EP3394535A1 - Verfahren und vorrichtung zur kryogenen zerlegung von synthesegas - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur kryogenen zerlegung von synthesegas

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EP3394535A1
EP3394535A1 EP16809645.1A EP16809645A EP3394535A1 EP 3394535 A1 EP3394535 A1 EP 3394535A1 EP 16809645 A EP16809645 A EP 16809645A EP 3394535 A1 EP3394535 A1 EP 3394535A1
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EP
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carbon monoxide
methane
separation
column
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Martin Lang
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Definitions

  • the invention relates to a method for the cryogenic disassembly of a predominantly consisting of hydrogen and carbon monoxide, methane-containing feed gas, which is partially condensed by cooling to a largely from
  • the invention relates to a device for carrying out the
  • the condensation process makes it possible to produce a carbon monoxide product with a yield of more than 90%, which has a methane content of less than 400 vppm and which can therefore be used, for example, to produce monoethylene glycol without a further purification step .
  • a cooling circuit is used in the prior art, which uses either externally supplied nitrogen or internally generated carbon monoxide as the refrigerant ,
  • Each of the two variants is complex and represents a significant cost factor that has a significant impact on the economics of gas separation.
  • part of the process streams obtained in the CO / CH 4 separation column and heated against the process streams to be cooled are heated condensed gas phase rich in carbon monoxide, liquefied against process streams to be heated and depressurized at the top of the CO / CH 4 column.
  • Part of the resulting liquid phase forms a column return which achieves the required purity of the carbon monoxide product while the remainder is further relaxed to provide the peak refrigeration for the process.
  • a nitrogen cycle is used in the prior art to provide the peak cooling for the process and produce a reflux for the CO / CH 4 separation column equipped therewith with a condenser cooled with liquid nitrogen at the top of the column provides a temperature difference to drive an internal carbon monoxide return.
  • Both refrigeration circuits are driven by multi-stage compressors. While a two-stage, relatively low-cost compressor can be used in a nitrogen cycle, a carbon monoxide compressor incurs significantly higher costs. The reason for this is, on the one hand, that a carbon monoxide compressor must be designed with at least three compressor stages in order to avoid thermal decomposition of carbon monoxide and resulting soot deposits. On the other hand, it must be explosion-proof and be operated in a particularly secure area in order to prevent leaks
  • the costs of the compressor of a carbon monoxide cycle are therefore up to 50% higher than those for a compressor that is suitable, a corresponding nitrogen cycle
  • the object of the present invention is therefore to specify a method of the generic type and a device for carrying it out, which make it possible to obtain a carbon monoxide product at a reduced cost compared to the prior art.
  • This object is achieved in that deducted from the H 2 separation column, a low-methane stream and then the second separation column is charged as reflux.
  • the second liquid phase largely consisting of carbon monoxide and methane collects in the bottom of the H 2 separation column, while a hydrogen-rich gas phase is withdrawn overhead. From the bottom space rises a produced by the circulation evaporator, containing hydrogen, carbon monoxide and methane gas phase upwards and is over with the first, in countercurrent liquid phase over
  • the invention makes use of the fact that within the H 2 separation column there is at least one stream with a composition suitable for use as reflux in the CO / CH 4 separation column.
  • this stream is low in methane and has a low hydrogen content.
  • the low-methane stream is withdrawn in gaseous form from the H 2 separation column and subsequently heated by cooling against
  • Hydrogen fan part for use in the CO / CH 4 distillation column too high.
  • the withdrawal point for the low-methane gas phase is located between the bottom space and the third practical separation stage of the H 2 separation column.
  • the CO / CH 4 separation column is preferably operated at a pressure which permits the carbon monoxide-rich gas phase, after heating against the process streams to be cooled, to be delivered to a consumer at a pressure equal to or greater than that demanded by the customer for the carbon monoxide product.
  • the CO / CH 4 separation column is operated at a pressure between 8 and 10 bar (a).
  • the method according to the invention is proposed to provide cooling, in particular the peak cooling required for the process, via a cooling circuit in which nitrogen is used as the refrigerant.
  • the nitrogen cycle has no connection to a flammable and / or poisonous process gas, so that it is expedient to use a compressor for its drive, which is neither explosion-proof nor operated in a specially secured zone.
  • the invention relates to a device for the cryogenic disassembly of a predominantly consisting of hydrogen and carbon monoxide, methane-containing feed gas, with at least one heat exchanger for cooling and partial condensation of the feed gas, a separator in which a first liquid phase can be separated from the partially condensed feed gas, a heated via a water heater H 2 -trennkolonne in which from the first liquid phase by separation of hydrogen, a second liquid phase can be generated, and a CO / CH 4 separation column, in which from the second liquid phase, a high carbon monoxide rich gas phase can be separated with a purity that allows their release as carbon monoxide product.
