EP2736626A1 - Wärmerückgewinnung bei absorptions- und desorptionsprozessen bei reduzierter wärmeaustauschfläche - Google Patents

Wärmerückgewinnung bei absorptions- und desorptionsprozessen bei reduzierter wärmeaustauschfläche

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Publication number
EP2736626A1
EP2736626A1 EP12735090.8A EP12735090A EP2736626A1 EP 2736626 A1 EP2736626 A1 EP 2736626A1 EP 12735090 A EP12735090 A EP 12735090A EP 2736626 A1 EP2736626 A1 EP 2736626A1
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EP
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desorption
heat transfer
absorption
solution
transfer section
Prior art date
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Ceased
Application number
EP12735090.8A
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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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Filing date
Publication date
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Ceased legal-status Critical Current

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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D53/14—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by absorption
    • B01D53/1425—Regeneration of liquid absorbents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/52—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with liquids; Regeneration of used liquids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10L—FUELS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; NATURAL GAS; SYNTHETIC NATURAL GAS OBTAINED BY PROCESSES NOT COVERED BY SUBCLASSES C10G, C10K; LIQUEFIED PETROLEUM GAS; ADDING MATERIALS TO FUELS OR FIRES TO REDUCE SMOKE OR UNDESIRABLE DEPOSITS OR TO FACILITATE SOOT REMOVAL; FIRELIGHTERS
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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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, especially sulfur dioxide, carbon dioxide and other components to be separated, as well as hydrogen cyanide and water vapor.
  • flue gases from a combustion of fossil fuels belong to the group of technical gases from which also disturbing components, such. 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, desorbed solution, thereby recovering a portion 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 to expel the components to be separated from the loaded solution.
  • the loaded solution is freed with the stripping medium from the absorbed components to be separated off.
  • the expelled, separated components leave the desorption over the head, the vapor content of the stripping medium is condensed in a top condenser and the desorption is fed back.
  • the of The desorbed solution freed from the components to be separated leaves the desorption device at the sump, with the solution usually being cooled and returned to the head of the absorption device after heat exchange has taken place. 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 required temperature for desorption in a desorption device is generally higher than that in the absorption device.
  • the desorption is operated at a temperature of 80 ° C up to 140 ° C and at an absolute pressure of 0.2 to 3 bar.
  • An energy saving can be achieved by efficiently utilizing the waste heat from the streams passing through the absorption and desorption process.
  • the loaded solution emanating from the absorption device is introduced into the desorption apparatus for regeneration, e.g. preheated the charged solution by means of the hot solution leaving the desorption device to bring the temperature of the loaded solution closer to the temperature required for desorption.
  • the separated components from the desorption apparatus are cooled in order to recover the stripping vapors as condensate and to process them further. This has hitherto been done in practice by a capacitor.
  • EP 1 569 739 B1 the brimstone vapor rising after stripping is cooled by a condenser in the desorption column by means of cooling water containing hydrogen sulfide.
  • the regenerated solution leaves the desorption at the bottom usually with at least a temperature of 100 ° C.
  • the solution Before the regenerated solution can then be returned to the absorption device, the solution must be cooled to a temperature of 20 ° C to 70 ° C. Heat is removed from the heat exchanger regenerated solution transferred to the cold, loaded solution.
  • the highest possible temperature approximation between the entering into the heat exchanger, hot, regenerated solution and the heat exchanger leaving, preheated, loaded solution allows a correspondingly large recovery, this is achieved in the Desorptionsvornchtung abandoned regenerated solution flow contained heat. In general, this temperature approximation is about 10 K.
  • Such a high temperature approach requires a correspondingly large heat exchange surface, which is associated with correspondingly high costs. Therefore, a temperature approach of less than 10 K for recovering the heat level from the desorption is no longer economically acceptable.
  • EP 1 606 041 B1 discloses a method for the selective removal of sour gas components from natural gas or synthesis gas, wherein the sour gas component is selectively removed within two absorption stages to allow an economical operation.
