Kompressor 210 vorgesehen sein, um eine weitere Kondensation des Kohlendioxids zu ermöglichen. Falls erforderlich, kann die Kompressionswärme in einem zusätzlichen Wärmetauscher (unmittelbar vor dem Wärmetauscher 220) entzogen werden, um die Kondensierlast für das kalte Kältemittel zu senken.
  • Als eine weitere Alternative brauchen die flüssigen Einsatzströme zu der Kolonne 120 (d. h. die über die Ventile 110 und 240 laufenden Ströme) nicht an der selben Stelle der Kolonne eingespeist zu werden, falls sie von unterschiedlicher Temperatur sind. Bei einer derartigen Anordnung kann beispielsweise ein gesonderter Kolonnenabschnitt zwischen den beiden Einspeisestellen vorgesehen werden.
  • Es sei festgehalten, dass, obwohl in der Figur nicht dargestellt, zahlreiche Anlagen mit einem integralen Rücklaufkondensator ausgestattet sind, der an dem Kopf der Kolonne 120 angebracht ist. Tatsächlich wird eine unmittelbare Abgaskondensation (bei Kolonnendruck) bereits durchgeführt. Die vorliegende Erfindung ist bei dieser Art von Anordnung gleichfalls anwendbar, da sie für einen Abstrom geeignet ist, der entweder die Kolonne 120 oder einen vorhandenen Abgaskondensator verlässt. Mit der vorliegenden Erfindung wird ein größerer Produktstrom an Kohlendioxid unabhängig von der Konfiguration erzeugt.
  • Die von dem Restabgas-Turboexpander 260 bereitgestellte Abtriebswellenenergie kann (wie in der Figur dargestellt) unmittelbar der Kompressionsstufe 210 zugeführt werden, oder aber auch einem Generator zur Erzeugung von Elektrizität, oder sie kann einfach in einem Bremsfluid abgeführt werden. Das Erwärmen des Expandereinsatzstroms braucht nicht in der in der Figur gezeigten Weise zu erfolgen. Vielmehr kann jedes verfügbare Kompressions- oder Prozessheizmedium oder jeder solcher Strom verwendet werden, um die resultierende Abtriebswellenenergie durch Erhöhen der Einlasstemperatur für die Expansion zu steigern.
  • Die synergistischen Effekte eines wesentlich höheren Kopfdrucks kombiniert mit einer unmittelbaren Nutzung der Expansionsabtriebswellenenergie ergeben einen Prozess, der mit sehr niedriger Energie auskommt. Zusätzlich zu der Energieverminderung kann mit der vorliegenden Erfindung eine wesentliche Steigerung an Produktkohlendioxid aufgrund der Verwendung des Kondensators/Abscheiders erzielt werden. Der Kompositprozess verbessert die Wirksamkeit beider Komponenten.
  • Die Figur zeigt einen optionalen Abwärmetauscher 250. Dabei wird selbstverständlich davon ausgegangen, dass externe Abwärme verfügbar ist. Dies braucht aber nicht der Fall zu sein, um die vorliegende Erfindung anzuwenden. Außerdem kann der Turboexpander 260 aus aufeinander folgenden Expansionsstufen bestehen, um die maximal mögliche Energie aus dem Strom zu extrahieren. Bei einer solchen Anordnung würde der Abstrom erneut erhitzt und mehrere Male expandiert.
  • Die Figur zeigt der Diskussion halber Kompressoren mit hin- und hergehenden Kolben sowie Gegenstrom-Wärmetauscher. Diese Komponenten sind nicht auf solche besonderen Typen beschränkt. Vielmehr können die gezeigten Kompressoren durch andere Arten ersetzt werden, beispielsweise Trocken/Öl-Schraubenkompressoren oder Zentrifugal-Turbomaschinen. In ähnlicher Weise können die Wärmetauscher Mante/Rohr-, Rohr-in-Rohr-, Platten- und Rahmen- oder Platten- und Rippen-Wärmetauscher sein.
