EP2736625A1 - Wärmerückgewinnung bei absorptions- und desorptionsprozessen - Google Patents

Wärmerückgewinnung bei absorptions- und desorptionsprozessen

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EP2736625A1
EP2736625A1 EP12733595.8A EP12733595A EP2736625A1 EP 2736625 A1 EP2736625 A1 EP 2736625A1 EP 12733595 A EP12733595 A EP 12733595A EP 2736625 A1 EP2736625 A1 EP 2736625A1
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EP
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desorption
pressure
absorption
heat transfer
solution
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Application number
EP12733595.8A
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Inventor
Johannes Menzel
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ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
Original Assignee
ThyssenKrupp Industrial Solutions AG
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Publication date
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Definitions

  • the present invention relates to an economical process for removing components to be separated from industrial gases by means of absorption and desorption processes.
  • the technical gases are usually natural gas or synthesis gas, wherein the synthesis gas is obtained from fossil fuels such as petroleum or coal and from biological raw materials.
  • Natural gas and synthesis gas contain in addition to the useful valuable gases and interfering components such as sulfur compounds, in particular sulfur dioxide, carbon dioxide and other components to be separated, as well as hydrogen cyanide and water vapor.
  • flue gases from combustion of fossil fuels belong to the group of technical gases, from which also disturbing components, such as e.g. Carbon dioxide are removed.
  • the components to be separated can also be useful gases which are to be separated for a specific purpose.
  • Both physical and chemical absorbents can be used for absorption.
  • Chemically acting absorbents are z.
  • As aqueous amine solutions, alkali salt solutions, etc. Selexol, propylene carbonate, N-methyl-pyrrolidone, Mophysorb, methanol, etc. belong to the physical absorbents.
  • the components to be separated are absorbed by the liquid absorbent. While the solvent-insoluble gas leaves the absorption device at the head, the components to be separated remain dissolved in the liquid absorbent and leave the absorption device at the bottom.
  • the loaded solution is usually preheated by heat exchange with the hot, regenerated solution, recovering some of the energy needed for desorption in the desorption apparatus.
  • a reboiler located at the bottom of the desorption is generated by means of a heating medium vapor by partial evaporation of the solvent at the bottom within the desorption.
  • the steam thus produced acts as a stripping medium in order to expel the component to be separated from the loaded solution.
  • the loaded solution is removed with stripping medium from the recorded components to be separated.
  • the expelled components to be separated leave the desorption apparatus overhead, wherein the vapor portion of the stripping medium is condensed in a top condenser and fed back to the desorption apparatus.
  • the regenerated solution freed from the components to be separated leaves the desorption device at the sump, wo in the solution after the heat exchange is usually cooled returned to the head of the absorption device. This completes the cycle of absorption and desorption processes.
  • an absorption temperature of 20 ° C up to 70 ° C proved to be favorable to remove the components to be separated from the technical gas.
  • the laden with components to be separated solution can be regenerated by relaxing to a lower pressure and / or stripping, the components to be separated are released again and / or stripped off by steam. After the regeneration process, the absorbent can be cooled and reused accordingly.
  • the temperature required for desorption in a desorption device is higher than the temperature for absorption by the absorbent in an absorption device.
  • the desorption is operated in most cases at a temperature between 80 ° C to 140 ° C, and an absolute pressure of 0.2 to 3 bar.
  • absorption and desorption heat recovery can be achieved by the heat exchange between réelleadelnder and cooling absorbent solution by means of a heat exchanger.
  • the medium to be heated is desirably preheated
  • the medium to be cooled is likewise cooled down in a desirable manner, as a result of which the regeneration energy requirement to be supplied from outside is significantly reduced.
  • EP 1 606 041 B1 discloses a method for the selective removal of acid gas components from natural gas or synthesis gas, wherein the sour gas component is selectively removed within two absorption stages, in which the loaded solution is depressurized in two stages in a flash vessel to a selected pressure and subsequently is introduced into the desorption for desorption.
  • WO 2010/086039 A1 teaches a method and apparatus for separating carbon dioxide from an exhaust gas of a fossil-fired power plant.
  • the driving modes "split-feed” and “Lean Solvent Flash” combined, only the combination of both steps leads to a more favorable overall system efficiency of the power plant process.
  • the implementation of the method according to WO 2010/086039 A1 requires compared to the prior art, a significantly higher equipment complexity, since in this case both a vacuum compression stage, as well as a further compression stage would be needed.
  • EP 1 736 231 A1 discloses a method and a device for removing carbon dioxide, in which case different variants have been presented in order to improve energy efficiency. Due to the thermal shading presented there, however, only a part of the energy which is supplied to the regeneration device can be recovered, since most of the energy still present in the vapors originating from the flash container described is not returned to the regeneration device but is removed by means of an external cooler and thus lost to the system. In order to be able to transfer the heat sufficiently from and to the enriched solution of the flash tank, a significantly higher level of additional equipment is required, due to additional heat exchangers, coolers, etc. For example, a required intermediate task in the absorber increases the required total height of the absorber and thus also the costs.
  • the invention is therefore based on the problem to provide an economically improved process for the removal of component to be separated from industrial gases by means of absorption and desorption with heat recovery available, in particular to further reduce the energy consumption required externally.