  • the invention is therefore based on the problem to provide an economically improved process with heat recovery by reduced heat exchange surface over the prior art, which is realized for the removal of components to be separated from industrial gases by absorption and desorption processes.
  • the object is achieved by a method for removing components to be separated from industrial gases by implementing the method by means of absorption and desorption processes which use liquid absorbents, wherein at least one absorption device (20) is provided which at least comprising a mass transfer section in which the components to be separated are taken up by the liquid absorbent and at least one desorption device (22) is provided, the desorption device (22) comprising at least one heat transfer section (22a), a stripping section (22b) and a reboiler (8) 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 laden with components to be separated solution is heated by a heat exchanger before this solution of Desorptionsvornchtung (22) is supplied.
  • the remainder of the energy required for desorption is provided by the reboiler (8) in the bottom of the desorption apparatus (22).
  • the components to be separated by the stripping medium leave the head of the stripping section (22b) as vapors which are introduced into the heat transfer section (22a), cooled accordingly, and leave the desorption device (22) over the head.
  • the solution freed from the components to be separated after desorption leaves the desorption device (22) at the sump and, after heat exchange and cooling, is returned to the top of the absorption device (20).
  • At least part of the absorbent device (20) leaving laden solution is diverted before being heated by a heat exchanger and applied to 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 leaving the absorption device (20) is preheated by heat exchange by means of the hot, regenerated solution leaving the desorption device (22), the heat exchange being designed such that the total requirement of the heat exchange surface for the absorption and desorption process is reduced becomes.
  • the absorbent device (20) leaving laden solutions can be abandoned without branching all the way to the head of the heat transfer section (22a) for heating.
  • the heating by the heat transfer section (22a) may be a direct or indirect heat transfer.
  • the vapor 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 wherein direct heat transfer is performed, the mass transfer elements structuring in-column internals used for heat and mass transfer, such as packing Packings, soils (bells, valves, sieve plates) etc. are meant.
  • the trickled down solution absorbs the heat from the rising vapor, the vapor is cooled accordingly.
  • the heat transfer section (22a) may be configured with a condenser in which indirect heat transfer is performed. By the condenser, on the one hand, the ascending vapor is cooled as required, on the other hand, the laden solution to be heated is warmed up as desired.
  • the preheated substream is further fed into the stripping section (22b) or the preheated substream is withdrawn below the heat transfer section (22a) leaving with the absorber (20), cold residual stream (5a, 5b) brought together by a heat exchanger (21) by means of the desorption device (22) leaving hot, regenerated solution further warmed, then fed to the stripping section (22b).
  • a further advantageous embodiment is: the preheated partial stream is withdrawn below the heat transfer section (22a), combined with the preheated residual stream of the solution, and further heated by a further heat exchanger by means of the desorption device (22) leaving, hot, regenerated solution, then to the Stripping section (22b) abandoned.
  • a physically or a chemically acting absorbent can be used.
  • the process can be used to remove acid gas components from industrial gases.
  • Fig. 1 illustrates the prior art.
  • Fig. 3 represents an alternative of the procedure according to the invention, wherein the preheated in the heat transfer section (22a) current is completely guided to the head of the stripping section (22b).
  • the desorption (22) at least one heat transfer section (22 a) Mass transfer element / condenser, a stripping section (22b), and at the sump comprises a reboiler (8).
  • the stripping medium at the sump heats up the stripping medium in order to expel the components to be separated from the loaded solution in the stripping section (22b).
  • the absorption device leaving cold, laden solution (3) is branched off before warming, a part (4) is placed on the head of the heat transfer section (22a), the rest (5a) is merged with the preheated partial flow and through a heat exchanger (21) further warmed up.
  • the cold, charged solution stream (4) applied to the heat transfer section (22a) leads to cooling and condensation of the stripping vapor rising from the sump. In this case, virtually all of the existing in the stripping steam to the heat from the head down trickling solution directly or indirectly transmitted.
  • the cooled vapor (13) with the components to be separated leaves the head of the desorption device at approximately a temperature at which the loaded solution (4) enters the heat transfer section (22a).
