LU103328B1 - Erzeugen von verdichtetem Synthesegas aus feuchtem Wasserstoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft die Erzeugung von Synthesegas, welches bevorzugt im Wesentlichen aus N2 und H2 besteht und für die Herstellung von NH3 im Haber-Bosch-Verfahren geeignet ist. Die für das Syn- thesegas benötigte Menge an N2 wird bevorzugt als erstes Gas durch Luftzerlegung bereitgestellt, wobei das erste Gas herstellungsbedingt typischerweise bereits auf einen Druck p1 verdichtet ist. Die für das Synthesegas benötigte Menge an H2 wird bevorzugt durch Wasserelektrolyse als zweites Gas bereitge- stellt, wobei das zweite Gas herstellungsbedingt typischerweise mit H2O gesättigt ist und bei nur gerin- gem Druck p2 vorliegt. Erfindungsgemäß wird das zweite Gas zunächst mit einem ersten Kompressi- onssystem (sog. "H2 Booster-Verdichter") auf einen Druck p3 verdichtet, welcher mit dem Druck p1 des ersten Gases kompatibel ist, und anschließend mit dem ersten Gas vereint, wodurch ein Synthesegas mit einem resultierenden Druck p4 erzeugt wird. Danach wird das so erzeugte Synthesegas mit einem zweiten Kompressionssystem (sog. "Syngas-Verdichter") auf einen Druck p5 verdichtet.

Description

! LU103328

Erzeugen von verdichtetem Synthesegas aus feuchtem Wasserstoff

[0001] Die Erfindung betrifft die Erzeugung von Synthesegas, welches bevorzugt im Wesentlichen aus

N; und H> besteht und für die Herstellung von NH; im Haber-Bosch-Verfahren geeignet ist. Die für das

Synthesegas benötigte Menge an N; wird für eine sogenannte "grüne" NHz-Anlage ohne CO,-Emissio- nen bevorzugt als erstes Gas durch Luftzerlegung bereitgestellt, wobei das erste Gas herstellungsbedingt typischerweise bereits auf einen Druck p1 verdichtet ist. Die für das Synthesegas benötigte Menge an

Hz wird in diesem Fall bevorzugt durch Wasserelektrolyse als zweites Gas bereitgestellt, wobei das zweite Gas herstellungsbedingt typischerweise mit H,O gesittigt ist und bei nur geringem Druck p2 vorliegt. Erfindungsgemäß wird das zweite Gas zunächst mit einem ersten Kompressionssystem (sog. "H2 Booster-Kompressor") auf einen Druck p3 verdichtet, welcher mit dem Druck p1 des ersten Gases kompatibel ist, und anschließend mit dem ersten Gas vereint, wodurch ein Synthesegas mit einem re- sultierenden Druck p4 erzeugt wird. Danach wird das so erzeugte Synthesegas mit einem zweiten Kom- pressionssystem (sog. "Synthesegas-Kompressor") auf einen Druck pS verdichtet.

[0002] Die Erfindung befasst sich insbesondere mit dem Wassergehalt des bei der Wasserelektrolyse erhaltenen zweiten Gases und dessen Auswirkungen auf die Verdichtung.

[0003] Für die industrielle Herstellung von NH; im Haber-Bosch-Verfahren werden große Mengen an

Nz und H; benötigt. Zentrifugalkompressoren sind zwar für die Verdichtung von Gasen geringen Mole- kulargewichts wie H, weniger gut geeignet als für die Verdichtung von Gasen hohen Molekularge- wichts, haben jedoch eine deutlich höhere Kapazität. Für die Verdichtung großer Mengen an Ho ist es daher wirtschaftlich sinnvoll, Zentrifugalkompressoren anstelle von herkömmlichen Verdrängungskom- pressoren einzusetzen. Die Zentrifugalkompressoren sind dazu typischerweise mehrstufig ausgebildet, d.h. sie umfassen mehrere, von dem zu verdichtenden Gas nacheinander durchlaufene Kompressions- stufen.

[0004] Zentrifugalkompressoren sind anfällig für einen Zustand, welcher als "Surge" bezeichnet wird.

Sinkt der Durchfluss unter eine gewisse Grenze, kommt es zu kurzzeitigen Rückströmungen, sogenann- ten Pumpstößen, was zu Schäden führen kann. Zentrifugalkompressoren sind daher üblicherweise mit einem Anti-Surge-System ausgestattet, welches einen Mindestdurchfluss durch den Zentrifugalkom- pressor aufrechterhält, so dass der instabile Surge-Zustand nicht erreicht wird.

[0005] Dazu wird ein Teil des Durchflusses über ein Rückführsystem auf die Ansaugseite des Zentri- fugalkompressors zurückgeführt oder über eine Leitung an die Atmosphäre abgegeben. Wenn sich der

Zentrifugalkompressor dem instabilen Surge-Zustand nähert (geringer Durchfluss, hohe Förderhöhe), öffnet sich ein Anti-Surge-Ventil und leitet eine vorübergehende Anti-Surge-Maßnahme ein, bei der ein

Teil des Durchflusses entweder zurück zur Ansaugseite geführt oder in die Atmosphäre abgegeben wird.

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Ist infolge dieser vorübergehenden Anti-Surge-Maßnahme der Durchfluss durch den Zentrifugalkom- pressor wieder ausreichend groß und der Zustand stabil, schließt sich das Anti-Surge-Ventil wieder und beendet so die Anti-Surge-Maßnahme, so dass der Zentrifugalkompressor wieder im Normalbetrieb be- trieben wird.

[0006] Bei mehrstufigen Kompressionssystemen, die mehrere Kompressionsstufen mit jeweils einem

Zentrifugalverdichter aufweisen, unterscheidet man das Verdichtungsverhältnis des gesamten Kompres- sionssystems und das Verdichtungsverhältnis einer einzelnen Kompressionsstufe. Das Verdichtungs- verhältnis des gesamten Kompressionssystems ist das Verhältnis des Austrittsdruck aus dem Kompres- sionssystem (hinter der letzten Kompressionsstufe) zu dem Eintrittsdruck in das Kompressionssystem (vor der ersten Kompressionsstufe). Das Verdichtungsverhältnis einer einzelnen Kompressionsstufe ist das Verhältnis des Austrittsdruck aus dieser Kompressionsstufe zu dem Eintrittsdruck in diese Kom- pressionsstufe. Bei Zentrifugalkompressoren ist für jede Kompressionsstufe das Verhältnis von Aus- trittsdruck zum Eintrittsdruck (Verdichtungsverhältnis der Kompressionsstufe) ein kritischer Parameter, welcher umso empfindlicher wird, je geringer das Molekulargewicht des zu verdichtenden Gases ist.

Dies gilt analog für Gasgemische, bei denen sich das Molekulargewicht des Gasgemischs aus dem Mo- lekulargewicht der einzelnen Bestandteile in Reinform und den jeweiligen Molfraktionen im Gemisch ergibt. Für die Verdichtung von Gasen geringen Molekulargewichts wie H> mit Zentrifugalkompresso- ren wurde daher vorgeschlagen, Gemische von H; mit schwereren Gasen zu verdichten, um so das hô- here Molekulargewicht des Gemischs für die Verdichtung nutzen zu können und dadurch das Verhältnis von Austrittsdruck zum Eintrittsdruck jeder Kompressionsstufe zu verbessern (vgl. z.B. US 3,401,111,

DE 1 792 421 A1). Ein solches schwereres Gas kann u.a. H>O sein (vgl. z.B. EP 3 789 616 Al).