  • the object is achieved by a method for removing components to be separated from technical gases, in which the method by means of absorption and desorption processes, which use liquid absorbent, is realized, wherein at least one absorption device (20) is provided, the at least one mass transfer - Section includes, in which the components to be separated are absorbed by the liquid absorbent, and at least one desorption device (22) is provided, wherein the desorption device (22) at least one heat transfer section (22a), a Stripping section (22b) and a reboiler (23) at the sump, wherein the heat transfer section (22a) is located above the stripping section (22b) and the temperature in the desorption device (22) is higher than the temperature in the absorption device (20 ).
  • the absorption device (20) leaving, loaded with components to be separated solution is warmed by a heat exchanger before this solution of the desorption device (22) is supplied.
  • the additional energy needed for regeneration is supplied by the reboiler (23) in the sump of the desorption device (22).
  • the components to be separated by the stripping medium leave the head of the stripping section (22b) as vapors, which are further introduced into the heat transfer section (22a), cooled accordingly, and leave the desorption device (22) over the head.
  • the freed after desorption of the components to be separated solution leaves the desorption device (22) at the bottom, exchanges the heat in the heat exchanger (21) with the enriched solution, is then cooled and is returned to the absorption device (20).
  • At least a portion of the absorbent device (20) leaving laden solution is diverted before warming and abandoned on the head of the heat transfer section (22a).
  • This loaded partial stream is warmed up by the heat rising from the lower part of the desorption device (22b) by heat exchange in the heat transfer section (22a).
  • the residual flow of the cold, laden solution (5a) leaving the absorption device (20) is released by means of the expansion valve (25) and via the heat exchanger (21) into a pressure relief tank (26), so that the flow leaving the heat exchanger (21) flows into separates a liquid and gaseous state, wherein the pressure in the pressure expansion tank (26) is lowered so that the total energy requirement is reduced in absorption and desorption processes.
  • Heat is transferred from the regenerated solution to the enriched solution in the heat exchanger (21).
  • the temperature difference between the hot, regenerated solution and the warmed, laden solution, as well as between the cooled, regenerated solution and the cold, warm-up, loaded solution should normally be not less than 10K.
  • the heat present in the circuit and in the desorptive device is used efficiently, whereby the additional amount of external energy required in the reboiler (23) is reduced.
  • the energy gain results from the fact that according to the procedure of the invention, the heat exchanger, despite smaller flow rate, the same amount of heat transfers, as in the prior art, the entire flow of the enriched solution is passed through the heat exchanger and additionally the energy, which is recovered from the stripping vapors in the heat transfer section (22a) to the substream of the enriched solution. This reduces the total energy demand during absorption and desorption processes.
  • the reboiler at the bottom of the desorption device (22) continuously supplies the necessary heat in which the stripping medium is heated to the stripping steam by the reboiler.
  • the stripping steam expels the components to be separated from the liquid solvents.
  • the released by the pressure reduction in the pressure relief tank (26) steam is withdrawn from the head of the pressure relief tank (26) and abandoned below the heat transfer section (22a), where he gives his heat to the solution to be heated and cools down as desired.
  • the cooled, separated components leave the desorption apparatus overhead and are ready for further processing, with no condenser or only a significantly smaller condenser needed to cool down the separated components.
  • the pressure can be lowered to 1 or even 0.1 bar greater than the pressure at the top of the desorption device (22). At a pressure reduction to 0.1 bar greater than the pressure at the top of the desorption (22) increases the vapor content.
  • the pressure if convenient, can also be lowered below the pressure at the head of the desorption device (22), the gas phase then having to be conveyed to the top of the desorption device using a gas compressor.
  • the pressure release can be carried out in several series-connected pressure relief tank. This is advantageous if the expansion pressure should be lowered below the pressure in the desorption, since then only this proportion of the vapor must be compressed in order then to promote this in the desorption.
  • the heating by the heat transfer section (22a) may be a direct or indirect heat transfer.
  • the vapor rising from the stripping section (22b) releases its heat to the laden solution to be heated.
  • the heat transfer section (22a) has a mass transfer section equipped with mass transfer elements in which direct heat transfer is carried out using as mass transfer elements all the in-column internals used for heat and mass transfer, e.g. Packings, structured packing, trays (bells, valves, sieve trays) etc. can be used.
  • the trickled down solution absorbs the heat from the rising vapor, the vapor is cooled accordingly.
  • the heat transfer section (22a) may be implemented as a heat exchanger in which indirect heat transfer is performed.
  • the expansion valve (25), heat exchanger (21) and the pressure expansion tank (26) are generally arranged on the floor.
  • An advantageous arrangement of the apparatus may, for example, be such that the expansion valve (25), heat exchanger (21) and the pressure relief tank (26) are applied above the height level of the stripping section (22b).
  • the devices can be arranged arbitrarily, that the inventive method can be performed.
  • the partial flow heated up via the heat transfer section (22a) is applied to the stripping section (22b).
  • a physically or chemically acting absorbent can be used.
  • the process can be used to remove acid gas components from industrial gases.
  • Fig. 1 illustrates a prior art.