  • a high temperature approach between the overhead vapor (13) and the abandoned laden solution (4) is made possible by the direct / indirect heat and mass exchange in the heat transfer section (22a).
  • the preheated solution (4a) is withdrawn below the heat transfer section (22a), merged with the residual stream (5a) and fed to the heat exchanger (21) to further warm the so-merged stream.
  • the already regenerated solution (9, 10) flows through the same heat exchanger (21) and is thereby cooled.
  • FIG. 3 another variant is illustrated. The difference from FIG. 2 is that the stream preheated via the heat transfer section (22a) is no longer drawn out of the desorption device but is fed further to the top of the stripping section (22b).
  • the heat exchangers are all considered as shell and tube heat exchangers.
  • WT heat exchanger Table 1: Total exchange area for a prior art absorption and desorption processes.
  • Table 2 Total exchange surface for an absorption and desorption processes according to the method of the invention with carrying out the preheated in the heat transfer section (22a) solution stream.
  • Table 3 Total exchange surface for an absorption and desorption processes according to the invention, wherein the solution stream preheated in the heat transfer section (22a) is led completely to the top of the stripping section (22b).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernung von abzutrennenden Komponenten aus technischen Gasen mittels Absorptions- und Desorptionsprozessen, welche flüssige Absorptionsmittel anwenden, mindestens ein Teil der die Absorptionsvorrichtung (20) verlassenden beladenen Lösung vor deren Aufwärmung abgezweigt wird und auf den Kopf der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgegeben wird, 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 durch Wärmetausch mittels der die Desorptionsvorrichtung (22) verlassenden, heißen, regenerierten Lösung vorgewärmt wird, wobei der Wärmetausch derart gestaltet wird, dass der Gesamtbedarf der Wärmeaustauschfläche für den Absorptions- und Desorptionsprozess verringert wird.

Description

Wärmerückgewinnung bei Absorptions- und Desorptionsprozessen bei reduzierter Wärmeaustauschfläche
[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 Komponenten 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 im Kreislauf betriebenen Absorptions- und Desorptionsprozessen 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 aufgegeben wird, wird in der Regel die beladene Lösung über Wärmetausch mit der heißen, desorbierten 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 Komponenten aus der beladenen Lösung auszutreiben. Im Gegenstrom wird dabei die beladene Lösung mit dem Strippmedium von den aufgenommenen, abzutrennenden Komponenten befreit. Die ausgetriebenen, abzutrennenden Komponenten verlassen die Desorptionsvorrichtung über den Kopf, wobei der Dampfanteil des Strippmediums in einem Kopfkondensator kondensiert und der Desorptionsvorrichtung wieder zugeführt wird. Die von den abzutrennenden Komponenten befreite desorbierte Lösung verlässt die Desorptionsvorrich- tung am Sumpf, wobei die Lösung nach erfolgtem Wärmetausch in der Regel gekühlt auf den Kopf der Absorptionsvorrichtung zurückgegeben wird. Damit ist der Kreislauf des Absorptionsund Desorptionsprozessen geschlossen.
[0006] Aus der DE 10 2005 004 948 B3 ist ein Verfahren zur Erhöhung der Selektivität von physikalisch wirkenden Lösungsmitteln bei einer Absorption von Gaskomponenten aus technischen Gasen bekannt. Ein Verfahren zur möglichst vollständige Entfernung von Sauergaskomponenten, Wasser und aromatischen und höheren aliphatischen Kohlenwasserstoffen sowie eine möglichst vollständige Regenerierung des Absorptionsmittels ist in DE 199 45 326 B4 beschrieben.
[0007] Aufgrund des wachsenden Bedarfs an Ressourcen ist eine ökonomische Verfahrensweise in allen Gebieten längst eine wichtige Grundlage für die Weiterentwicklung. Es wird daher angestrebt, den Absorptions- und Desorptionsprozess möglichst effizient und kostengünstig zu gestalten.
[0008] 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.