[0007] EP 4 060 089 A2 betrifft ein Verfahren zur Herstellung von komprimiertem Wasserstoffgas, umfassend: Elektrolysieren von Wasser für das Erzeugen von Wasserstoffgas, und Komprimieren des

Wasserstoffgases in einem mehrstufigen Kompressionssystem für das Erzeugen des komprimierten

Wasserstoffgases, wobei das mehrstufige Kompressionssystem umfasst: eine zentrifugale Kompressi- onsstufe mit einem Zuführende und einem Produktende, und ein Rückführsystem zum Zurückführen eines Teils des Wasserstoffgases von dem Produktende zu dem Zuführende, wobei eine Wasserstoff- gaszufuhr zu dem Zuführende mit einer vorbestimmten Zuführtemperatur und einem vorbestimmten

Zuführdruck und mit einer vorbestimmten Molfraktion von Wasser zugeführt wird, wobei ein Teil des

Wasserstoffgases bei Bedarf von dem Produktende entfernt und in dem Rückführsystem zu dem vorbe- stimmten Zuführdruck vor einem Kühlungsschritt druckreduziert wird, um ein druckreduziertes Was- serstoffgas vorzusehen, das dann zurückgeführt wird, um wenigstens einen Teil der Wasserstoffgaszu- fuhr zu der zentrifugalen Kompressionsstufe zu bilden, und wobei der Prozess das Kühlen des Wasser- stoffgases mit dem darın enthaltenen druckreduzierten Wasserstoffgas umfasst, sodass die Molfraktion von Wasser in der Wasserstoffgaszufuhr die vorbestimmte Molfraktion von Wasser ist. Das Auskon- densieren von Wasser in dem über das Rückführsystem zurückgeführten Wasserstoffgas soll dadurch verhindert werden, dass der Druck des Wasserstoffgases vermindert wird, bevor das Wasserstoffgas abgekühlt wird.

[0008] Das in EP 4 060 089 A2 vorgeschlagene Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass ein zusätzlicher

Wärmetauscher zum Abkühlen des verdichteten Gases im Rückführsystem benötigt wird (vgl. Abbil- dungen 1 und 3 von EP 4 060 089 A2, E116). So können die Wärmetauscher, welche bei herkömmlichen mehrstufigen Kompressionssystemen bereits vorhanden sind, nicht für das Verfahren gemäß EP 4 060 089 A2 genutzt werden, weil sie üblicherweise den Zentrifugalverdichtern in jeder zentrifugalen Kom- pressionsstufe unmittelbar nachgeschaltet sind. Das in EP 4 060 089 A2 vorgeschlagene Verfahren er- fordert jedoch, dass das Rückführsystem bereits stromaufwärts dieser herkömmlichen Wärmetauscher, d.h. unmittelbar nach den Zentrifugalverdichtern abgezweigt wird, um ein vorzeitiges Abkühlen des rückgeführten Wasserstoffgases in diesen herkömmlichen Wärmetauschern zu verhindern.

[0009] Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Verdichten von wasserdampfhaltigem Ha bereitzustellen, welches für die industrielle Synthese von NH; nach dem Haber-Bosch-Verfahren geeig- net ist und die Nachteile des Standes der Technik überwindet. Das Verfahren sollte in möglichst wirt- schaftlicher Weise durchführbar sein und keinen hohen zusätzlichen apparativen Aufwand erfordern. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

[0010] Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der Verfahrensansprüche gelöst.

[0011] Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen eines verdichteten Syn- thesegases, welches einen Druck pS aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines verdichteten ersten Gases, welches N, umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht und einen Druck p1 aufweist; (b) Bereitstellen eines zweiten Gases, welches Hz und H,O umfasst oder im Wesentlichen daraus be- steht und einen Druck p2 aufweist, wobei p2 < pl; (c) mehrstufiges Verdichten des zweiten Gases in einem ersten Kompressionssystem, um ein verdich- tetes zweites Gas (1) mit einem Druck p3 (Normalbetrieb) oder (ii) bei Bedarf vorübergehend mit einem Druck p3' (Anti-Surge-Betrieb) zu erzeugen, wobei p3' < p3; wobei das erste Kompressionssystem mehrere in Serie geschaltete

Kompressionsstufen umfasst, welche jeweils einen Einlass, einen Zentrifugalkompressor und einen

Auslass umfassen; (d) Vereinen des verdichteten ersten Gases und des verdichteten zweiten Gases, um ein Synthesegas (i) mit einem resultierenden Druck p4 (Normalbetrieb) oder (ii) bei dem Bedarf vorübergehend mit einem resultierenden Druck p4' (Anti-Surge-Betrieb)

zu erzeugen, wobei p4' < p4; und (e) mehrstufiges Verdichten des Synthesegases in einem zweiten Kompressionssystem, um das ver- dichtete Synthesegas mit dem Druck p5 zu erzeugen; wobei bei dem Bedarf Schritt (c) vorübergehend die Teilschritte umfasst: (cı) Abzweigen zumindest eines Teils des zweiten Gases von dem Auslass einer der Kompressions- stufen in ein Rückführsystem; (cz) Vermindern des Drucks des zweiten Gases in dem Rückführsystem; und (cs) Rückführen des zweiten Gases über das Rückführsystem in den Einlass derselben Kompressions- stufe oder einer anderen vorgeschalteten Kompressionsstufe des ersten Kompressionssystems.

[0012] Mit dem Auskondensieren und Abtrennen von Wasser aus zurückgeführtem wasserdampfhalti- gen Wasserstoff im Anti-Surge-Betrieb geht ggf. eine Verminderung des Molekulargewichts des was- serdampfhaltigen Wasserstoffs (Hz) einher, was zu einem verminderten Verdichtungsverhältnis des ers- ten Kompressionssystems führt. Es wurde überraschend gefunden, dass durch eine Auslegungsreserve des zweiten Kompressionssystems dieses verminderte Verdichtungsverhältnis des ersten Kompressi- onssystems kompensiert werden kann, so dass dennoch selbst im Anti-Surge-Betrieb der gewünschte

Druck p5 des verdichteten Synthesegases erreicht werden kann.

[0013] Es wurde ferner überraschend gefunden, dass für das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu dem Verfahren gemäß EP 4 060 089 A2 ein Wärmetauscher weniger benötigt wird. Der für das erfindungsgemäße Verfahren ggf. benötigte zusätzliche Kondensat-Abscheider (vgl. Abbildungen 3 und 4, Kondensat-Abscheider (24c))) ist im Vergleich zu einem solchen zusätzlichen Wärmetauscher deut- lich kostengünstiger und damit vorteilhaft.

[0014] Außerdem wurde überraschend gefunden, dass erfindungsgemäß die benötigte Antriebsleistung vermindert werden kann. Der reduzierte Saugdruck beim zweiten Kompressionssystem (Synthesegas-

Kompressor) führt dazu, dass bei vorgegebenem Volumenstrom an der Pumpgrenzregellinie der Mas- senstrom ım Bypass reduziert wird, wodurch die Leistungsaufnahme sinkt. Dies ist insbesondere des- wegen von Vorteil, da bei einer geringen Anlagenlast in der Regel auch weniger erneuerbare Energie zum Antrieb der Kompressoren zur Verfügung steht. Verstärkt wird die Leistungsreduzierung noch durch die verringerte Wassermenge bei der Kompression im ersten Kompressionssystem (Hz Booster-

Kompressor).