  • Fig. 2 illustrates the procedure according to the invention.
  • Fig. 3 illustrates an alternative prior art.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von abzutrennenden Komponenten aus technischen Gasen mittels Absorptions- und Desorptionsprozessen, welche flüssige Absorptionsmittel anwenden, wobei mindestens eine Absorptionsvorrichtung (20) und eine Desorptionsvorrichtung (22) vorgesehen sind, dass mindestens ein Teil der die Absorptionsvorrichtung (20) verlassenden beladenen Lösung vor deren Aufwärmung abgezweigt wird und auf den Kopf der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgegeben wird, und dieser beladene Teilstrom durch den vom unteren Teil der Desorptionsvorrichtung (22b) aufsteigenden Dampf durch Wärmetausch in der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgewärmt wird, und der die Absorptionsvorrichtung (20) verlassende Reststrom der kalten, beladenen Lösung (5a) mittels des Entspannungsventils (25) und über den Wärmetaucher (21) in einen Druckentspannungsbehälter (26) entspannt wird, so dass sich der den Wärmetauscher (21) verlassende Strom in einen flüssigen und gasförmigen Zustand auftrennt, wobei der Druck im Druckentspannungsbehälter (26) derart abgesenkt wird, dass der gesamte Energiebedarf in Absorptions- und Desorptionsprozessen vermindert wird.

Description

Wärmerückgewinnung bei Absorptions- und Desorptionsprozessen
[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein ökonomisches Verfahren zur Entfernung von abzutrennenden Komponenten aus technischen Gasen mittels Absorptions- und Desorptionsprozessen.
[0002] Bei den technischen Gasen handelt es sich meistens um Erdgas oder Synthesegas, wobei das Synthesegas aus fossilen Rohstoffen wie Erdöl oder Kohlen sowie aus biologischen Rohstoffen gewonnen wird. Erdgas und Synthesegas enthalten außer den nutzbaren wertvollen Gasen auch störende Komponente wie Schwefelverbindungen, insbesondere Schwefeldioxid, Kohlendioxid und andere abzutrennende Komponenten, sowie Cyanwasserstoff und Wasserdampf. Neben Erdgas und Synthesegas gehören auch Rauchgase aus einer Verbrennung von fossilen Brennstoffen zur Gruppe der technischen Gase, aus denen ebenfalls störende Komponenten, wie z.B. Kohlendioxid entfernt werden. Bei den abzutrennenden Komponenten kann es sich auch um nützliche Gase handeln, die für bestimmten Zweck aufgetrennt werden sollen.
[0003] Sowohl physikalische als auch chemische Absorptionsmittel können zur Absorption eingesetzt werden. Chemisch wirkende Absorptionsmittel sind z. B. wässrige Aminlösungen, Alkalisalzlösungen etc. Selexol, Propylencarbonat, N-Methyl-Pyrrolidon, Mophysorb, Methanol usw. gehören zu den physikalischen Absorptionsmitteln.
[0004] Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, abzutrennende Komponenten aus den technischen Gasen mit Hilfe von Absorptions- und Desorptionsprozessen in einem Kreislauf zu entfernen. In der Absorptionsvorrichtung werden die abzutrennenden Komponenten von dem flüssigen Absorptionsmittel absorbiert. Während das in Lösungsmittel nicht lösliche Gas die Absorptionsvorrichtung am Kopf verlässt, verbleiben die abzutrennenden Komponenten gelöst im flüssigen Absorptionsmittel und verlassen die Absorptionsvorrichtung am Sumpf. Bevor die beladene Lösung auf den Kopf der Desorptionsvorrichtung zur Desorption aufgegeben wird, wird die beladene Lösung in der Regel über Wärmetausch mit der heißen, regenerierten Lösung vorgewärmt, wodurch ein Teil der Energie, die für die Desorption in der Desorptionsvorrichtung benötigt wird, zurückgewonnen wird.
[0005] Über einen am Sumpf der Desorptionsvorrichtung befindlichen Aufkocher wird mittels eines Heizmediums Dampf durch Teilverdampfung des Lösungsmittels am Sumpf innerhalb der Desorptionsvorrichtung erzeugt. Der so erzeugte Dampf wirkt dabei als Strippmedium, um die abzutrennenden Komponente aus der beladenen Lösung auszutreiben. Im Gegenstrom wird die beladene Lösung mit Strippmedium von den aufgenommenen abzutrennenden Komponenten befreit. Die ausgetriebenen abzutrennenden Komponenten verlassen die Desorptionsvorrichtung über Kopf, wobei der Dampfanteil des Strippmediums in einem Kopfkondensator kondensiert und der Desorptionsvorrichtung wieder zugeführt wird. Die von den abzutrennenden Komponenten befreite regenerierte Lösung verlässt die Desorptionsvorrichtung am Sumpf, wo- l bei die Lösung nach erfolgtem Wärmetausch in der Regel gekühlt auf den Kopf der Absorptionsvorrichtung zurückgegeben wird. Damit ist der Kreislauf des Absorptions- und Desorpti- onsprozessen geschlossen.