[0009] Die erforderliche Temperatur bei einer Desorption in einer Desorptionsvorrichtung ist generell höher als die in der Absorptionsvorrichtung. In der Regel wird die Desorptionsvorrichtung bei einer Temperatur von 80 °C bis zu 140°C und bei einem Absolutdruck von 0,2 bis zu 3 bar betrieben.
[0010] Eine Energieeinsparung kann erzielt werden, in dem man die Abwärme der den Absorptions- und Desorptionsprozess durchlaufenden Ströme effizient nutzt. Bevor die aus der Absorptionsvorrichtung ausgehende beladene Lösung in die Desorptionsvorrichtung zum Regenerieren aufgegeben wird, wird z.B. die beladene Lösung mittels der heißen, die Desorptionsvorrichtung verlassenden Lösung vorgewärmt, um die Temperatur der beladenen Lösung näher an die zur Desorption erforderlichen Temperatur zubringen. Die abgetrennten Komponenten aus der Desorptionsvorrichtung werden gekühlt um die Strippdämpfe als Kondensat zurückzugewinnen, und um sie weiter verarbeiten zu können. Dies erfolgt bisher in der Praxis durch einen Kondensator. Wie in EP 1 569 739 B1 wird der nach dem Strippen aufsteigende Brüdendampf durch einen Kondensator in der Desorptionskolonne mittels Schwefelwasserstoff enthaltendes Kühlwasser gekühlt.
[0011] Die regenerierte Lösung verlässt die Desorptionsvorrichtung am Sumpf in der Regel mit mindestens einer Temperatur von 100°C. Bevor die regenerierte Lösung anschließend wieder der Absorptionsvorrichtung zugeführt werden kann, muss die Lösung bis auf eine Temperatur von 20°C bis 70°C gekühlt werden. Durch den Wärmetauscher wird Wärme von der heißen, regenerierten Lösung an die kalte, beladene Lösung übertragen. Eine möglichst hohe Temperaturannäherung zwischen der in den Wärmetauscher eintretenden, heißen, regenerierten Lösung und der den Wärmetauscher verlassenden, vorgewärmten, beladenen Lösung ermöglicht eine entsprechend große Rückgewinnung, hierbei wird die in dem die Desorptionsvornchtung verlassenen regenerierten Lösungsstrom enthaltenen Wärme erzielt. In der Regel beträgt diese Temperaturannäherung ca. 10 K. Eine solche hohe Temperaturannäherung macht eine entsprechend große Wärmeaustauschfläche erforderlich, die mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist. Daher ist eine Temperaturannäherung von kleiner als 10 K zur Rückgewinnung des Wärmeniveaus aus der Desorptionseinrichtung nicht mehr ökonomisch vertretbar.
[0012] Die 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, um eine wirtschaftliche Arbeitsweise zu ermöglichen.
[0013] Durch Wärmetausch zwischen dem aufzuwärmenden und dem abzukühlenden Strom wird die im Kreislauf des Absorptions- und Desorptionsprozesses vorhandene Abwärme zurückgewonnen. Dieser Wärmetausch hat einen doppelten Effekt: das abzukühlende Medium gibt seine Wärme an das aufzuwärmende Medium ab. Dadurch wird die im Kreislauf vorhandene Wärmeenergie zurückgewonnen, ohne zusätzliche Energie vom Außen anzufordern.
[0014] Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, ein ökonomisch verbessertes Verfahren mit Wärmerückgewinnung durch reduzierte Wärmetauschfläche gegenüber dem Stand der Technik zur Verfügung zu stellen, welches zur Entfernung von abzutrennenden Komponenten aus technischen Gasen durch Absorptions- und Desorptionsprozesse verwirklicht wird.
[0015] Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Entfernung von abzutrennenden Komponenten aus technischen Gasen gelöst, indem das Verfahren mittels Absorptions- und Desorpti- onsprozessen, welche flüssige Absorptionsmittel anwenden, verwirklicht wird, 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 Desorptionsvornchtung (22) vorgesehen ist, wobei die Desorptionsvornchtung (22) mindestens eine Wärmeübertragungssektion (22a), eine Strippsektion (22b) und einen Aufkocher (8) am Sumpf umfasst, wobei die Wärmeübertragungssektion (22a) oberhalb von der Strippsektion (22b) angeordnet ist, und die Temperatur in der Desorptionsvornchtung (22) höher als die Temperatur in der Absorptionsvorrichtung (20) ist.