  • the H 2 separation column is connected to the CO / CH 4 separation column such that withdrawn a low-methane stream via a removal point from the H 2 separation column and the CO / CH 4 separation column as Return can be abandoned.
  • the invention provides a cooling device which is arranged between the two separation columns.
  • the cooling device is a heat exchanger which is also used for cooling and / or partial condensation of the feed gas.
  • the cooling device as
  • the H 2 separation column has a plurality of vertically stacked
  • Mass transfer devices which represent practical separation stages and which are preferably designed as a sieve plates and / or slot bell bottoms and / or structured packings and / or Brownenia structure. Below the practical separation stages is the bottom space of the column to which heat can be supplied via the circulation heater.
  • the removal point is preferably below the sixth practical separation stage of the first separation column. It is particularly preferably arranged between the sump space and the third practical separation stage.
  • the H 2 separation column in its lower part on a vertical partition, which the
  • the liquid line is designed in the simplest case as a pipeline and reasonably includes no means for cooling the methane-poor liquid phase.
  • a particularly preferred variant of the device according to the invention provides a nitrogen cycle as a refrigerant, over the or the heat exchanger for cooling and partial condensation of the feed gas extending cooling circuit through which in particular the required at the separator peak cooling for the gas separation can be provided.
  • the cooling circuit expediently comprises a non-explosion-proof compressor with less than three compressor stages.
  • the cooling circuit can be arranged on the suction side of the compressor
  • Feed device for introducing gaseous nitrogen into the circuit, and a removal device for removing excess nitrogen from the circulation, which is located on the pressure side of the compressor.
  • the cooling circuit comprises a further heat exchanger for
  • FIG. 1 shows an embodiment of the process according to the invention in which a stream of material provided as reflux for the CO / CH 4 separation column is withdrawn in gaseous form from the H 2 separation column.
  • FIG. 2 shows another embodiment of the process according to the invention, in which a stream provided as reflux for the second CO / CH 4 separation column is withdrawn liquid from the H 2 separation column.
  • a methane-containing feed gas 1 which is predominantly composed of hydrogen and carbon monoxide and is present at a pressure between 30 and 60 bar (a)
  • a methane-containing feed gas 1 which is predominantly composed of hydrogen and carbon monoxide and is present at a pressure between 30 and 60 bar (a)
  • a two-phase mixture 2 is formed, which is separated in the separator D1 consisting largely of carbon monoxide and methane, hydrogen-containing liquid and a hydrogen-rich gas phase.
  • the gas phase is withdrawn via line 3 from the separator D1 and after warming in the
  • the liquid phase 5 is fed to the H 2 separation column T1.
  • it is split into two partial streams, of which the first 6 is expanded as reflux to the top of the H 2 - separating column T1, while the second partial stream 7 after a
  • the H 2 separation column T1 is operated at a pressure which is between one third and one half of the pressure of the feed gas 1 and serves to remove the hydrogen dissolved in the liquid phase 5. It is heated by a circulating heater 8, which is integrated in the heat exchanger E2.
  • the hydrogen-rich overhead fraction 9 from the H 2 separation column T1 is after
  • Carbon monoxide and methane existing bottoms fraction 1 1 is relaxed in the operated at a pressure between 8.5 and 9bar (a) CO / CH 4 separation column T2.
  • the bottoms fraction 1 1 is split into two partial streams, one of which 12 serves as an intermediate reflux and the second 13, after evaporation in the heat exchanger E2, as an intermediate heater.
  • the CO / CH 4 separation column T2 is a in the
  • Heat exchanger E3 integrated circulating heater 14 heated.
  • the peak cold needed for the process is obtained via a nitrogen cycle driven by the two-stage cycle compressor V.
  • Nitrogen 15 leaves the second compressor stage C2 at a pressure typically between 16 and 16
  • Heat exchanger E3 condensed against heated bottom product 14 of the C07CH 4 - separation column T2.
  • the condensed nitrogen 16 is placed on a
  • Mixture 17 is formed in the separator D2 in a gas 18 and a
  • Liquid phase 19 is separated.
  • a stream 21 formed from the gas phase 18 and a part 20 of the liquid phase 19 is completely evaporated at the intermediate pressure level in the heat exchanger E2 and further heated in the heat exchanger E1 before it is fed to the suction side of the second compressor stage C2.
  • the remaining liquid phase 22 is further relaxed to low pressure level between 3 and 5bar (a), evaporated in the heat exchanger E2 and after warming in
  • Recirculation compressor V returned.
  • the division of the liquid phase 19 into the two partial streams 20 and 22 is carried out in such a way that the temperature required at the separator D1 is reached. If necessary, the closed nitrogen cycle through the low pressure passage
  • gaseous nitrogen 23 is introduced on the warm side of the heat exchanger E1 and liquid nitrogen 24 on the cold side of the heat exchanger E2.