[0006] Bei der Absorption, die in den meisten Fällen bei einem Betriebsdruck von 1 bis 100 bar erfolgt hat, sich eine Absorptionstemperatur von 20°C bis zu 70°C als günstig erwiesen, um die abzutrennenden Komponenten aus dem technischen Gas zu entfernen.
[0007] Die mit abzutrennenden Komponenten beladene Lösung kann durch Entspannen auf einen niedrigeren Druck und / oder Strippen regeneriert werden, wobei die abzutrennenden Komponenten wieder freigesetzt und/oder mittels Dampf abgestrippt werden. Nach dem Rege- nerationsprozess kann das Absorptionsmittel entsprechend gekühlt und wiederverwendet werden.
[0008] Die erforderliche Temperatur bei der Desorption in einer Desorptionsvorrichtung ist höher als die Temperatur beim Absorbieren durch das Absorptionsmittel in einer Absorptionsvorrichtung. Die Desorptionsvorrichtung wird in den meisten Fällen bei einer Temperatur zwischen 80 °C bis 140°C, und einem Absolutdruck von 0,2 bis zu 3 bar betrieben.
[0009] Bei Absorptions- und Desorptionsprozessen kann eine Wärmerückgewinnung durch den Wärmetausch zwischen aufzuwärmender und abzukühlender Absorptionslösung mittels eines Wärmetauschers erzielt werden. Durch diesen Wärmetausch wird einerseits das aufzuwärmende Medium in wünschenswerter Weise vorgewärmt, andererseits wird das abzukühlende Medium ebenfalls in wünschenswerter Weise heruntergekühlt, wodurch der von außerhalb zuzuführende Regenerationsenergiebedarf signifikant verringert wird.
[0010] Selbst mit einem idealen Wärmetausch, bei dem die Temperaturannäherung zwischen der heißen regenerierten Lösung und der aufgewärmten beladenen Lösung nahezu null ist, wird bei Absorptions- und Desorptionsprozessen immer noch sehr viel Energie von außerhalb benötigt, um die Regeneration des Lösungsmittels durchzuführen. Aus ökonomischen Gründen wird der Wärmetauscher in der Regel für eine minimale Temperaturannäherung von ca. 10 K zwischen der heißen regenerierten Lösung und der aufgewärmten beladenen Lösung ausgelegt. Dies führt zu einer Erhöhung des von außen zuzuführenden Regenerationsenergiebedarfs.
[0011] EP 1 606 041 B1 offenbart ein Verfahren zur selektiven Entfernung von Sauergaskomponenten aus Erdgas oder Synthesegas, wobei die Sauergaskomponente selektiv innerhalb von zwei Absorptionsstufen entfernt wird, in dem die beladene Lösung in zwei Stufen in einem Flashbehälter auf einen gewählten Druck entspannt und anschließend in die Desorptionsvorrichtung zur Desorption eingeleitet wird.
[0012] Ebenfalls ist ein Verfahren zur Entfernung von Sauergas aus Erdgas in DE 10 2005 030 028 A1 offenbart, in dem der Druck der beladenen Lösung zwischen der Absorptionskolon- ne und der Strippkolonne Stufenweise entsprechend geregelt wird, dass möglichst wenige zusätzliche Energie benötigt wird.
[0013] WO 2010 / 086039 A1 lehrt ein Verfahren und Vorrichtung zum Abtrennen von Kohlendioxid aus einem Abgas einer fossilbefeuerten Kraftwerksanlage. Bei der Kraftwerksanlage angeschlossener Absorptions- und Desorptionsprozess werden die Fahrweisen„Split-Feed" und„Lean Solvent Flash" kombiniert, wobei erst die Kombination beider Verfahrensschritte zu einem günstigeren Gesamtanlagenwirkungsgrad des Kraftwerksprozesses führt. Die Umsetzung der Verfahrensweise nach WO 2010 / 086039 A1 erfordert gegenüber dem Stand der Technik einen signifikant höheren apparativen Aufwand, da in diesem Fall sowohl eine Vakuumkompressionsstufe, als auch eine weitere Kompressionsstufe benötigt würde.
[0014] EP 1 736 231 A1 offenbart ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Entfernung von Kohlendioxid, wobei hier verschiedene Varianten vorgestellt wurden, um die Energieeffizienz zu verbessern. Aufgrund der dort vorgestellten wärmetechnischen Verschattung lässt sich allerdings nur ein Teil der Energie, die der Regenerationseinrichtung zugeführt wird, zurückgewinnen, da der größte Teil der Energie, die noch in den aus dem offenbarungsgemäß beschriebenen Flashbehälter stammenden Brüden vorhanden ist, nicht in die Regenerationseinrichtung zurückgeführt wird, sondern mittels eines externen Kühlers entfernt wird und somit sie dem System verloren geht. Um die Wärme in ausreichender Weise von und zu der angereicherten Lösung des Flashbehälters übertragen zu können, ist ein signifikant höherer apparativer Mehraufwand, bedingt durch zusätzliche Wärmetauscher, Kühler, etc. notwendig. Beispielsweise erhöht eine benötigte Zwischenaufgabe in dem Absorber die erforderliche Gesamthöhe des Absorbers und damit auch die Kosten.