[0016] Die mit abzutrennenden Komponenten beladene Lösung wird dabei durch einen Wärmetauscher aufgewärmt, bevor diese Lösung der Desorptionsvornchtung (22) zugeführt wird. Der Rest der für die Desorption benötigten Energie wird durch den Aufkocher (8) im Sumpf der Desorptionsvornchtung (22) geliefert. Die durch das Strippmedium ausgetriebenen abzutrennenden Komponenten verlassen den Kopf der Strippsektion (22b) als Brüden, die wei- ter 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, und wird nach Wärmetausch und Kühlung wieder auf den Kopf der Absorptionsvorrichtung (20) zurückgeführt.
[0017] Mindestens ein Teil der die Absorptionsvorrichtung (20) verlassenden beladenen Lösung wird vor deren Aufwärmung durch einen Wärmetauscher 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 wird durch Wärmetausch mittels der die Desorptionsvorrichtung (22) verlassenden, heißen, regenerierten Lösung vorgewärmt, wobei der Wärmetausch derart gestaltet wird, dass der Gesamtbedarf der Wärmeaustauschfläche für den Absorptions- und Desorptionsprozess verringert wird.
[0018] Selbstverständlich kann die die Absorptionsvorrichtung (20) verlassende beladene Lösungen ohne Abzweigung ganz auf den Kopf der Wärmeübertragungssektion (22a) zur Aufwärmung aufgegeben werden.
[0019] Durch die Aufwärmung der beladenen Lösungen über die Wärmeübertragungssektion (22a) am Kopf der Desorptionsvorrichtung erhöht sich die Temperatur des Stromes gegenüber demselben Strom vor der Abzweigung. Für den Wärmetauscher ergibt sich dadurch nun eine deutlich größere mittlere logarithmische Temperaturdifferenz als nach dem Stand der Technik was zu einer entsprechend deutlich reduzierten Wärmeaustauschfläche für den Wärmetauscher führt. Auch bei Betrachtung des gesamten Wärmetrauscherflächenbedarfs für den gesamten Absorptions- und Desorptionsprozess ergibt sich eine deutliche Verringerung der insgesamt benötigten Wärmetauscherfläche.
[0020] Die Aufwärmung durch die Wärmeübertragungssektion (22a) kann eine direkte oder indirekte Wärmeübertragung sein. Der aus der Strippsektion (22b) aufsteigende Brüdendampf 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 die Stoffübertragungselemente, die in einer Kolonne befindlichen Einbauten, die dem Wärme- und Stoffaustausch dienen, wie z.B. Füllkörper, strukturierte Packungen, Böden (Glocken, Ventil, Siebböden) usw. gemeint sind. 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) mit einem Kondensator gestaltet sein, worin eine indirekte Wärmeübertragung vorgenommen wird. Durch den Kondensator wird einerseits der aufsteigende Brüden wie erfordert gekühlt, andererseits wird die aufzuwärmende beladene Lösung wie gewünscht aufgewärmt.
[0021] Nachdem der Teilstrom durch die Wärmeübertragungssektion (22a) vorgewärmt wird, wird der vorgewärmte Teilstrom weiter in die Strippsektion (22b) zugeführt, oder der vorgewärmte Teilstrom wird unterhalb der Wärmeübertragungssektion (22a) abgezogen, mit dem der Absorptionsvorrichtung (20) verlassenden, kalten Reststrom (5a, 5b) zusammengeführt durch einen Wärmetauscher (21) mittels der die Desorptionsvorrichtung (22) verlassenden, heißen, regenerierten Lösung weiter aufgewärmt, anschließend auf die Strippsektion (22b) aufgegeben. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsmöglichkeit ist: der vorgewärmte Teilstrom wird unterhalb der Wärmeübertragungssektion (22a) abgezogen, mit dem vorgewärmten Reststrom der Lösung zusammengeführt, und durch einen weiteren Wärmetauscher mittels der die Desorptionsvorrichtung (22) verlassenden, heißen, regenerierten Lösung weiter aufgewärmt, anschließend auf die Strippsektion (22b) aufgegeben.