  • Excess nitrogen 25 is discharged on the pressure side of the cycle compressor V.
  • a low-methane gas phase 26 below the sixth practical separation stage is withdrawn from the H 2 separation column T1, cooled in the heat exchanger E 2 and condensed and then via line 27 to the head of CO / CH 4 separation column T2 out.
  • the top product 28 of the CO / CH 4 separation column T2 has the purity required for a carbon monoxide product and is present at a pressure which is high enough to be able to release it as carbon monoxide product 29 after being heated in the heat exchangers E 2 and E 1 without further compression ,
  • a methane-rich, carbon monoxide-containing liquid phase 30 collects is dispensed as fuel gas 31 after evaporation and heating in the heat exchangers E2 and E1.
  • FIG. 2 makes it possible to produce the carbon monoxide product 29 with a higher purity than is possible with the configuration shown in FIG.
  • a column T3 is used for the stripping of hydrogen from the liquid phase 5, which is divided in its lower part by a partition in two segments S1 and S2.
  • a capacitor E4 is arranged, in which as a coolant part 32 of the carbon monoxide and methane sump fraction 1 1 is used.
  • the warmed and vaporized coolant 33 is subsequently fed together with the partial flow 13 of the CO / CH 4 separation column T2 as an intermediate heater.
  • segment S2 In order to avoid methane impurities in the liquid phase in segment S2, the liquid phase flowing out of the upper region of column T3 is fed to segment S1 alone. Below the condenser E4, therefore, a low-methane carbon monoxide fraction 34 can be withdrawn liquid from the segment S2, which serves as reflux at the top of the CO / CH 4 separation column T2.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases (1), das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine weitgehend aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende, Wasserstoff enthaltende erste Flüssigphase (5) zu gewinnen, aus der in einer über einen Umlauferhitzer (8) beheizten H2-Trennkolonne (T1) durch die Abtrennung von Wasserstoff (9) eine zweite Flüssigphase (11) erzeugt wird, aus welcher in einer CO/CH4-Trennkolonne (T2) eine kohlenmonoxidreiche Gasphase (28) mit einer Reinheit erhalten wird, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt (29) erlaubt. Kennzeichnend hierbei ist, dass aus der H2-Trennkolonne (T1) ein methanarmer Stoffstrom (26, 34) abgezogen und anschließend der CO/CH4-Trennkolonne (T2) als Rücklauf aufgegeben wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur krvoqenen Zerlegung von Svntheseqas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases, das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine weitgehend aus
Kohlenmonoxid und Methan bestehende, Wasserstoff enthaltende erste Flüssigphase zu gewinnen, aus der in einer über einen Umlauferhitzer beheizten H2-Trennkolonne durch die Abtrennung von Wasserstoff eine zweite Flüssigphase erzeugt wird, aus welcher in einer CO/CH4-Trennkolonne eine kohlenmonoxidreiche Gasphase mit einer Reinheit erhalten wird, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt erlaubt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Verfahren der gattungsgemäßen Art sind dem Fachmann seit vielen Jahren als sog. Kondensationsprozesse bekannt. Sie werden vorzugsweise zur Zerlegung von Synthesegasen eingesetzt, die durch Partielle Oxidation gewonnen werden und daher einen hohen Kohlenmonoxid- und einen niedrigen Methangehalt aufweisen. Unter der Voraussetzung einer genügend weiten Abkühlung des Einsatzgases erlaubt es der Kondensationsprozess, ein Kohlenmonoxidprodukt mit einer Ausbeute von mehr als 90% zu erzeugen, das einen Methangehalt von weniger als 400vppm aufweist und das daher ohne einen weiteren Reinigungsschritt beispielsweise zur Erzeugung von Monoethylenglykol eingesetzt werden kann. Um insbesondere die für den Prozess benötigte Spitzenkälte zur Verfügung zu stellen und zur Generierung eines Rücklaufs am Kopf der CO/CH4-Kolonne, wird nach dem Stand der Technik ein Kühlkreislauf eingesetzt, der entweder von außerhalb zugeführten Stickstoff oder intern erzeugtes Kohlenmonoxid als Kältemittel verwendet. Jede der beiden Varianten ist aufwendig und stellt einen erheblichen Kostenfaktor dar, der einen deutlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit der Gaszerlegung hat.
Für den Kohlenmonoxidkreislauf wird ein Teil der in der CO/CH4-Trennkolonne erhaltenen und gegen abzukühlende Verfahrensströme angewärmten kohlenmonoxidreichen Gasphase verdichtet, gegen anzuwärmende Verfahrensströme verflüssigt und kälteleistend auf den Kopf der CO/CH4-Kolonne entspannt. Ein Teil der dabei anfallenden Flüssigphase bildet einen Kolonnenrücklauf, durch den die geforderte Reinheit des Kohlenmonoxidprodukts erreicht wird, während der Rest weiter entspannt wird, um die Spitzenkälte für den Prozess zu liefern.