[0015] Aufgrund des wachsenden Bedarfs an Ressourcen ist eine ökonomische Verfahrensweise in allen Gebieten längst eine wichtige Grundlage für die Weiterentwicklung. Es wird daher ein effizientes und kostensparendes Verfahren angestrebt, womit der Energiebedarf für die gesamte Anlage reduziert wird.
[0016] Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein ökonomisch verbessertes Verfahren zur Entfernung von abzutrennenden Komponente aus technischen Gasen mittels Absorptions- und Desorptionsprozessen mit Wärmerückgewinnung zur Verfügung zu stellen, insbesondere den extern benötigten Energieverbrauch weiter zu senken.
[0017] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Entfernung abzutrennenden Komponenten aus technischen Gasen gelöst, in dem das Verfahren mittels Absorptions- und Desorptionsprozessen, welche flüssige Absorptionsmittel anwenden, verwirklicht wird, wobei mindestens eine Absorptionsvorrichtung (20) vorgesehen ist, die mindestens eine Stoffübertragungs- sektion beinhaltet, in der die abzutrennenden Komponenten von dem flüssigen Absorptionsmittel aufgenommen werden, und mindestens eine Desorptionsvorrichtung (22) vorgesehen ist, wobei die Desorptionsvorrichtung (22) mindestens eine Wärmeübertragungssektion (22a), eine Strippsektion (22b) und einen Aufkocher (23) am Sumpf umfasst, wobei die Wärmeübertra- gungssektion (22a) oberhalb von der Strippsektion (22b) angeordnet ist, und die Temperatur in der Desorptionsvorrichtung (22) höher als die Temperatur in der Absorptionsvorrichtung (20) ist.
[0018] Die die Absorptionsvorrichtung (20) verlassende, mit abzutrennenden Komponenten beladene Lösung wird durch einen Wärmetauscher aufgewärmt, bevor diese Lösung der Desorptionsvorrichtung (22) zugeführt wird. Die für die Regeneration benötigte weitere Energie wird durch den Aufkocher (23) im Sumpf der Desorptionsvorrichtung (22) geliefert. Die durch das Strippmedium ausgetriebenen abzutrennenden Komponenten verlassen den Kopf der Strippsektion (22b) als Brüden, die weiter in die Wärmeübertragungssektion (22a) eingeführt, entsprechend gekühlt werden, und die Desorptionsvorrichtung (22) über den Kopf verlassen. Die nach der Desorption von den abzutrennenden Komponenten befreite Lösung verlässt die Desorptionsvorrichtung (22) am Sumpf, tauscht die Wärme im Wärmetauscher (21 ) mit der angereicherten Lösung, wird anschließend gekühlt und wird wieder der Absorptionsvorrichtung (20) zurückgeführt.
[0019] Mindestens ein Teil der die Absorptionsvorrichtung (20) verlassenden beladenen Lösung wird vor deren Aufwärmung abgezweigt und auf den Kopf der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgegeben. Dieser beladene Teilstrom wird durch den vom unteren Teil der Desorptionsvorrichtung (22b) aufsteigenden Dampf durch Wärmetausch in der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgewärmt. Der die Absorptionsvorrichtung (20) verlassende Reststrom der kalten, beladenen Lösung (5a) wird mittels des Entspannungsventils (25) und über den Wärmetauscher (21) in einen Druckentspannungsbehälters (26) entspannt, so dass sich der den Wärmetauscher (21 ) verlassende Strom in einen flüssigen und gasförmigen Zustand auftrennt, wobei der Druck im Druckentspannungsbehälter (26) derart abgesenkt wird, dass der gesamte Energiebedarf in Absorptions- und Desorptionsprozessen vermindert wird.
[0020] Im Wärmetauscher (21 ) wird Wärme von der regenerierten Lösung an die angereicherte Lösung übertragen. Aus ökonomischen Gründen sollte normalerweise die Temperaturdifferenz, zwischen der heißen, regenerierten Lösung und der aufgewärmten, beladenen Lösung, sowie die zwischen der abgekühlten, regenerierten Lösung und der kalten, aufzuwärmenden, beladenen Lösung, nicht kleiner als 10 K sein. Im Fall, dass nur ein Teilstrom der kalten, beladenen Lösung für die Abkühlung des größeren Mengenstroms der regenerierten Lösung zur Verfügung steht, ergibt sich zwangsläufig eine Temperaturdifferenz von größer als 10 K, da der Mengenstrom der angereicherten Lösung kleiner als der Mengenstrom der regenerierten Lösung ist. Um dennoch die in der regenerierten Lösung vorhandene Wärme möglichst vollständig zu nutzen, und die Temperaturdifferenz zwischen der abgekühlten, regenerierten Lösung und der kalten, aufzuwärmenden, beladenen Lösung wieder auf bis ca. 10 K zu reduzieren, wird erfindungsgemäß der Druck mittels des Entspannungsventils (25) im Wärmetauscher (21) auf der Seite des angereicherten Lösungsstroms so abgesenkt, dass durch die dadurch bedingte Teilverdampfung der beladenen Lösung mehr Wärme von der heißen, regenerierten Lösung an die kalte, beladene Lösung übertragen wird. Dadurch wird die im Kreislauf und in der Desorpti- onseinrichtung vorhandene Wärme effizient genutzt, wodurch die zusätzliche im Aufkocher (23) benötigte externe Energiemenge vermindert wird. Der Energiegewinn ergibt sich dadurch, dass nach der erfindungsgemäßen Verfahrensweise der Wärmetauscher, trotz kleinerem Mengen- stroms, die gleiche Wärmemenge überträgt, wie nach dem Stand der Technik, wobei der gesamte Mengenstrom der angereicherten Lösung durch den Wärmetauscher geleitet wird und zusätzlich noch die Energie, die aus den Strippdämpfen in der Wärmeübertragungssektion (22a) auf den Teilstrom der angereicherten Lösung übertragen wird, zurückgewonnen wird. Damit wird der gesamte Energiebedarf bei Absorptions- und Desorptionsprozessen vermindert.