[0022] Bei diesem Verfahren kann ein physikalisch oder ein chemisch wirkendes Absorptionsmittel verwendet werden. Insbesondere kann das Verfahren zur Entfernung von Sauergaskomponenten aus technischen Gasen angewandt werden.
[0023] Fig. 1 stellt den Stand der Technik dar.
[0024] Fig. 3 stellt eine Alternative der erfindungsgemäßen Verfahrensweise dar, wobei der in der Wärmeübertragungssektion (22a) vorgewärmte Strom vollständig auf den Kopf der Strippsektion (22b) geführt wird.
[0025] Die erfindungsgemäße Verfahrensweise lässt sich nachfolgend an dem Prozessfließbild Fig. 2 erläutern.
[0026] Im Kreislauf der Absorptions- und Desorptionsprozessen verlässt die mit abzutrennenden Komponenten beladenen Lösung die Absorptionsvorrichtung am Sumpf, und wird auf die Desorptionsvorrichtung (22) zum Regenerieren / Desorbieren, aufgegeben, wobei die Desorptionsvorrichtung (22) mindestens eine Wärmeübertragungssektion (22a) mit Stoffaustauschelementen / Kondensator, eine Strippsektion (22b), und am Sumpf einen Aufkocher (8) umfasst. Durch den Aufkocher am Sumpf wird das Strippmedium aufgeheizt, um in der Strippsektion (22b) die abzutrennenden Komponenten aus der beladenen Lösung auszutreiben.
[0027] Die der Absorptionsvorrichtung verlassende, kalte, beladene Lösung (3) wird vor der Aufwärmung abgezweigt, ein Teil (4) wird auf den Kopf der Wärmeübertragungssektion (22a) aufgegeben, der Rest (5a) wird mit dem vorgewärmten Teilstrom zusammengeführt und durch einen Wärmetauscher (21) weiter aufgewärmt.
[0028] Der auf die Wärmeübertragungssektion (22a) aufgegebene, kalte, beladene Lösungsstrom (4) führt zu einer Abkühlung und Kondensation des vom Sumpf her aufsteigenden Strippdampfs. Dabei wird praktisch die gesamte in dem Strippdampf vorhandene Wärme an die vom Kopf herunterrieselnde Lösung direkt oder indirekt übertragen. Der gekühlte Dampf (13) mit den abzutrennenden Komponenten verlässt den Kopf der Desorptionsvorrichtung ungefähr mit einer Temperatur, mit der die beladene Lösung (4) in die Wärmeübertragungssektion (22a) eintritt. Eine hohe Temperaturannäherung zwischen den über den Kopf verlassenden Dampf (13) und der aufgegebener beladener Lösung (4) wird durch den direkten / indirekten Wärme- und Stofftausch in der Wärmeübertragungssektion (22a) ermöglicht.
[0029] Über einen Kaminboden unterhalb der Wärmeübertragungssektion (22a) wird die vorgewärmte Lösung (4a) unterhalb der Wärmeübertragungssektion (22a) abgezogen, mit dem Reststrom (5a) zusammengeführt und dem Wärmetauscher (21) zugeführt, um den so zusammengeführten Strom weiter aufzuwärmen. Gleichzeitig strömt die bereits regenerierte Lösung (9, 10) durch denselben Wärmetauscher (21) und wird dabei abgekühlt. Durch die Vorwärmung in der Wärmeübertragungssektion (22a) ist die mittlere logarithmische Temperaturdifferenz zwischen den beiden Lösungen größer geworden.