Auch ein Stickstoffkreislauf wird nach dem Stand der Technik dazu eingesetzt, um die Spitzenkälte für den Prozess bereitzustellen und einen Rücklauf für die CO/CH4- Trennkolonne zu erzeugen, die hierfür mit einem Kondensator ausgerüstet ist, der, mit flüssigem Stickstoff gekühlt, am Kolonnenkopf eine Temperaturdifferenz zum Antrieb eines internen Kohlenmonoxidrücklaufs liefert.
Beide Kältekreisläufe werden über mehrstufige Verdichter angetrieben. Während in einem Stickstoffkreislauf ein zweistufiger, vergleichsweise kostengünstiger Verdichter eingesetzt werden kann, fallen für einen Kohlenmonoxidverdichter erheblich höhere Kosten an. Der Grund hierfür liegt zum einen daran, dass ein Kohlenmonoxidverdichter wenigstens mit drei Verdichterstufen ausgeführt sein muss, um eine thermische Zersetzung von Kohlenmonoxid und daraus resultierende Rußablagerungen zu vermeiden. Zum anderen muss er explosionsgeschützt sein und in einem besonders gesicherten Bereich betrieben werden, um zu verhindern, dass austretendes
Kohlenmonoxid zu Schäden bei Menschen und Anlagen führt. Die Kosten für den Verdichter eines Kohlenmonoxidkreislaufs liegen daher um bis zu 50% über denen für einen Verdichter, der geeignet ist, einen entsprechenden Stickstoffkreislauf
anzutreiben.
Die sich aufgrund des Verdichters ergebenden Kostenvorteile des Stickstoffkreislaufs werden jedoch durch den notwendigen Kondensator am Kopf der CO/CH4- Trennkolonne und den durch diesen bedingten, gegenüber einem
Kohlenmonoxidkreislauf höheren Energiebedarf teilweise ausgeglichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, die es erlauben, ein Kohlenmonoxidprodukt zu im Vergleich zum Stand der Technik reduzierten Kosten zu erhalten. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass aus der H2-Trennkolonne ein methanarmer Stoffstrom abgezogen und anschließend der zweiten Trennkolonne als Rücklauf aufgegeben wird. Bei der der Abtrennung des Wasserstoffs aus der ersten Flüssigphase sammelt sich die weitgehend aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende zweite Flüssigphase im Sumpf der H2-Trennkolonne, während eine wasserstoffreiche Gasphase über Kopf abgezogen wird. Aus dem Sumpfraum steigt eine durch den Umlaufverdampfer erzeugte, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Methan enthaltende Gasphase nach oben und wird dabei mit der ersten, im Gegenstrom geführten Flüssigphase über
Trennstufen in intensiven Kontakt gebracht. Weil dabei vorwiegend Methan und Kohlenmonoxid aus der Gasphase rückgewaschen werden und Wasserstoff aus der Flüssigphase abgestrippt wird, ändern sich die Zusammensetzungen der Stoffströme in Strömungsrichtung kontinuierlich. Während in der Gasphase die Anteile von
Kohlenmonoxid und - stärker noch - Methan abnehmen und der Wasserstoffanteil ansteigt, entwickeln sich die entsprechenden Anteile in der Flüssigphase
entgegengesetzt. Aus der ersten H2-Trennkolonne können daher in unterschiedlichen Höhen Stoffströme mit unterschiedlichen Zusammensetzungen abgezogen werden. Die Erfindung macht sich zunutze, dass innerhalb der H2-Trennkolonne wenigstens ein Stoffstrom mit einer für einen Einsatz als Rücklauf in der CO/CH4-Trennkolonne geeigneten Zusammensetzung vorliegt. Insbesondere ist dieser Stoffstrom methanarm und weist einen niedrigen Wasserstoffgehalt auf. Vorzugsweise wird der methanarme Stoffstrom gasförmig aus der H2-Trennkolonne abgezogen und nachfolgend durch Abkühlung gegen anzuwärmende
Verfahrensströme und/oder ein Kältemittel abgekühlt und verflüssigt, bevor er als Rücklauf in die CO/CH4-Trennkolonne eingeleitet wird. Erfahrungsgemäß weist die Gasphase in der H2-Trennkolonne stromaufwärts der sechsten praktischen Trennstufe eine geeignete Zusammensetzung auf, so dass der methanarme Stoffstrom gasförmig vor der sechsten Trennstufe aus der H2- Trennkolonne abgezogen wird. Stromabwärts der sechsten praktischen Trennstufe nimmt der Methangehalt der Gasphase zwar weiter ab, jedoch ist hier der
Wasserstof fanteil für einen Einsatz in der CO/CH4-Trennkolonne zu hoch. Vorzugsweise befindet sich die Abzugsstelle für die methanarme Gasphase zwischen dem Sumpfraum und der dritten praktischen Trennstufe der H2-Trennkolonne.