[0021] Generell versorgt der Aufkocher am Sumpf der Desorptionsvorrichtung (22) kontinuierlich mit der notwendigen Wärme, in der das Strippmedium zum Strippdampf durch den Aufkocher aufgeheizt wird. Der Strippdampf treibt die abzutrennenden Komponenten von den flüssigen Lösungsmitteln aus. Der durch die Druckabsenkung im Druckentspannungsbehälter (26) freiwerdende Dampf wird vom Kopf des Druckentspannungsbehälters (26) abgezogen und unterhalb der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgegeben, wobei er seine Wärme an die aufzuwärmende Lösung abgibt und sich wie gewünscht abkühlt. Die abgekühlten, abgetrennten Komponenten verlassen die Desorptionsvorrichtung über Kopf und stehen für eine weitere Verarbeitung bereit, wobei kein Kondensator oder nur ein deutlich kleinerer Kondensator benötigt wird, um die abgetrennten Komponenten herunter zu kühlen.
[0022] Es ist bekannt, dass ein gewisser Druck vorhanden sein muss, um die Lösung durch einen Wärmetauscher und anschließend auf den Kopf der Desorptionsvorrichtung zu fördern. So wird nach dem Stand der Technik ein Druck von ca. 5 bis 6 bar hinter dem Wärmetauscher (21 ) benötigt. Dieser Vordruck ist erforderlich, um die geodätische Höhe der Desorptionsvorrichtung zu überwinden, um den Leitungswiderstand zu kompensieren und um ausreichende Regelreserven im Entspannungsregelventil zur Desorptionsvorrichtung zur Verfügung zu haben. Weiterer Vordruck wird benötigt, um auf den normalen Betriebsdruck der Desorptionsvorrichtung zu gelangen. Aufgrund des hohen Vordruckes ist daher der Dampfanteil in der beladenen Lösung nach der Aufwärmung im Wärmetauscher (21) entsprechend gering. Der Druck kann im Wärmetauscher nun auf einen Druck abgesenkt werden, so dass eine deutlich höhere Teilverdampfung im Wärmetauscher erlaubt. Erfindungsgemäß wird der Druck in dem Druckentspannungsbehälter (26) auf einen Druck, der höchstens 1 ,5 bar größer als der Druck am Kopf der Desorptionsvorrichtung (22) ist, entspannt. Damit kann die entspannte Gasphase ohne weiteres auf die Desorptionsvorrichtung (22) aufgegeben werden.
[0023] Abhängig vom Lösungsmittel kann der Druck bis auf 1 oder sogar 0,1 bar größer als der Druck am Kopf der Desorptionsvorrichtung (22) abgesenkt werden. Bei einer Druckabsenkung bis auf 0,1 bar größer als der Druck am Kopf der Desorptionsvorrichtung (22) erhöht sich der Dampfanteil. Der Druck kann, wenn es günstig ist, auch unter den Druck am Kopf der Desorptionsvorrichtung (22) abgesenkt werden, wobei die Gasphase dann unter der Verwendung eines Gasverdichters auf den Kopf der Desorptionsvorrichtung gefördert werden muss.
[0024] Die Druckentspannung lässt sich auch in mehreren hintereinandergeschalteten Druckentspannungsbehälter durchführen. Dies ist dann von Vorteil, wenn der Entspannungsdruck unterhalb des Druckes in der Desorptionsvorrichtung abgesenkt werden soll, da dann nur dieser Anteil des Dampfes verdichtet werden muss, um diesen dann in die Desorptionsvorrichtung zu fördern.
[0025] Der durch die Druckabsenkung im Druckentspannungsbehälter (26) freiwerdende Dampf wird vom Kopf des Druckentspannungsbehälters (26) abgezogen und oberhalb der Strippsektion (22b) der Desorptionsvorrichtung (22) aufgegeben.
[0026] Der durch die Druckabsenkung im Druckentspannungsbehälter (26) freiwerdende flüssige Teil wird aus dem Sumpf des Druckentspannungsbehälters (26) abgezogen und der Strippsektion (22b) der Desorptionsvorrichtung (22) zugeführt, um die übrigen abzutrennenden Komponenten aus dem Lösungsmittel auszutreiben.