[0015] Für das erfindungsgemäße Verfahren sind zwei Betriebszustände (1) und (11) zu unterscheiden.

[0016] Bei Betriebszustand (1), welcher erfindungsgemäß auch als "Normalbetrieb" bezeichnet wird, werden die Teilschritte (cı) bis (c3) nicht ausgeführt. Entsprechend erfolgt dann in Schritt (c) das mehr- stufige Verdichten des zweiten Gases in dem ersten Kompressionssystem, um ein verdichtetes zweites

Gas mit einem Druck p3 zu erzeugen. Entsprechend erfolgt dann in Schritt (d) das Vereinen des

> LU103328 verdichteten ersten Gases und des verdichteten zweiten Gases, um ein Synthesegas mit einem resultie- renden Druck p4 zu erzeugen. Entsprechend erfolgt dann in Schritt (e) das mehrstufige Verdichten des

Synthesegases in einem zweiten Kompressionssystem ausgehend von Druck p4, um das verdichtete

Synthesegases mit dem Druck pS zu erzeugen.

[0017] Bei Betriebszustand (ii), welcher erfindungsgemäß auch als "Anti-Surge-Betrieb" bezeichnet wird, werden wegen eines Bedarfs die Teilschritte (cı) bis (cs) vorübergehend ausgeführt. Entsprechend erfolgt dann in Schritt (c) das mehrstufige Verdichten des zweiten Gases in dem ersten Kompressions- system, um ein verdichtetes zweites Gas mit einem Druck p3' zu erzeugen, wobei p3' < p3. Entspre- chend erfolgt dann in Schritt (d) das Vereinen des verdichteten ersten Gases und des verdichteten zwei- ten Gases, um ein Synthesegas mit einem resultierenden Druck p4' zu erzeugen, wobei p4' < p4. Ent- sprechend erfolgt dann in Schritt (e) das mehrstufige Verdichten des Synthesegases in einem zweiten

Kompressionssystem ausgehend von Druck p4', um das verdichtete Synthesegases mit dem Druck p5 zu erzeugen.

[0018] Im Betriebszustand (ii) muss demnach das zweite Kompressionssystem ein größeres Verdich- tungsverhältnis p5 : p4' als im Betriebszustand (1) gewährleisten, um ausgehend von dem niedrigeren resultierenden Druck p4' denselben gewünschten Druck p5 des Synthesegases zu erreichen. Dies kann erfindungsgemäß durch Ausnutzung einer Auslegungsreserve des zweiten Kompressionssystems ge- währleistet werden.

[0019] Zum Zwecke der Beschreibung bedeutet im Fall chemischer Stoffgemische "im Wesentlichen bestehend aus", dass es ganz bestimmte weitere Bestandteile geben kann, nämlich solche, welche die wesentlichen Merkmale des Stoffgemischs nicht signifikant verändern. Bevorzugt beträgt der Gesamt- gehalt solcher weiteren Bestandteile höchstens 2 Gew.-%, bevorzugter höchstens 1 Gew.-%, noch be- vorzugter höchstens 0,5 Gew.-%, am bevorzugtesten höchstens 0,1 Gew.-%, jeweils bezogen auf das

Gesamtgewicht des Stoffgemischs.

[0020] Bevorzugt ist der Bedarf für die vorübergehende Ausführung der Teilschritte (cı) bis (cz) ein instabiler Zustand des ersten Kompressionssystems, welcher zur Restabilisierung eine Anti-Surge-Maß- nahme erfordert. Der instabile Zustand kann dabei durch ein Absinken bzw. Annähern des Volumen- stroms des zu verdichtenden Gases unter bzw. an einen kritischen Schwellenwert eintreten.

[0021] Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass sich eine Auslegungsreserve des zweiten Kom- pressionssystems (Synthesegas-Kompressors) dazu nutzen lässt, im Betriebszustand (ii) die Druckdif- ferenz p3 - p3' bzw. eine nach dem Vereinen des verdichteten ersten Gases und des verdichteten zweiten

Gases resultierende Druckdifferenz p4 - p4' zu kompensieren. Eine solche Auslegungsreserve des zwei- ten Kompressionssystems (Synthesegas-Kompressors) ergibt sich erfindungsgemäß aus mehreren Fak- toren. Das zweite Kompressionssystem kann bevorzugt bauartbedingt im Betriebszustand (ii) (Anti-

Surge-Betrieb) eine größere Förderhöhe und damit ein größeres Verdichtungsverhältnis erzeugen als im

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Betriebszustand (i) (Normalbetrieb). Dies hängt bevorzugt damit zusammen, dass die Kennlinien der

Fôrderhôhe von Zentrifugalkompressoren (Turboverdichtern) bei geringeren Volumenstrômen anstei- gen. Außerdem wird erfindungsgemäß bei der Auslegung des ersten und zweiten Kompressionssystems der Standard API 617 vom American Petroleum Institute berücksichtigt, wonach die maximal mögliche kontinuierliche Drehzahl 105% betragen sollte im Vergleich zur Drehzahl im Auslegungspunkt. Die

Regelbarkeit des zweiten Kompressionssystems wird erfindungsgemäß bevorzugt durch einen frequenz- geregelten Elektromotor erreicht. Da die Förderhöhe quadratisch von der Drehzahl abhängt, kann somit durch Erhöhung der Drehzahl ein größerer Druck bzw. ein größeres Verdichtungsverhältnis erreicht werden. Falls sich hierdurch eine geringfügig größere Leistungsaufnahme ergibt, kann diese bevorzugt durch eine Leistungsreserve des Elektromotors von bevorzugt 10% abgedeckt werden.

[0022] Erfindungsgemäß bevorzugt reicht die Auslegungsreserve des zweiten Kompressionssystems aus, um im Fall der vorübergehenden Ausführung der Teilschritte (cı) bis (cs) das Synthesegas in Schritt (e) von dem Druck p4' auf den Druck p5 zu verdichten.

[0023] Bevorzugt umfasst mindestens eine Kompressionsstufe, bevorzugt jede Kompressionsstufe, stromabwärts des jeweiligen Zentrifugalkompressors und stromaufwärts des jeweiligen Auslasses einen

Wärmetauscher, in dem das zweite Gas abgekühlt wird. Dies ist ein Unterschied zu dem Verfahren gemäß EP 4 060 089 A2, wo ein Wärmetauscher stromaufwärts des ersten Kompressors angeordnet ist, und zwar entweder im Verdichtungskanal (vgl. Abbildung 2 von EP 4 060 089 A2, E100) oder im

Rückführsystem (vgl. Abbildungen 1 und 3 von EP 4 060 089 A2, E116), und wo das Rückführsystem unmittelbar hinter dem Kompressor abgezweigt wird, ohne zuvor durch den Wärmetauscher und ggf.

Kondensat-Abscheider des Verdichtungskanals geführt zu werden.

[0024] Bevorzugt umfasst dabei mindestens eine Kompressionsstufe stromabwärts des jeweiligen Wär- metauschers und stromaufwärts des jeweiligen Auslasses einen Kondensat-Abscheider, in dem ggf. aus- kondensiertes H,O von dem zweiten Gas abgetrennt wird.

[0025] Bevorzugt umfasst dabei eine letzte, bevorzugt dritte Kompressionsstufe stromabwärts ihres

Wärmetauchers und stromaufwärts ihres Auslasses keinen Kondensat-Abscheider. Bevorzugt umfasst die letzte, bevorzugt dritte Kompressionsstufe stattdessen in ihrem Rückführsystem stromaufwärts eines

Anti-Surge-Ventils einen Kondensat-Abscheider, in dem ggf. auskondensiertes HO von dem zweiten

Gas abgetrennt wird.