Daneben soll es jedoch auch möglich sein, alternativ oder zusätzlich zu dem gasförmigen Stoffstrom einen methanarmen Stoffstrom flüssig aus H2-Trennkolonne abzuziehen und der CO/CH4-Trennkolonne als Rücklauf zuzuführen. Bevorzugt wird hierbei darauf verzichtet, den methanarmen Stoffstrom vor seiner Einleitung in die CO/CH4-Trennkolonne abzukühlen. Diese Verfahrensvariante kann mit besonderem Vorzug dann angewendet werden, wenn eine H2-Trennkolonne eingesetzt wird, die in ihrem unteren Teil als Trennwandkolonne ausgeführt ist. Hierdurch ist es möglich, einen wasserstoffarmen Stoffstrom flüssig zu erhalten, der einen wesentlich niedrigeren Methangehalt aufweist, als ein gasförmiger Stoffstrom mit gleichem Wasserstoffgehalt, so dass in der CO/CH4-Trennkolonne eine deutlich höhere Reinheit der kohlenmonoxidreichen Gasphase erreicht werden kann.
Die CO/CH4-Trennkolonne wird vorzugsweise bei einem Druck betrieben, der es erlaubt, die kohlenmonoxidreiche Gasphase nach Anwärmung gegen abzukühlende Verfahrensströme an einen Abnehmer mit einem Druck abzugeben, der gleich oder größer ist als der für das Kohlenmonoxidprodukt vom Abnehmer geforderte. Bevorzugt wird die CO/CH4-Trennkolonne bei einem Druck zwischen 8 und 10bar(a) betrieben.
Das erfindungsgemäße Verfahren fortbildend wird vorgeschlagen, Kälte, insbesondere die für den Prozess benötigte Spitzenkälte über einen Kühlkreislauf zur Verfügung zu stellen, in dem Stickstoff als Kältemittel eingesetzt wird. Der Stickstoffkreislauf besitzt keine Verbindung zu einem brennbaren und/oder giftigen Prozessgas, so dass zweckmäßigerweise für seinen Antrieb ein Verdichter eingesetzt wird, der weder explosionsgeschützt ausgeführt ist, noch in einer speziell gesicherten Zone betrieben wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases, mit wenigstens einem Wärmetauscher zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Einsatzgases, einem Abscheider, in dem eine erste Flüssigphase aus dem partiell kondensierten Einsatzgas abgetrennt werden kann, einer über einen Umlauferhitzer beheizbaren H2-Trennkolonne, in der aus der ersten Flüssigphase durch Abtrennung von Wasserstoff eine zweite Flüssigphase erzeugt werden kann, sowie einer CO/CH4-Trennkolonne, in der aus der zweiten Flüssigphase eine kohlenmonoxidreiche Gasphase mit einer Reinheit abgetrennt werden kann, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt erlaubt.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die H2-Trennkolonne derart mit der CO/CH4-Trennkolonne verbunden ist, dass ein methanarmer Stoffstrom über eine Entnahmestelle aus der H2-Trennkolonne abgezogen und der CO/CH4-Trennkolonne als Rücklauf aufgegeben werden kann.
Um einen gasförmig aus der H2-Trennkolonne abgezogenen Stoffstrom vor seiner Einleitung in die CO/CH4-Trennkolonne verflüssigen zu können, sieht die Erfindung eine Kühleinrichtung vor, die zwischen den beiden Trennkolonnen angeordnet ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Kühleinrichtung um einen Wärmetauscher, der auch zur Abkühlung und/oder partiellen Kondensation des Einsatzgases verwendet wird. Jedoch soll nicht ausgeschlossen sein, dass die Kühleinrichtung als
eigenständiger Wärmetauscher ausgeführt ist.
Die H2-Trennkolonne weist mehrere senkrecht übereinander angeordnete
Stoffaustauscheinrichtungen auf, die praktische Trennstufen darstellen und die vorzugsweise als Siebböden und/oder Schlitzglockenböden und/oder strukturierten Packungen und/oder Füllkörperschüttungen ausgeführt sind. Unterhalb der praktischen Trennstufen befindet sich der Sumpfraum der Kolonne, dem über den Umlauferhitzer Wärme zugeführt werden kann.