[0027] Die Aufwärmung durch die Wärmeübertragungssektion (22a) kann eine direkte oder indirekte Wärmeübertragung sein. Der aus der Strippsektion (22b) aufsteigende Brüden gibt seine Wärme an die aufzuwärmende beladene Lösung ab. Bei einer direkten Wärmeübertragung verfügt die Wärmeübertragungssektion (22a) eine Stoffübertragungssektion, die mit Stoffübertragungselementen ausgerüstet ist, worin eine direkte Wärmeübertragung vorgenommen wird, wobei als Stoffübertragungselemente alle in einer Kolonne befindlichen Einbauten, die dem Wärme- und Stoffaustausch dienen, wie z.B. Füllkörper, strukturierte Packungen, Böden (Glocken, Ventil, Siebböden) usw. verwendet werden können. Die herunter rieselnde beladene Lösung nimmt die Wärme von dem aufsteigenden Brüden auf, wobei der Brüden entsprechend gekühlt wird. Bei einer indirekten Wärmeübertragung kann die Wärmeübertragungssektion (22a) wie ein Wärmetauscher ausgeführt sein, worin eine indirekte Wärmeübertragung vorgenommen wird. Durch diesen Apparat wird einerseits der aufsteigende Brüden wie erfordert gekühlt, andererseits wird die aufzuwärmende beladene Lösung wie gewünscht aufgewärmt.
[0028] Der Entspannungsventil (25), Wärmetauscher (21) und der Druckentspannungsbehälter (26) sind generell auf dem Boden angeordnet. Eine vorteilhafte Anordnung der Apparate kann beispielsweise so sein, dass der Entspannungsventil (25), Wärmetauscher (21) und der Druckentspannungsbehälter (26) oberhalb des Höhenniveaus der Strippsektion (22b) angelegt sind. Dadurch wird keine weitere Pumpe zur Förderung der Lösung aus dem Druckentspannungsbehälter (26) und auf den Kopf der Desorptionsvorrichtung benötigt. Allerdings können die Vorrichtungen beliebig angeordnet sein, dass das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann. [0029] Der über die Wärmeübertragungssektion (22a) aufgewärmte Teilstrom wird auf die Strippsektion (22b) aufgegeben.
[0030] Bei diesem Verfahren kann ein physikalisch oder chemisch wirkendes Absorptionsmittel verwendet werden. Insbesondere kann das Verfahren zur Entfernung von Sauergaskomponenten aus technischen Gasen angewandt werden.
[0031] Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Beispiels mittels der Zeichnungen und Tabellen erläutert.
[0032] Fig. 1 stellt einen Stand der Technik dar.
[0033] Fig. 2 stellt die erfindungsgemäße Verfahrensweise dar.
[0034] Fig. 3 stellt einen alternativen Stand der Technik dar.
[0035] Aus einem Rohgas mit ca. 13 vol% C02 soll ca. 90% des im Rohgas vorhandenen C02's entfernt werden, wobei die Rohgasmenge 150000 NnfVh beträgt. Die abzutrennenden Komponenten C02 sollen mit Hilfe einer wässrigen MDEA-Lösung als Absorptionsmittel mit einem Lösungsmittelumlauf von ca. 1100 t/h entfernt werden. Es ergeben sich mittels eines Prozesssimulationsprogramms folgende Ergebnisse:
Tabelle"! :
[0036] Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die die Absorptionsvorrichtung verlassende, beladene Lösung in zwei Ströme aufgeteilt, wobei der Anteil des Reststroms (5a, 5b) ca. (1169 - 248) / 1 169 = 79% des gesamten Lösungsmittelumlaufstroms beträgt. Obwohl nur ca. 79% des gesamten Lösungsmittelstroms zur Verfügung steht, kann nahezu die gleiche Energiemenge mittels des Wärmetauschers an die Desorptionsvorrichtung wie nach dem Stand der Technik übertragen werden.
[0037] Bei Fig. 3 wird die beladene Lösung ohne Druckentspannung durch einen Wärmetauscher hindurchgeführt. Man erkennt hier, dass offensichtlich weniger Wärme (79.1 MW) an die Desorptionsvorrichtung übertragen wird, so dass am Ende sogar ca. (34.5 - 31 ) / 31 = 1 1% mehr externe Energie für die gewünschte C02-Entfernung benötigt wird. D.h. die zum Lösungsmittel passend eingestellte Druckabsenkung ist somit essentiell für die erfindungsgemäße Verfahrensweise.
[0038] Mit der erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist es dagegen möglich, mit deutlich weniger externer Energie in der Desorptionsvorrichtung auszukommen. So lässt sich, für dieses Beispiel bis zu (31 - 23) / 31 = 26% der extern benötigten Energie im Aufkocher für die Regeneration der Lösung einsparen.
[0039] Aus der Tabelle ist ebenfalls zu entnehmen, dass der Dampfanteil bei der erfindungsgemäßen Verfahrensweise mit 6% deutlich höher ist als der im Vergleich zum Stand der Technik.