  • Die im Umriss oder in Blockform in der Figur dargestellten verschiedenen Komponenten sind einzeln bekannt, und ihr Innenaufbau und Betrieb sind weder für die Durchführung oder Nutzung der vorliegenden Erfindung noch für eine Beschreibung der besten Ausführungsform der Erfindung kritisch.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Erzeugen von im wesentlichen reinem Kohlendioxid aus einem Kohlendioxideinsatz (5), der etwa 80 bis etwa 98 Vol.% Kohlendioxid enthält, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Destillieren des Kohlendioxideinsatzes in einer Destillationskolonne (120), um so ein flüssiges Produkt (121), welches im wesentlichen reines Kohlendioxid enthält, und einen Überkopfdampfstrom (124) zu erzeugen, der Kohlendioxid enthält; b) Komprimieren des Überkopfdampfstromes in einer Kompressionsstufe (210), um einen verdichteten Strom (125) zu bilden, wobei der Überkopfdampfstrom auf einen Druck verdichtet wird, der ausreicht, damit ein wesentlicher Teil des in dem Überkopfdampfstrom enthaltenen Kohlendioxids in Schritt c) kondensieren kann; c) Kühlen des verdichteten Stroms in einem Wärmetauscher (220) zu einem gekühlten Strom, um den verdichteten Strom zu kühlen und teilweise zu kondensieren; d) Phasentrennen des gekühlten Stroms in einem Phasenabscheider (230) in eine Kondensatflüssigkeit (231) und einen Restdampf (232); und e) Rückführen der Kondensatflüssigkeit zu der Destillationskolonne, um in dem Destillationsschritt weiter destilliert zu werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner der den Phasenabscheider verlassende Restdampf (232) in mindestens einem Wärmetauscher (20, 250) erwärmt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ferner der in dem Erwärmungsschritt erwärmte Restdampf einem Turboexpander (260) zugeführt wird, und der erwärmte Restdampf in dem Turboexpander expandiert wird, um Energie an einer Abtriebswelle zu erzeugen.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem ferner die durch den Turboexpander (260) erzeugte Abtriebswellenenergie der Verdichtungsstufe (210) zugeführt wird, um die Verdichtung des Überkopfdampfstroms (124) in den Verdichtungsschritt zu unterstützen.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Kühlschritt das Kühlen des verdichteten Stroms (125) in dem Wärmetauscher (220) unter Verwendung eines unter einem moderaten Druck stehenden gekühlten Kühlmittels, welches von einem getrennten Kühlsystem (300) zugeführt wird, umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner der Kohlendioxideinsatz (5) verdichtet wird, der verdichtete Einsatz getrocknet wird, und der getrocknete Einsatz vor dem Destillieren des Kohlendioxideinsatzes gekühlt wird.
  7. Vorrichtung zum Erzeugen von im wesentlichen reinem Kohlendioxid aus einem Kohlendioxideinsatz (5), der zwischen etwa 80 und etwa 98 Vol.% Kohlendioxid enthält, wobei die Vorrichtung versehen ist mit: a) einer Destillationskolonne (120) zum Destillieren des Kohlendioxideinsatzes, um so ein flüssiges Produkt (121), welches im wesentlichen reines Kohlendioxid enthält, und einen Überkopfdampfstrom (124) zu erzeugen, der Kohlendioxid enthält; b) einer Verdichtungsstufe zum Verdichten des Überkopfdampfstromes, um einen verdichteten Strom (125) zu bilden, so dass ein wesentlicher Teil des in dem verdichteten Überkopfdampfstrom enthaltenen Kohlendioxids kondensiert wird; c) einem Wärmetauscher (220) zum Kühlen des verdichteten Stroms (125), um den verdichteten Strom zu einem gekühlten Strom teilweise zu kondensieren; d) einem Phasenabscheider (230) zum Phasentrennen des gekühlten Stroms in eine Kondensatflüssigkeit (231) und einen Restdampf (232); und e) einer Rückführleitung (231) zum Rückführen der Kondensatflüssigkeit zu der Destillationskolonne (120) zwecks weiterer Destillation.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner versehen mit mindestens einem Wärmetauscher (20, 250) zum Wärmen des den Phasenabscheider verlassenden Restdampfes.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, ferner versehen mit einem Turboexpander (260) zur Aufnahme des erwärmten Restdampfes und zum Expandieren des erwärmten Restdampfes, um Abtriebswellenenergie zu erzeugen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, ferner versehen mit einer Welle (270), die den Turboexpander (260) mit der Verdichterstufe (210) verbindet, um die durch den Turboexpander erzeugte Abtriebswellenenergie der Verdichtungsstufe zuzuführen, um das Verdichten des Überkopfdampfstroms zu unterstützen.
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