Soll der methanarme Stoffstrom gasförmig aus der H2-Trennkolonne abgezogen werden, befindet sich die Entnahmestelle vorzugsweise unterhalb der sechsten praktischen Trennstufe der ersten Trennkolonne. Besonders bevorzugt ist sie zwischen dem Sumpfraum und der dritten praktischen Trennstufe angeordnet.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist die H2-Trennkolonne in ihrem unteren Teil eine senkrecht stehende Trennwand auf, die den
Kolonnenquerschnitt in zwei Segmente teilt. Am oberen Ende der Trennwand befinden sich eine Einleitungsstelle, über die ein Teil der ersten Flüssigphase in eines der Segmente eingeleitet werden kann, sowie eine Kühleinrichtung zur Kondensierung von Gas, das über das andere Segment aus dem Sumpfraum nach oben steigt. Diese als Trennwandkolonne zu bezeichnende Einrichtung ermöglicht es, eine methanarme Flüssigphase zu erzeugen, die aufgrund ihrer Zusammensetzung in der C07CH4- Trennkolonne als Rücklauf eingesetzt werden kann. Die Trennwandkolonne ist hierzu mit einer bevorzugt unmittelbar unterhalb der Kühleinrichtung angeordneten
Entnahmestelle ausgeführt, über die ein methanarmer Stoffstrom flüssig abgezogen und über eine Flüssigkeitsleitung der CO/CH4-Trennkolonne zugeführt werden kann. Die Flüssigkeitsleitung ist im einfachsten Fall als Rohrleitung ausgeführt und umfasst sinnvollerweise keine Einrichtung zur Kühlung der methanarmen Flüssigphase.
Eine besonders bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht einen mit Stickstoff als Kältemittel betreibbaren, über den oder die Wärmetauscher zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Einsatzgases verlaufenden Kühlkreislauf vor, über den insbesondere die am Abscheider erforderliche Spitzenkälte für die Gaszerlegung zur Verfügung gestellt werden kann. Zum Antrieb des im Kreislauf als Kältemittel führbaren Stickstoffs umfasst der Kühlkreislauf zweckmäßigerweise einen nicht-explosionsgeschützten Verdichter mit weniger als drei Verdichterstufen. Weiterhin kann der Kühlkreislauf eine auf der Saugseite des Verdichters angeordnete
Zuführungseinrichtung zur Einleitung von gasförmigem Stickstoff in den Kreislauf, sowie eine Entnahmeeinrichtung zur Entnahme von überschüssigem Stickstoff aus dem Kreislauf aufweisen, die sich auf der Druckseite des Verdichters befindet.
Vorzugsweise umfasst der Kühlkreislauf einen weiteren Wärmetauscher zur
Kondensation von gasförmigem Stickstoff, in den der Umlauferhitzer der CO/CH4- Trennkolonne integriert ist.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand zweier in den Figuren 1 und 2 schematisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein als Rücklauf für die CO/CH4-Trennkolonne vorgesehener Stoffstrom gasförmig aus der H2-Trennkolonne abgezogen wird.
Die Figur 2 zeigt eine andere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem ein als Rücklauf für die zweite CO/CH4-Trennkolonne vorgesehener Stoffstrom flüssig aus der H2-Trennkolonne abgezogen wird. In den beiden Figuren sind gleiche Anlagenteile und Verfahrensströme mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In Figur 1 wird ein zu zerlegendes, vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltendes Einsatzgas 1 , das mit einem Druck zwischen 30 und 60bar(a) vorliegt, im ersten E1 und im zweiten Wärmetauscher E2 gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt, wobei durch die Kondensation von Komponenten ein zweiphasiges Stoffgemisch 2 entsteht, das im Abscheider D1 eine weitgehend aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende, Wasserstoff enthaltende Flüssig- und eine wasserstoffreiche Gasphase getrennt wird. Die Gasphase wird über Leitung 3 aus dem Abscheider D1 abgezogen und nach Anwärmung in den