[0026] Die Kondensat-Abscheider können beispielsweise als Phasentrenner ausgestaltet sein.

[0027] Bevorzugt umfasst jede der Kompressionsstufen des ersten Kompressionssystems jeweils ein eigenes Rückführsystem für zumindest einen Teil des zweiten Gases vom jeweiligen Auslass der jewei- ligen Kompressionsstufe zum jeweiligen Einlass derselben Kompressionsstufe, wobei die Rückführsys- teme jeweils unabhängig voneinander bei Bedarf zur vorübergehenden Ausführung der Teilschritte (cı) bis (cs) konfiguriert sind.

[0028] Bevorzugt umfasst jedes erfindungsgemäße Rückführsystem auf der Strecke vom jeweiligen

Auslass der Kompressionsstufe bis zum jeweiligen Einlass der Kompressionsstufe im Wesentlichen le- diglich eine Rohrleitung, ein Anti-Surge-Ventil und optional einen Kondensat-Abscheider. Bevorzugt umfasst jedes erfindungsgemäße Rückführsystem auf der Strecke vom jeweiligen Auslass der Kompres- sionsstufe bis zum jeweiligen Einlass der Kompressionsstufe keinen Wärmetauscher.

[0029] In Schritt (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein verdichtetes erstes Gas bereitgestellt, welches N; umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht und einen Druck p1 aufweist

[0030] In bevorzugten Ausführungsformen umfasst Schritt (a) die Zerlegung von Luft in einer Luftzer- legungs-Einheit.

[0031] In anderen bevorzugten Ausfithrungsformen wird in Schritt (a) das erste Gas über eine Pipeline bereitgestellt.

[0032] Bevorzugt liegt in Schritt (a) der Druck p1 im Bereich von 4 bis 9 bara, bevorzugt 6 bis 9 bara.

[0033] In Schritt (b) des erfindungsgemäfen Verfahrens wird ein zweites Gas bereitgestellt, welches

Hz und H,O umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht und einen Druck p2 aufweist, wobei p2 < pl.

[0034] Bevorzugt umfasst Schritt (b) das Elektrolysieren von H:0 in einer Wasserelektrolyse-Finheit; bevorzugt mit elektrischem Strom, welcher aus erneuerbarer Energie gewonnen wurde (z.B. Photovol- taik, Windkraft, und/oder Wasserkraft).

[0035] Jede geeignete Form der Wasserelektrolyse kann verwendet werden, einschließlich der alkali- schen Wasserelektrolyse. Als Wasser kann beispielsweise entmineralisiertes Meerwasser eingesetzt werden.

[0036] Die Wasserelektrolyse kann in jedem geeigneten Maßstab durchgeführt werden. Die Wasser- elektrolyse-Einheit kann beispielsweise eine Gesamtkapazität von mindestens ca. 240 Megawatt (MW) haben, damit eine Verdichtung des H, Gasgemisches mit einem Zentrifugalkompressor möglich bzw. wirtschaftlich sinnvoll ist.

[0037] Bevorzugt ist das in Schritt (b) bereitgestellte zweite Gas Wasserstoff (Hz), welcher mit Was- serdampf (H,O) gesättigt ist.

[0038] Das in Schritt (b) bereitgestellte Gas kann ggf. zwischengespeichert worden sein.

[0039] Bevorzugt weist in Schritt (b), d.h. vor der ersten Stufe des dem ersten Kompressionssystems, das zweite Gas ein sich aus den Molfraktionen von H, und H,O ergebendes Molekulargewicht (schein- bares Molekulargewicht) von mindestens 2,5 g/mol auf. In bevorzugten Ausführungsformen liegt das

Molekulargewicht im Bereich von 2,5 bis 4 g/mol, bevorzugt von 2,5 bis 3,5 g/mol.

[0040] Bevorzugt beträgt in Schritt (b) der Druck p2 des zweiten Gases höchstens 2 bara, bevorzugt höchstens 1,5 bara.

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[0041] Bevorzugt beträgt in Schritt (b) die Temperatur des zweiten Gases 10 bis 80°C, bevorzugt 20 bis 60 °C.

[0042] In Schritt (c) des erfindungsgeméBen Verfahrens wird das zweite Gas in einem ersten Kompres- sionssystem mehrstufig verdichtet, um ein verdichtetes zweites Gas (1) mit einem Druck p3 (Normalbe- trieb) oder (ii) bei Bedarf vorübergehend mit einem Druck p3' (Anti-Surge-Betrieb) zu erzeugen, wobei p3' < p3. Dazu umfasst das erste Kompressionssystem mehrere in Serie geschaltete Kompressionsstu- fen, welche jeweils einen Einlass, einen Zentrifugalkompressor und einen Auslass umfassen.

[0043] In mehrstufigen Kompressionssystemen sind typischerweise Wärmetauscher (Kühler) zwischen benachbarten Kompressoren (Zwischenkühler) und typischerweise nach dem letzten Kompressor (Nachkühler) erforderlich, um die Verdichtungswärme aus dem verdichteten Gas abzuführen. Eine "Kompressionsstufe" im Sinne der Erfindung umfasst bevorzugt einen Einlass, einen Zentrifugalkom- pressor mit Ansaugseite und Produktseite, einen Wärmetauscher (Kühler) stromabwärts des Zentrifu- galkompressors, sowie einen Auslass. Es kônnen aber mehr als eine Kompressionsstufe in einem Kom- pressor-Gehäuse untergebracht sein. Finlass und Auslass müssen dabei keine separaten Bauteile sein.

Zum Zwecke der Beschreibung dienen diese Begriffe insbesondere dazu, den Ort der Abzweigung des

Rückführsystems (Auslass) sowie den Ort der Rückeinspeisung des Rückführsystems (Einlass) zu be- nennen. Bevorzugt erfolgt am Auslass die Abzweigung und am Einlass die Rückeinspeisung. Erfin- dungsgemäß bevorzugt sind die in allen Kompressionsstufen eingesetzten Kompressoren Zentrifugal- kompressoren.

[0044] Bevorzugt liegt im Schritt (c) das Verdichtungsverhältnis p3 : p2 unter einem mit dem ersten

Kompressionssystem erzielbaren maximalen Verdichtungsverhältnis.

[0045] In bevorzugten Ausführungsformen weist in Schritt (c) das verdichtete zweite Gas nach der ersten Kompressionsstufe und vor der darauffolgenden Kompressionsstufe ein sich aus den Molfrakti- onen von H> und H:0 ergebendes Molekulargewicht (scheinbares Molekulargewicht) von mindestens 2,5 g/mol auf. In bevorzugten Ausführungsformen liegt das Molekulargewicht im Bereich von 2,5 bis 4 g/mol, bevorzugt von 2,5 bis 3,5 g/mol. In bevorzugten Ausführungsformen weist in Schritt (c) das verdichtete zweite Gas nach der darauffolgenden Kompressionsstufe ein sich aus den Molfraktionen von H; und H:0 ergebendes Molekulargewicht (scheinbares Molekulargewicht) auf, welches kleiner ist.