[0030] Aus dem Vergleich der Fig. 1 und Fig. 2 folgt, dass der oftmals aus hochwertigen Material bestehende Kopfkondensator (18), der Rückflussbehälter (19) und die Rückflusspumpe (15) aus Fig. 1 entfallen. Die Wärmeaustauschfläche des Wärmetauschers (21) wird wesentlich kleiner als bisher aufgrund der größer gewordenen mittleren logarithmischen Temperaturdifferenz und der geringeren zu übertragenden Wärme. Gleichzeitig wird zwar die Wärmetauschfläche des Wärmetauschers (17) größer als vorher, um die regenerierte Lösung (12) wieder auf Absorptionstemperatur herunter zu kühlen. In der Gesamtheit ist das Ergebnis jedoch deutlich besser als nach dem bisherigen Stand der Technik.
[0031] In Fig. 3 ist eine andere Variante veranschaulicht. Der Unterschied zu Fig. 2 liegt darin, dass der über die Wärmeübertragungssektion (22a) vorgewärmte Strom nicht mehr aus der Desorptionsvorrichtung herausgezogen, sondern weiter auf den Kopf der Strippsektion (22b) zugeführt wird.
[0032] Nachfolgend wird die Unterschiede der Verfahren anhand eines Simulationsbeispiels in Tabelle 1 , 2 und 3 deutlich gezeigt, hierbei sollen die störenden Sauergaskomponenten Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid aus dem Synthesegas entfernt werden.
[0033] Mit Hilfe der Parameter Temperatur, Wärmetauschfläche und Wärmeleistung wird die Wärmerückgewinnung eines Absorptions- und Desorptionsprozessen aus dem Stand der Technik und gemäß der Erfindung miteinander verglichen. In diesem Vergleich werden die Wärmetauscher alle als Rohrbündelwärmetauscher betrachtet.
LMTD: mittlere logarithmische Temperaturdifferenz
<Kw>: Kühlwasser
<ND>: Niederdruck Dampf
WT: Wärmetauscher Tabelle 1 : Gesamtaustauschfläche für ein Absorptions- und Desorptionsprozessen aus dem Stand der Technik.
Gesamtfläche 34697 m2
Tabelle 2: Gesamtaustauschfläche für ein Absorptions- und Desorptionsprozessen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit Ausführen des in der Wärmeübertragungssektion (22a) vorgewärmten Lösungsstroms.
Gesamtfläche 18522 m2
Tabelle 3: Gesamtaustauschfläche für ein Absorptions- und Desorptionsprozessen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei der in der Wärmeübertragungssektion (22a) vorgewärmten Lösungsstrom vollständig auf den Kopf der Strippsektion (22b) geführt wird.
Gesamtfläche 18672 m2
[0034] Durch das Vorwärmen des Stroms (3) ist die Ausgangstemperatur des Stroms (Tabelle 2, 11 , 59.8°C) wesentlich höher als die ohne Vorwärmung des Stroms (3) (Tabelle 1 , 11 , 46.1 °C). Der Vergleich der mittleren logarithmische Temperaturdifferenz für Wärmetauscher (21) ergibt, dass der Wert nach Tabelle 2 nahezu um die Hälfte kleiner als der Wert von Tabelle 1 ist. Dies führt dementsprechend beinah zu einer Halbierung der benötigten Wärmetauscherfläche. Einen kleineren Teil bei der Verringerung der Wärmeaustauschfläche trägt die um ca. 17% verringerte Wärmeübertragungsleistung mit bei.
[0035] Aus den Ergebnissen ist zu ersehen, dass mit der erfindungsgemäßen Fahrweise nahezu 50% der gesamten Wärmeaustauschfläche sowie ein kompletter Wärmetauscher für das Absorptions- und Desorptionsprozessen gespart werden können. Unter der Annahme, dass pro Quadratmeter Wärmeaustauschfläche ca. 500€ kostet, ergeben sich für dieses Beispiel eine Kosteneinsparung von ca. 8 Mio.€ gegenüber dem bekannten Stand der Technik.