Wärmetauschern E2 und E1 als Rohwasserstoff 4 an der Anlagengrenze abgegeben. Die Flüssigphase 5 dagegen wird der H2-Trennkolonne T1 zugeführt. Hierzu wird sie in zwei Teilströme gesplittet, von denen der erste 6 als Rücklauf auf den Kopf der H2- Trennkolonne T1 entspannt wird, während der zweite Teilstrom 7 nach einer
Entspannung und Teilverdampfung im Wärmetauscher E2 dem Mittelteil der H2- Trennkolonne T1 als Zwischenheizung aufgegeben wird. Die H2-Trennkolonne T1 wird bei einem Druck betrieben, der zwischen einem Drittel und der Hälfte des Drucks des Einsatzgases 1 liegt, und dient zur Entfernung des in der Flüssigphase 5 gelösten Wasserstoffs. Sie wird durch einen Umlauferhitzer 8 beheizt, der im Wärmetauscher E2 integriert ist. Die wasserstoffreiche Kopffraktion 9 aus der H2-Trennkolonne T1 wird nach
Anwärmung in den Wärmetauschern E2 und E1 als Flash-Gas 10 an der
Anlagengrenze abgegeben, während die weitgehend wasserstofffreie, aus
Kohlenmonoxid und Methan bestehende Sumpffraktion 1 1 in die bei einem Druck zwischen 8,5 und 9bar(a) betriebene CO/CH4-Trennkolonne T2 entspannt wird. Hierzu wird die Sumpffraktion 1 1 in zwei Teilströme gesplittet, von denen der eine 12 als Zwischenrücklauf und der zweite 13, nach Verdampfung im Wärmetauscher E2, als Zwischenheizung dient. Die CO/CH4-Trennkolonne T2 wird über einen im
Wärmetauscher E3 integrierten Umlauferhitzer 14 beheizt. Die für den Prozess benötigte Spitzenkälte wird über einen durch den zweistufigen Kreislaufverdichter V angetriebenen Stickstoffkreislauf erhalten. Stickstoff 15 verlässt die zweite Verdichterstufe C2 mit einem Druck, der typischerweise zwischen 16 und
21 bar(a) liegt, wird nachfolgend im Wärmetauscher E1 abgekühlt und im
Wärmetauscher E3 gegen anzuwärmendes Sumpfprodukt 14 der C07CH4- Trennkolonne T2 kondensiert. Der kondensierte Stickstoff 16 wird auf einen
Zwischendruck zwischen 7 und 9bar(a) entspannt, wobei ein zweiphasiges
Stoffgemisch 17 entsteht, das im Abscheider D2 in eine Gas- 18 und eine
Flüssigphase 19 getrennt wird. Ein aus der Gasphase 18 und einem Teil 20 der Flüssigphase 19 gebildeter Stoffstrom 21 wird auf dem Zwischendruckniveau im Wärmetauscher E2 vollständig verdampft und im Wärmetauscher E1 weiter angewärmt, bevor er der Saugseite der zweiten Verdichterstufe C2 zugeführt wird. Die verbleibende Flüssigphase 22 wird weiter auf Niederdruckniveau zwischen 3 und 5bar(a) entspannt, im Wärmetauscher E2 verdampft und nach Anwärmung im
Wärmetauscher E1 über die Saugseite der ersten Verdichterstufe C1 in den
Kreislaufverdichter V zurückgeführt. Die Aufteilung der Flüssigphase 19 in die beiden Teilströme 20 und 22 wird dabei so durchgeführt, dass die am Abscheider D1 geforderte Temperatur erreicht wird. Bei Bedarf kann dem geschlossenen Stickstoffkreislauf über die Niederdruckpassage
22 von außen Stickstoff zugeführt werden, wobei gasförmiger Stickstoff 23 auf der warmen Seite des Wärmetauschers E1 und flüssiger Stickstoff 24 auf der kalten Seite des Wärmetauschers E2 eingeleitet wird. Überschüssiger Stickstoff 25 wird auf der Druckseite des Kreislaufverdichters V abgeführt.
Um einen Rücklauf für die CO/CH4-Trennkolonne T2 zu erzeugen, wird eine methanarme Gasphase 26 unterhalb der sechsten praktischen Trennstufe aus der H2- Trennkolonne T1 abgezogen, im Wärmetauscher E2 abgekühlt und kondensiert und anschließend über Leitung 27 zum Kopf der CO/CH4-Trennkolonne T2 geführt. Das Kopfprodukt 28 der CO/CH4-Trennkolonne T2 weist die für ein Kohlenmonoxidprodukt geforderte Reinheit auf und liegt mit einem Druck vor, der hoch genug ist, um es nach Anwärmung in den Wärmetauschern E2 und E1 ohne weitere Verdichtung als Kohlenmonoxidprodukt 29 abgeben zu können. Im Sumpf der CO/CH4-Trennkolonne T2 sammelt sich eine methanreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Flüssigphase 30, die nach Verdampfung und Anwärmung in den Wärmetauschern E2 und E1 als Brenngas 31 abgegeben wird.