[0046] In bevorzugten Ausführungsformen weist im Fall der vorübergehenden Ausführung der Teil- schritte (cı) bis (c3) nach Schritt (c) das verdichtete zweite Gas ein sich aus den Molfraktionen von Hz und H,0 ergebendes Molekulargewicht (scheinbares Molekulargewicht) auf, welches unterhalb des Mo- lekulargewichts des in Schritt (b) bereitgestellten zweiten Gases liegt.

[0047] Bevorzugt umfasst das erste Kompressionssystem drei Kompressionsstufen. Die Anzahl der

Kompressionsstufen ist typischerweise abhängig von den Designgrenzen des Herstellers und dem

Mischungsdruck. Das Verdichtungsverhältnis über jede Kompressionsstufe liegt bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 4, bevorzugter 1,5 bis 3, um den Temperaturanstieg des verdichteten zweiten Gases zu be- grenzen.

[0048] Bevorzugt liegt in Schritt (c) der Druck p3 im Bereich von 4 bis 9 bara, bevorzugt 6 bis 9 bara.

[0049] In Schritt (d) des erfindungsgemäßen Verfahrens werden das verdichtete erste Gas und das ver- dichtete zweite Gas miteinander vereint, um ein Synthesegas (i) mit einem resultierenden Druck p4 (Normalbetrieb) oder (11) bei dem Bedarf vorübergehend mit einem resultierenden Druck p4' (Anti-

Surge-Betrieb) zu erzeugen, wobei p4' < p4. Der resultierende Druck p4 bzw. p4' ergibt sich bevorzugt aus dem verdichteten ersten Gas mit dem Druck p1 und dem verdichteten zweiten Gas mit dem Druck p3 bzw. p3' abzüglich von Mischungsverlusten.

[0050] Bevorzugt umfasst das Synthesegases N, und H> oder besteht im Wesentlichen daraus; bevor- zugt im molaren Verhältnis von etwa 1 : 3.

[0051] Bevorzugt beträgt in Schritt (d) die relative Differenz des Drucks pl des verdichteten ersten

Gases und des Drucks p3 des verdichteten zweiten Gases höchstens 1,0 bar.

[0052] In Schritt (e) des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Synthesegas in einem zweiten Kom- pressionssystem mehrstufig verdichtet, um das verdichtete Synthesegases mit dem Druck p5 zu erzeu- gen.

[0053] Bevorzugt liegt im Schritt (e) das Verdichtungsverhältnis p5 : p4 unter einem mit dem zweiten

Kompressionssystem erzielbaren maximalen Verdichtungsverhältnis.

[0054] Bevorzugt ist in Schritt (e) das Verdichtungsverhältnis p5 : p4 des zweiten Kompressionssys- tems größer als in Schritt (c) das Verdichtungsverhältnis p3 : p2 des ersten Kompressionssystems.

[0055] Bevorzugt ist in Schritt (e) das Verdichtungsverhältnis p5 : p4' des zweiten Kompressionssys- tems größer als in Schritt (c) das Verdichtungsverhältnis p3' : p2 des ersten Kompressionssystems.

[0056] Bevorzugt liegt in Schritt (e) der Druck p5 im Bereich von 130 bis 250 bara.

[0057] Bevorzugt umfasst das zweite Kompressionssystem mindestens drei Kompressionsstufen.

[0058] Bevorzugt weist das zweite Kompressionssystem eine regelbare Verdichtungsleistung auf, wel- che als Regelgröße in Abhängigkeit von dem in Schnitt (d) resultierenden Druck p4 bzw. p4' als Mess- größe geregelt wird. Bevorzugt wird das zweite Kompressionssystem von einem frequenzgeregelten

Elektromotor angetrieben, der bevorzugt eine Leistungsreserve von mindestens 5%, bevorzugter min- destens 10% aufweist. Bevorzugt ermöglicht das zweite Kompressionssystem eine maximal mögliche kontinuierliche Drehzahl von mindestens 102%, bevorzugter mindestens 105% im Vergleich zur Dreh- zahl im Auslegungspunkt.

[0059] Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Synthese eines chemischen Er- zeugnisses, bevorzugt von NHz, aus einem verdichteten Synthesegas umfassend das vorstehend be- schriebene erfindungsgemäße Verfahren.

[0060] Bevorzugt umfasst das Verfahren den zusätzlichen Schritt: (f) Synthetisieren des chemischen Erzeugnisses, bevorzugt von NHz, aus dem verdichteten Synthese- gas in einer Syntheseeinheit bei dem Druck pS.

[0061] Die weitere Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen

Vorrichtungsanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgeméfen Vorrichtung sind in den abhängigen Vorrichtungsanspriichen angegeben.

[0062] In Bezug auf die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens macht sich die Erfindung die Erkenntnis zu Nutze, dass sich eine Auslegungsreserve des zweiten Kompressions- systems (Synthesegas-Kompressors) dazu nutzen lässt, im Betriebszustand (11) die Druckdifferenz p3 - p3' bzw. eine nach dem Vereinen des verdichteten ersten Gases und des verdichteten zweiten Gases resultierende Druckdifferenz p4 - p4' zu kompensieren. Die Auslegungsreserve des zweiten Kompres- sionssystems wird erfindungsgemäß so dimensioniert, dass das Synthesegas durch das zweite Kompres- sionssystem auch dann auf den Druck p5 verdichtet werden kann, wenn das Synthesegas bei einem vorliegenden Bedarf vorübergehend (d.h. während des Betriebszustands (i1)) nach der Mischungseinheit einen Druck p4' aufweist, der geringer ist als der Druck p4 im Normalbetrieb (Betriebszustand (i)).Be- vorzugt weist das zweite Kompressionssystem eine Regelung für die Verdichtungsleistung auf, durch welche der Druck p5 als Regelgröße in Abhängigkeit von dem in der Mischungseinheit resultierenden

Druck p4 bzw. p4' als Messgröße regelbar ist. Dadurch wird sichergestellt, dass das Synthesegas hinter dem Synthesegaskompressor immer den Zieldruck p5 aufweist, egal ob die Anlage im Normalbetrieb (Betriebszustand (1)) oder vorübergehend im Anti-Surge-Betrieb (Betriebszustand (i1)) betrieben wird.

[0063] Nach einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist das erste Kompressi- onssystem in dem Rückführsystem der letzten Kompressionsstufe stromaufwärts des Anti-Surge-Ven- tils und stromabwärts des Auslasses einen Kondensat-Abscheider auf. Dieser Kondensat-Abscheider schützt das in dem Rückführsystem der letzten Kompressionsstufe des ersten Kompressionssystems an- geordnete Anti-Surge-Ventil davor, dass Kondensat in dieses Anti-Surge-Ventil gelangt und dort zu

Schäden führt (z.B. durch Korrosion). Wenn bei einem Bedarf vorübergehend eine Anti-Surge-Maß- nahme an der letzten Kompressionsstufe des ersten Kompressionssystems eingeleitet wird, verhindert der in dem Rückführsystem angeordnete Kondensat-Abscheider, dass durch die Kühlung des wasser- dampfhaltigen Wasserstoffs in dem hinter dem Zentrifugalkompressor der letzten Kompressionsstufe angeordneten Wärmetauscher auskondensiertes Wasser über das Rückführsystem der letzten Kompres- sionsstufe in das Anti-Surge-Ventil gelangen kann und dort zu Schäden führt.

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[0064] Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Abbildungen erläutert, welche allerdings nicht ein- schränkend auszulegen sind.

[0065] Abbildung 1 illustriert schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.