Bezugszeichenliste:
1 Feed Gas
2 Produkt Gas
3 Beladener Lösungsstrom
4 Beladener Teilstrom
5a Beladener Reststrom vor dem Entspannungsventil
5b Beladener Reststrom nach dem Entspannungsventil
6, 6a Vorgewärmter Strom
6b, 6c Dampfphase der entspannter Lösung
7a, 7b Flüssiger Anteil der entspannter Lösung
8, 9 Regenerierter Lösungsmittelstrom
10 Regenerierter Lösungsmittelstrom
11 Lösungsmittelstrom nach Wärmetausch
12 Abgekühlte regenerierte Lösung
13 Abgetrennte Komponente
14 Gekühlte abgetrennte Komponente
15 Rückflusspumpe
16, 27 Pumpe
17 Wärmetauscher
18 Wärmetauscher
19 Rückflussbehälter
20 Absorptionsvorrichtung
21 Wärmetauscher
22 Desorptionsvorrichtung
22a Wärmeübertragungssektion
22b Strippsektion
23 Wärmetauscher
24 Abzweigung
25 Entspannungsventil
26 Druckentspannungsbehälter
28 Verdichter

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Entfernung von abzutrennenden Komponenten aus technischen Gasen mittels Absorptions- und Desorptionsprozessen, welche flüssige Absorptionsmittel anwenden, wobei
• mindestens eine Absorptionsvorrichtung (20) vorgesehen ist, die mindestens eine Stoffübertragungssektion beinhaltet, in der die abzutrennenden Komponenten von dem flüssigen Absorptionsmittel aufgenommen werden, und
• mindestens eine Desorptionsvorrichtung (22) vorgesehen ist, wobei die Desorptions- vorrichtung (22) mindestens eine Wärmeübertragungssektion (22a), eine Strippsektion (22b) und einen Aufkocher (23) am Sumpf umfasst, und wobei die Wärmeübertragungssektion (22a) oberhalb von der Strippsektion (22b) angeordnet ist, und
• die Temperatur in der Desorptionsvorrichtung (22) höher als die Temperatur in der Absorptionsvorrichtung (20) ist, und
• die mit abzutrennenden Komponenten beladene Lösung durch einen Wärmetauscher aufgewärmt wird, bevor diese Lösung der Desorptionsvorrichtung (22) zugeführt wird, und der Rest der für die Desorption benötigten Energie durch den Aufkocher (23) im Sumpf der Desorptionsvorrichtung (22) geliefert wird, und
• die durch das Strippmedium ausgetriebenen abzutrennenden Komponenten den Kopf der Strippsektion (22b) als Brüden verlassen, und
• die Brüden weiter in die Wärmeübertragungssektion (22a) eingeführt und entsprechend gekühlt werden, und die Desorptionsvorrichtung (22) über den Kopf verlassen, und
• die nach der Desorption von den abzutrennenden Komponenten befreite Lösung die Desorptionsvorrichtung (22) am Sumpf verlässt, gekühlt und wieder der Absorptionsvorrichtung (20) zurückgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
• mindestens ein Teil der die Absorptionsvorrichtung (20) verlassenden beladenen Lösung (4) vor deren Aufwärmung abgezweigt wird und auf den Kopf der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgegeben wird, und
• dieser beladene Teilstrom durch den vom unteren Teil der Desorptionsvorrichtung (22b) aufsteigenden Dampf durch Wärmetausch in der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgewärmt wird, und
• der die Absorptionsvorrichtung (20) verlassende Reststrom der kalten, beladenen Lösung (5a) mittels des Entspannungsventils (25) und über den Wärmetauscher (21) in einen Druckentspannungsbehälters (26) entspannt wird, so dass sich der den Wärmetauscher (21) verlassende Strom in einen flüssigen und gasförmigen Zustand auftrennt,
• wobei der Druck im Druckentspannungsbehälter (26) derart abgesenkt wird, dass der gesamte Energiebedarf in Absorptions- und Desorptionsprozessen vermindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in dem Druckentspannungsbehälter (26) auf einen Druck entspannt wird, der höchstens 1 ,5 bar größer als der Druck am Kopf der Desorptionsvorrichtung (22) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Druck in mehreren hintereinandergeschalteten Druckentspannungsbehältern entspannt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die
Druckabsenkung im Druckentspannungsbehälter (26) freiwerdende Dampf vom Kopf des Druckentspannungsbehälters (26) abgezogen und oberhalb der Strippsektion (22b) der Desorptionsvorrichtung (22) aufgegeben wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die
Druckabsenkung im Druckentspannungsbehälter (26) freiwerdende flüssige Teil aus dem Sumpf des Druckentspannungsbehälters (26) abgezogen und der Strippsektion (22b) der Desorptionsvorrichtung (22) zugeführt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungssektion (22a) eine Stoffübertragungssektion, die mit Stoffübertragungselementen ausgerüstet ist, aufweist, in der eine direkte Wärmeübertragung vorgenommen wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungssektion (22a) als Wärmetauscher ausgeführt ist, in dem eine indirekte Wärmeübertragung vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der über die Wärmeübertragungssektion (22a) aufgewärmte Teilstrom () auf die Strippsektion (22b) der Desorptionsvorrichtung (22) aufgegeben wird.
9. Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, bei dem ein physikalisch wirkendes Absorptionsmittel verwendet wird.
10. Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8 bei dem ein chemisch wirkendes Absorptionsmittel verwendet wird.
11. Verwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 10 zur Entfernung von Sauergaskomponenten aus technischen Gasen.
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