Das in Figur 2 dargestellte Ausführungsbeispiel erlaubt es, das Kohlenmonoxidprodukt 29 mit einer höheren Reinheit zu erzeugen, als dies mit der in Figur 1 gezeigten Konfiguration möglich ist. Hierzu wird zur Abstrippung von Wasserstoff aus der Flüssigphase 5 eine Kolonne T3 eingesetzt, die in ihrem unteren Bereich durch eine Trennwand in zwei Segmente S1 und S2 unterteilt ist. Am oberen Ende des Segments S1 befindet sich die Zuleitungsstelle für den Teilstrom 7 der Flüssigphase 5, die als Zwischenheizung dient, während am oberen Ende des Segments S2 ein Kondensator E4 angeordnet ist, in dem als Kühlmittel ein Teil 32 der aus Kohlenmonoxid und Methan bestehenden Sumpffraktion 1 1 eingesetzt wird. Das angewärmte und verdampfte Kühlmittel 33 wird nachfolgend gemeinsam mit dem Teilstrom 13 der CO/CH4-Trennkolonne T2 als Zwischenheizung zugeführt. Um Methan- Verunreinigungen der Flüssigphase in Segment S2 zu vermeiden, wird die aus dem oberen Bereich der Kolonne T3 abströmende Flüssigphase alleine dem Segment S1 zugeführt. Unterhalb des Kondensators E4 kann daher aus dem Segment S2 eine methanarme Kohlenmonoxidfraktion 34 flüssig abgezogen werden, die am Kopf der CO/CH4-Trennkolonne T2 als Rücklauf dient.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und
Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases (1 ), das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine weitgehend aus
Kohlenmonoxid und Methan bestehende, Wasserstoff enthaltende erste
Flüssigphase (5) zu gewinnen, aus der in einer über einen Umlauferhitzer (8) beheizten H2-Trennkolonne (T1 ) durch die Abtrennung von Wasserstoff (9) eine zweite Flüssigphase (1 1 ) erzeugt wird, aus welcher in einer CO/CH4-Trennkolonne (T2) eine kohlenmonoxidreiche Gasphase (28) mit einer Reinheit erhalten wird, die ihre Abgabe als Kohlenmonoxidprodukt (29) erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass aus der H2-Trennkolonne (T1 ) ein methanarmer Stoffstrom (26, 34) abgezogen und anschließend der CO/CH4-Trennkolonne (T2) als Rücklauf aufgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der methanarme
Stoffstrom (26) gasförmig aus der H2-Trennkolonne (T1 ) abgezogen und vor seiner
Einleitung in O0/CH4-Trennkolonne (T2) durch Abkühlung verflüssigt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der methanarme Stoffstrom (26) aus der H2-Trennkolonne (T1 ) unterhalb der sechsten praktischen Trennstufe abgezogen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der methanarme
Stoffstrom (26) aus dem Sumpfraum und/oder zwischen der ersten und der dritten praktischen Trennstufe abgezogen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der methanarme
Stoffstrom (34) flüssig aus der H2-Trennkolonne abgezogen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in der CO/CH4-Trennkolonne erhaltene kohlenmonoxidreiche Gasphase (28) angewärmt und ohne Druckerhöhung als Kohlenmonoxidprodukt (29) abgegeben wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass
Spitzenkälte über einen Stickstoffkreislauf zur Verfügung gestellt wird.
8. Vorrichtung zur kryogenen Zerlegung eines vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehenden, Methan enthaltenden Einsatzgases (1 ), mit wenigstens einem Wärmetauscher (E1 , E2) zur Abkühlung und partiellen
Kondensation des Einsatzgases (1 ), einem Abscheider (D1 ), in dem eine erste Flüssigphase (5) aus dem partiell kondensierten Einsatzgas (2) abgetrennt werden kann, einer über einen Umlauferhitzer (8) beheizbaren H2-Trennkolonne (T1 ), in der aus der ersten Flüssigphase (5) durch Abtrennung von Wasserstoff (9) eine zweite Flüssigphase (1 1 ) erzeugt werden kann, sowie einer CO/CH4-Trennkolonne (T2), in der aus der zweiten Flüssigphase (1 1 ) eine kohlenmonoxidreiche
Gasphase (28) mit einer Reinheit abgetrennt werden kann, die ihre Abgabe als
Kohlenmonoxidprodukt (29) erlaubt, dadurch gekennzeichnet, dass die H2- Trennkolonne (T1 ) derart mit der CO/CH4-Trennkolonne (T2) verbunden ist, dass ein methanarmer Stoffstrom (26, 34) über eine Entnahmestelle aus der H2- Trennkolonne (T1 ) abgezogen und der CO/CH4-Trennkolonne (T2) als Rücklauf aufgegeben werden kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zwischen der H2- (T1 ) und der CO/CH4-Trennkolonne (T2) eine Kühleinrichtung (E2) zur
Verflüssigung eines gasförmig aus der H2-Trennkolonne abgezogenen
methanarmen Stoffstroms (26) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmestelle für den methanarmen Stoffstrom (26) unterhalb der sechsten praktischen Trennstufe der H2-Trennkolonne angeordnet ist.
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Entnahmestelle für den methanarmen Stoffstrom (26) zwischen dem Sumpfraum und der dritten praktischen Trennstufe der H2-Trennkolonne (T1 ) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die H2-Trennkolonne (T1 ) in ihrem unteren Teil als Trennwandkolonne ausgeführt ist, aus der der methanarme Stoffstrom (34) flüssig abgezogen werden kann.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Kühlkreislauf umfasst, der mit Stickstoff als Kühlmittel betreibbar ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die H2-Trennkolonne (T1 ) mit einem Siebböden und/oder Schlitzglockenböden und/oder strukturierten Packungen und/oder Füllkörperschüttungen als praktischen Trennstufen ausgeführt ist.
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