[0066] Abbildung 1A zweigt ein Fließschema, bei dem Wasser (H,O) in einer Wasserelektrolyse-Ein- heit (1) in Sauerstoff (O02) und wasserdampfhaltigen Wasserstoff (H,) gespalten wird, wobei der wasser- dampfhaltige Wasserstoff (Hz) die Elektrolyseeinheit (1) mit dem Druck p2 verlässt. Der wasserdampf- haltige Wasserstoff (H,) wird in einem ersten Kompressionssystem (2) auf den Druck p3 oder bei Bedarf vorübergehend auf den Druck p3' verdichtet. Das Kompressionssystem (2) umfasst mehrere Kompres- sionsstufen (nicht abgebildet). Luft (N2+O-) wird mit einer Luftzerlegungs-Einheit (3) in Stickstoff (N») mit einem Druck p1 und restliche Gase (Oz) zerlegt. Der verdichtete wasserdampfhaltige Wasserstoff (Hz) wird mit dem Stickstoff (N) in einer Mischungseinheit (4) vereint, um ein Synthesegas (H>+N2) mit einem resultierenden Druck p4 oder bei dem Bedarf vorübergehend mit einem resultierenden Druck p4' zu erzeugen. Das Synthesegas (H:+N2) wird anschließend mit einem zweiten Kompressionssystem (5) verdichtet, um ein verdichtetes Synthesegas (H>+N2) mit dem Druck pS zu erzeugen. Das verdichtete

Synthesegas (H>+N») wird nun einer Syntheseeinheit (6) zugeführt, in der daraus Ammoniak (NH;) synthetisiert wird.

[0067] Das erste Kompressionssystem (2) ist mit einem Rückführsystem (26) ausgerüstet (gestrichelt), mit welchem bei dem Bedarf vorübergehend eine Anti-Surge-Maßnahme eingeleitet werden kann, be- vorzugt zur Restabilisierung bzw. zur Vermeidung eines instabilen Zustands des ersten Kompressions- systems (2). Dazu kann vorübergehend zumindest ein Teil des verdichteten wasserdampfhaltigen Was- serstoffs (Hz) vom Auslass der letzten Kompressionsstufe des ersten Kompressionssystems (2) über das

Rückführsystem (26) zum Einlass der ersten Kompressionsstufe des ersten Kompressionssystems (2) zurückgeführt werden, bis das erste Kompressionssystem (2) wieder in einem stabilen Zustand bzw. ausreichend weit entfernt von einem instabilen Zustand ist, so dass die Anti-Surge-Maßnahme wieder beendet werden kann.

[0068] Als Folge dieser vorübergehenden Rückführung ist während der vorübergehenden Anti-Surge-

Maßnahme, d.h. während des Anti-Surge Betriebs, das Verdichtungsverhältnis für die erste Kompressi- onsstufe (2) geringer als ohne die Anti-Surge-Maßnahme, so dass der wasserdampfhaltige Wasserstoff (Hz) in dem ersten Kompressionssystem (2) nur auf den Druck p3' verdichtet wird (p3' < p3). Infolge dessen führt dann auch das Vereinen des verdichteten wasserdampfhaltigen Wasserstoffs (H») mit dem

Stickstoff (Nz) in der Mischungseinheit (4) zu einem Synthesegas (H,+Nz) mit einem geringeren resul- tierenden Druck p4' (p4' < p4). Diese Differenz vom resultierenden Druck p4' (mit Anti-Surge-Maß- nahme) im Vergleich zum resultierenden Druck p4 (ohne Anti-Surge-Maßnahme) wird erfindungsge- mäß jedoch durch eine Auslegungsreserve der zweiten Kompressionsstufe (5) ausgeglichen, so dass das

12 LU103328 verdichtete Synthesegas (H:+N;) in beiden Fällen (d.h. bei Vorliegen des Drucks p4 und auch bei Vor- liegen des Drucks p4') auf denselben Druck pS verdichtet werden kann.

[0069] Abbildung 1B illustriert schematisch die relative Lage der Druckniveaus, wobei die Lage der

Druckniveaus relativ zueinander nicht maBstabsgetreu (d.h. nicht quantitativ) dargestellt ist. Dargestellt ist der Druckverlauf p über die Ortkoordinate x entlang des Anlagenverlaufs.

[0070] Abbildung 2 illustriert schematisch eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei als Ausschnitt nur die Wasserelektrolyse-Einheit (1) und das erste Kompressionssystem (2) dar- gestellt sind. Das erste Kompressionssystem 2 umfasst eine erste Kompressionsstufe (2a), eine zweite

Kompressionsstufe (2b) und eine dritte Kompressionsstufe (2c), welche seriell angeordnet sind und vom wasserdampfhaltigen Wasserstoff (Hz) nacheinander durchströmt werden, wobei der wasserdampfhal- tige Wasserstoff (Hz) dabei stufenweise verdichtet wird. Jede Kompressionsstufe (2a,b,c) umfasst ein eigenes Rückführsystem (26a,b,c), mit welchem bei Bedarf vorübergehend und unabhängig voneinan- der zumindest ein Teil des wasserdampfhaltigen Wasserstoffs (H) vom Auslass der jeweiligen Kom- pressionsstufe zu deren Einlass zurückgeführt werden kann.

[0071] Abbildung 3 illustriert schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer ersten Kompressi- onsstufe (2a) als Teil des ersten Kompressionssystems (2). Der wasserdampfhaltige Wasserstoff (H») wird über einen Einlass (21a) der ersten Kompressionsstufe (2a) zugeführt und in einem Zentrifugal- kompressor (22a) verdichtet. Da der wasserdampfhaltige Wasserstoff (Hz) durch die Verdichtung er- wärmt wird, erfolgt anschließend eine Abkühlung des verdichteten wasserdampfhaltigen Wasserstoffs (H») in einem stromabwärts des Zentrifugalkompressors (22a) angeordneten Wärmetauscher (23a). Da durch das Abkühlen des wasserdampfhaltigen Wasserstoffs (H») ggf. Wasser (H,O) auskondensiert, wird dieses in einem stromabwärts des Wärmetauschers (23a) angeordneten Kondensat-Abscheider (24a) abgetrennt. Der abgekühlte verdichtete Wasserstoff, welcher typischerweise immer noch eine

Restmenge an Wasserdampf enthält, verlässt die erste Kompressionsstufe (2a) über einen Auslass (25a), welcher stromabwärts des Kondensat-Abscheiders (24a) angeordnet ist. Unabhängig davon, ob bei Be- darf vorübergehend eine Anti-Surge-Maßnahme eingeleitet wird oder nicht, erfolgt somit im Anschluss an die Verdichtung des wasserdampfhaltigen Wasserstoffs (H») im Zentrifugalkompressor (22a) eine

Abkühlung des verdichteten Wasserstoffs (H») im Wärmetauscher (23a) und ggf. eine Verminderung des Gehalts an Wasserdampf durch Auskondensieren und Abtrennen von Wasser (H,O) im Kondensat-

Abscheider (24a).