[0036] Die Ergebnisse für die Verfahrensvariante nach Fig. 3 finden sich in Tabelle 3, bei der der in der Wärmeübertragungssektion (22a) vorgewärmte Strom nicht aus der Desorption- seinrichtung herausgezogen wird, sondern vollständig auf den Kopf der Strippsektion (22b) geführt wird. Die insgesamt benötigte Wärmetauscherfläche wird für diese Verfahrensweise in gleicher weise, wie bei der Verfahrensweise nach Fig. 2 verringert. Dies geht allerdings zu Lasten einer deutlich höheren Regenerationsenergiemenge (37900 KW anstelle von 33000 KW). Das entspricht einem Mehrverbrauch von ca. 13% an externer Wärmeenergie, Deren Beschaffung mit hohen Kosten verbunden ist. Daher ist die Verfahrensvariante, bei der der über die Wärmeübertragungssektion (22a) vorgewärmte Teilstrom aus der Desorptionseinrichtung herausgeführt wird, deutlich vorteilhafter als die Verfahrensweise, bei der dieser Strom in der Desorptionseinrichtung verbleibt.
Bezugszeichenliste:
1 Feed Gas
2 Produkt Gas
3 Beladener Lösungsstrom
4 Beladener Teilstrom
4a vorgewärmter Teilstrom
4b Vorgewärmter Teilstrom
5a Beladener Reststrom
5b Beladener, vorgewärmter Gesamtstrom
6 Vorgewärmter Strom
7 Regenerierte Lösung
8 Aufkocher
9 Regenerierter Lösungsmittelstrom
10 Regenerierter Lösungsmittelstrom
11 Lösungsmittelstrom nach Wärmetausch
12 Abgekühlte regenerierte Lösung
13 Abgetrennte Komponente
14 Gekühlte abgetrennte Komponente
15 Rückflusspumpe
16 Pumpe
17 Wärmetauscher
18 Kopfkondensator
19 Rückflussbehälter
20 Absorptionsvorrichtung
21 Wärmetauscher
22 Desorptionsvorrichtung
22a Wärmeübertragungssektion
22b Strippsektion
23 Pumpe
24 Abzweigung

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 (8) 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 (8) 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, 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) durch Wärmetausch mittels der die Desorptionsvorrichtung (22) verlassenden, heißen, regenerierten Lösung (10) vorgewärmt wird,
• wobei der Wärmetausch derart gestaltet wird, dass der Gesamtbedarf der Wärmeaustauschfläche für den Absorptions- und Desorptionsprozess verringert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungssektion (22a) eine Stoffübertragungssektion, die mit Stoffübertragungselementen ausgerüstet ist, aufweist, in der eine direkte Wärmeübertragung vorgenommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungssektion (22a) einen Kondensator aufweist, in dem eine indirekte Wärmeübertragung vorgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgewärmte Teilstrom (4a, 4b) weiter in die Strippsektion (22b) zugeführt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgewärmte Teilstrom (4a, 4b) unterhalb der Wärmeübertragungssektion (22a) abgezogen wird, und mit dem der Absorptionsvorrichtung (20) verlassenden, kalten Reststrom (5a) zusammengeführt durch einen Wärmetauscher (21) mittels der die Desorptionsvorrichtung (22) verlassenden, heißen, regenerierten Lösung (10) aufgewärmt, anschließend auf die Strippsektion (22b) aufgegeben wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der vorgewärmte Teilstrom (4a, 4b) unterhalb der Wärmeübertragungssektion (22a) abgezogen wird, mit dem durch einen Wärmetauscher (21) mittels der die Desorptionsvorrichtung (22) verlassenden, heißen, regenerierten Lösung (10) vorgewärmten Reststrom der Lösung (6) zusammengeführt, und durch einen weiteren Wärmetauscher (21 b) mittels der die Desorptionsvorrichtung (22) verlassenden, heißen, regenerierten Lösung (10) weiter aufgewärmt, anschließend auf die Strippsektion (22b) aufgegeben wird.
7. Verwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 6 bei der ein physikalisch wirkendes Absorptionsmittel verwendet wird.
8. Verwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 6 bei der ein chemisch wirkendes Absorptionsmittel verwendet wird.
9. Verwendung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 8 zur Entfernung von Sauergaskomponenten aus technischen Gasen.
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