[0072] Bei Bedarf für eine vorübergehende Anti-Surge-Maßnahme kann durch Öffnen eines Anti-

Surge-Ventils (27a) zumindest ein Teil des verdichteten, abgekühlten und ggf. an Wasserdampf vermin- derten Wasserstoffs (H») vom Auslass (25a) der ersten Kompressionsstufe (2a) über ein Rückführsystem (26a) zum Einlass (21a) der ersten Kompressionsstufe (2a) zurückgeführt werden. Infolge der zuvor erfolgten Abkühlung des wasserdampfhaltigen Wasserstoffs (H,) im Wärmetauscher (23a) und des

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Abtrennens von auskondensiertem Wasser (H:O) im Kondensat-Abscheider (24a) ist das sich aus den

Molfraktionen von H> und H:0 ergebende Molekulargewicht des zurückgeführten wasserdampfhaltigen

Wasserstoffs (H:) geringer als das Molekulargewicht des zuvor in dieser Kompressionsstufe (2a) mit dem Zentrifugalverdichter (22a) erzeugten verdichteten wasserdampfhaltigen Wasserstoffs (H»). Da das

Verdichtungsverhältnis der Kompressionsstufe (2a) abnimmt, wenn das Molekulargewicht des zu ver- dichtenden Gases abnimmt, erfolgt somit im Falle einer vorübergehend eingeleiteten Anti-Surge-MaB- nahme eine Verdichtung des wasserdampfhaltigen Wasserdampfs (Hz) auf lediglich den Druck p3' (p3' < p3).

[0073] Abbildung 4 illustriert schematisch eine bevorzugte Ausführungsform einer letzten, bevorzugt dritten Kompressionsstufe (2c) als Teil des ersten Kompressionssystems (2). Im Unterschied zu der in

Abbildung 3 illustrierten bevorzugten Ausführungsform der ersten Kompressionsstufe (2a) ist bei der bevorzugten Ausführungsform der letzten, bevorzugt dritten Kompressionsstufe (2c) gemäß Abbildung 4 ein Kondensat-Abscheider (24c) innerhalb des Rückführsystems (26c) stromaufwärts eines Anti-

Surge-Ventils (27c) angeordnet, nicht jedoch stromaufwärts des Auslasses (25c). Der Kondensat-Ab- scheider (24c) schützt das Anti-Surge-Ventil (27c) vor auskondensierter Feuchtigkeit.

[0074] Abbildung 5 illustriert schematisch die serielle Anordnung einer ersten Kompressionsstufe (2a), einer zweiten Kompressionsstufe (2b) und einer dritten und letzten Kompressionsstufe (2c). Dabei sind die erste Kompressionsstufe (2a) sowie die zweite Kompressionsstufe (2b) analog zu der Ausführungs- form gemäß Abbildung 3 ausgebildet, wohingegen die dritte und letzte Kompressionsstufe (2c) analog zu der Ausführungsform gemäß Abbildung 4 ausgebildet ist. In dem Rückführsystem (26c) der letzten

Kompressionsstufe (2c) ist stromaufwärts des Anti-Surge-Ventils (27c) und stromabwärts des Auslasses (25c) der letzten Kompressionsstufe (2c) ein Kondensat-Abscheider (24c) angeordnet. Wenn bei einem

Bedarf vorübergehend eine Anti-Surge-Maßnahme an der letzten Kompressionsstufe (2c) des ersten

Kompressionssystems (2) eingeleitet wird, verhindert der in dem Rückführsystem (26c) angeordnete

Kondensat-Abscheider (24c), dass durch die Kühlung des wasserdampfhaltigen Wasserstoffs (H») in dem hinter dem Zentrifugalkompressor (22c) der letzten Kompressionsstufe (2c) angeordneten Wärme- tauscher (23c) auskondensiertes Wasser über das Rückführsystem (26c) der letzten Kompressionsstufe (2c) in das Anti-Surge-Ventil (27c) gelangen kann. Auf diese Weise ist das Anti-Surge-Ventil (27c) wirksam gegen Beschädigungen und Fehlfunktionen durch eindringendes Kondensat geschützt.

[0075] Es versteht sich, dass erfindungsgemäß das erste Kompressionssystem auch mehr als drei Kom- pressionsstufen, z. B. vier oder fünf Kompressionsstufen aufweisen kann. Sind vier bzw. fünf Kompres- sionsstufen vorgesehen, dann sind die ersten drei bzw. vier Kompressionsstufen analog zu der Ausfüh- rungsform gemäß Abbildung 3 und die vierte bzw. fünfte Kompressionsstufe ist analog zu der Ausfüh- rungsform gemäß Abbildung 4 ausgebildet.

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Bezugszeichenliste: (1) Wasserelektrolyse-Einheit (2) erstes Kompressionssystem (2a,b,c) erste, zweite, dritte Kompressionsstufe (3) Luftzerlegungs-Einheit (4) Mischungseinheit (5) zweites Kompressionssystem (6) Syntheseeinheit (21a,b,c) Einlass der ersten, zweiten, dritten Kompressionsstufe (22a,b,c) Zentrifugalkompressor der ersten, zweiten, dritten Kompressionsstufe (23a,b,c) Wärmetauscher der ersten, zweiten, dritten Kompressionsstufe (24a,b) Kondensat-Abscheider der ersten, zweiten Kompressionsstufe (24c) Kondensat-Abscheider der dritten Kompressionsstufe (25a,b,c) Auslass der ersten, zweiten, dritten Kompressionsstufe (26a,b,c) Rückführsystem der ersten, zweiten, dritten Kompressionsstufe (27a,b,c) Anti-Surge-Ventil der ersten, zweiten, dritten Kompressionsstufe

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Ein Verfahren zum Erzeugen eines verdichteten Synthesegases, welches einen Druck p5 aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines verdichteten ersten Gases, welches Nz umfasst oder im Wesentlichen da- raus besteht und einen Druck p1 aufweist; (b) Bereitstellen eines zweiten Gases, welches Hz; und H,0 umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht und einen Druck p2 aufweist, wobei p2 < pl; (c) mehrstufiges Verdichten des zweiten Gases in einem ersten Kompressionssystem (2), um ein verdichtetes zweites Gas mit einem Druck p3 oder bei Bedarf vorübergehend mit einem Druck p3' zu erzeugen, wobei p3' < p3; wobei das erste Kompressionssystem (2) mehrere in Serie geschaltete Kompressionsstufen (2a,b,c) umfasst, welche jeweils einen Einlass (21a,b,c), einen Zentrifugalkompressor (22a,b,c) und einen Auslass (25a,b,c) umfassen; (d) Vereinen des verdichteten ersten Gases und des verdichteten zweiten Gases, um ein Synthe- segas mit einem resultierenden Druck p4 oder bei dem Bedarf vorübergehend mit einem resultierenden Druck p4' zu erzeugen, wobei p4' < p4; und (e) mehrstufiges Verdichten des Synthesegases in einem zweiten Kompressionssystem (5), um das verdichtete Synthesegas mit dem Druck p5 zu erzeugen; wobei bei dem Bedarf Schritt (c) vorübergehend die Teilschritte umfasst: (cı) Abzweigen zumindest eines Teils des zweiten Gases von dem Auslass (25a,b,c) einer der Kompressionsstufen (2a,b,c) in ein Rückführsystem (26a,b,c); (cz) Vermindern des Drucks des zweiten Gases in dem Rückführsystem (26a,b,c); und (cs) Rückführen des zweiten Gases über das Rückführsystem (26a,b,c) in den Einlass (21a,b,c) derselben Kompressionsstufe (2a,b,c) oder einer anderen vorgeschalteten Kompressions- stufe (2a,b) des ersten Kompressionssystems (2).

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Auslegungsreserve des zweiten Kompressionssys- tems (5) ausreicht, um im Fall der vorübergehenden Ausführung der Teilschritte (c1) bis (c3) das Synthesegas in Schritt (¢) von dem Druck p4' auf den Druck pS zu verdichten.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei mindestens eine Kompressionsstufe (2a,b,c), be- vorzugt jede Kompressionsstufe (2a,b,c), stromabwärts des jeweiligen Zentrifugalkompressors (22a,b,c) und stromaufwärts des jeweiligen Auslasses (25a,b,c) einen Wärmetaucher (23a,b,c) umfasst, in dem das zweite Gas abgekühlt wird.

4. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei mindestens eine Kompressionsstufe (2a,b,c) stromab- wärts des jeweiligen Wärmetauchers (23a,b,c) und stromaufwärts des jeweiligen Auslasses (25a,b,c) einen Kondensat-Abscheider (24a,b) umfasst, in dem ggf. auskondensiertes H,0 von dem zweiten Gas abgetrennt wird.

5. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die letzte, bevorzugt dritte Kom- pressionsstufe (2c) in ihrem Rückführsystem (26c) stromaufwärts eines Anti-Surge-Ventils (27c) einen Kondensat-Abscheider (24c) umfasst, in dem ggf. auskondensiertes H:0 von dem zweiten Gas abgetrennt wird.

6. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jede der Kompressionsstufen (2a,b,c) des ersten Kompressionssystems (2) jeweils ein Rückführsystem (26a,b,c) für zumindest einen Teil des zweiten Gases vom jeweiligen Auslass (25a,b,c) der jeweiligen Kompressionsstufe (2a,b,c) zum jeweiligen Einlass (21a,b,c) derselben Kompressionsstufe oder einer anderen vorge- schalteten Kompressionsstufe (2a,b) umfasst, wobei die Rückführsysteme (26a,b,c) jeweils unab- hängig voneinander bei Bedarf zur vorübergehenden Ausführung der Teilschritte (cı) bis (c3) kon- figuriert sind.

7. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schritt (a) die Zerlegung von Luft in einer Luftzerlegungs-Einheit (3) umfasst.

8. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt (a) das erste Gas über eine Pipeline bereitgestellt wird.

9. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Synthesegases N und Ha umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht; bevorzugt im molaren Verhältnis von etwa 1 : 3.

10. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Verdichtungsverhältnis p5 : p4 unter einem mit dem zweiten Kompressionssystem (5) im Schritt (e) erzielbaren maximalen Verdichtungsverhältnis liegt.

11. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei - das Verdichtungsverhältnis p5 : p4 des zweiten Kompressionssystems größer ist als das Ver- dichtungsverhältnis p3 : p2 des ersten Kompressionssystems; und/oder

- das Verdichtungsverhältnis p5 : p4' des zweiten Kompressionssystems größer ist als das Ver- dichtungsverhältnis p3' : p2 des ersten Kompressionssystems.

12. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bedarf für die vorübergehende Ausführung der Teilschritte (cı) bis (cs) ein eingetretener oder bevorstehender instabiler Zustand des ersten Kompressionssystems ist, welcher zur Restabilisierung eine Anti-Surge-Maßnahme erfordert.

13. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt (a) der Druck p1 im Bereich von 4 bis 9 bara liegt, bevorzugt 6 bis 9 bara.

14. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Schritt (b) das Elektrolysieren von HO in einer Wasserelektrolyse-Einheit (1) umfasst; bevorzugt mit elektrischem Strom, wel- cher aus erneuerbarer Energie gewonnen wurde.

15. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt (b) der Druck p2 des zweiten Gases höchstens 2 bara beträgt, bevorzugt höchstens 1,5 bara.

16. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in Schritt (d) die relative Diffe- renz des Drucks p1 des verdichteten ersten Gases und des Drucks p3 bzw. p3' des verdichteten zweiten Gases höchstens 1,0 bar beträgt.

17. Das Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zweite Kompressionssystem (5) eine regelbare Verdichtungsleistung aufweist, welche als Regelgröße in Abhängigkeit von dem in Schritt (d) resultierenden Druck p4 bzw. p4' als Messgröße geregelt wird.

18. Eine Vorrichtung zum Erzeugen eines verdichteten Synthesegases, welches einen Druck p5 auf- weist, umfassend: (a) Eine Zuleitung (30) zum Zuführen eines verdichteten ersten Gases, welches N, umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht und einen Druck p1 aufweist, zu einer Mischungseinheit (4); (b) Eine Zuleitung (21a) zum Zuführen eines zweiten Gases, welches H> und H,0 umfasst oder im Wesentlichen daraus besteht und einen Druck p2 aufweist, zu einem ersten Kompressi- onssystem (2), wobei p2 < pl; (c) ein erstes mehrstufiges Kompressionssystem (2) zum Verdichten des zweiten Gases, um ein verdichtetes zweites Gas mit einem Druck p3 oder bei Bedarf vorübergehend mit einem Druck p3' zu erzeugen, wobei p3' < p3; wobei das erste Kompressionssystem (2) mehrere in Serie geschaltete Kompressionsstufen (2a,b,c) umfasst, welche jeweils einen Einlass (21a,b,c), einen Zentrifugalkompressor (22a,b,c) und einen Auslass (25a,b,c) umfassen; (d) eine Mischungseinheit (4) zum Vereinen des verdichteten ersten Gases und des verdichteten zweiten Gases, um ein Synthesegas mit einem resultierenden Druck p4 oder bei dem Bedarf vorübergehend mit einem resultierenden Druck p4' zu erzeugen, wobei p4' < p4; und (e) ein zweites mehrstufiges Kompressionssystem (5) zum Verdichten des Synthesegases in ei- nem zweiten Kompressionssystem (5), um das verdichtete Synthesegas mit dem Druck p5 zu erzeugen; (ci) wobei die Auslässe (25a,b,c) des ersten Kompressionssystems (2) dazu konfiguriert sind, bei Bedarf vorübergehend zumindest einen Teil des zweiten Gases einer der Kompressi- onsstufen (2a,b,c) in ein Rückführsystem (26a,b,c) abzuzweigen; (c:) wobei jedes Rückführsystem (26a,b,c) ein Anti-Surge-Ventil (27a,b,c) aufweist, um bei Bedarf vorübergehend den Druck des zweiten Gases in dem Rückführsystem (26a,b,c) zu vermindern; und (c3) wobei die Finlässe (21a,b,c) des ersten Kompressionssystems (2) dazu konfiguriert sind, bei Bedarf vorübergehend ein Rückführen des zweiten Gases über das jeweilige Rückführsystem (26a,b,c) in den jeweiligen Einlass (21a,b,c) derselben Kompressionsstufe (2a,b,c) oder einer an- deren vorgeschalteten Kompressionsstufe (2a,b) des ersten Kompressionssystems (2) zu ermög- lichen, f) wobei das zweite mehrstufige Kompressionssystem (5) eine Auslegungsreserve auf- weist, die derart bemessen ist, dass das in der Mischungseinheit (4) bei Bedarf vorübergehend erzeugte Synthesegas von dem Druck p4' auf den Druck pS komprimierbar ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei das zweite Kompressionssystem(5) eine Regelung für die Verdichtungsleistung aufweist, durch welche der Druck p5 als Regelgröße in Abhängigkeit von dem in der Mischungseinheit (4) resultierenden Druck p4 bzw. p4' als Messgröße regelbar ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei das erste Kompressionssystem (2) in dem Rückführ- system (26c) der letzten Kompressionsstufe (2c) stromaufwärts des Anti-Surge-Ventils (27c) und stromabwärts des Auslasses (25c) einen Kondensat-Abscheider (24c) aufweist.