PL208158B3 - Sposób otrzymywania dwutlenku węgla o dużej czystości z cyklicznych procesów oczyszczania gazów syntezowych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest uzupełnienie sposobu otrzymywania dwutlenku węgla o dużej czystości z cyklicznych procesów oczyszczania gazów syntezowych według patentu Nr 177 337.

W rozwią zaniu według patentu Nr 177 337 ze strumienia nasyconego roztworu po absorpcji wydziela się obecne w roztworze gazy inertne dzięki dobremu rozwinięciu międzyfazowej powierzchni i uspokojeniu fazy ciekłej w znanych urządzeniach typu separator-desorber, przy ciśnieniach niższych niż w absorberze i wyższych niż w regeneratorze, korzystnie przy ciśnieniu wydzielania inertów o 0,1 - 0,8 MPa wyższym od ciśnienia panującego w regeneratorze i przesyła się je bezpośrednio do utylizacji lub/i pośrednio po uprzednim zaabsorbowaniu z nich wydzielonego wraz z tymi gazami dwutlenku węgla, poprzez kontaktowanie ich na warstwie wypełnienia z częścią zregenerowanego roztworu kierowanego do absorbera, natomiast pozbawiony gazów inertnych roztwór kieruje się do regeneratora, z tym, że do usuwania dwutlenku węgla ze strumienia gazów inertnych używa się część zregenerowanego roztworu wprowadzanego do absorbera, korzystnie w ilości 1-5%, a nastę pnie roztwór ten łączy się z gł ównym strumieniem roztworu pł yną cym do regeneratora po wydzieleniu inertów.

W znanych sposobach wymywania dwutlenku wę gla z przemysł owych mieszanin gazowych, w których CO2 jest składnikiem niepożądanym, wodny roztwór chemisorbenta, najczęściej wodny roztwór węglanu potasu aktywowany odpowiednimi promotorami przyspieszającymi proces absorpcji cyrkuluje w sposób ciągły pomiędzy absorberem, w którym następuje rozpuszczanie dwutlenku węgla przy podwyższonym ciśnieniu a regeneratorem, gdzie następuje desorpcja i wydzielanie gazowego dwutlenku węgla w wyniku obniżenia ciśnienia, podwyższenia temperatury i przedmuchu pary wodnej. Metody wymywania dwutlenku węgla oparte na zjawisku chemisorpcji w wodnych roztworach węglanu potasowego aktywowanego różnymi promotorami w procesach Benfield, Carsol stosowane są powszechnie między innymi do usuwania dwutlenku węgła z gazu syntezowego w instalacjach do wytwarzania syntetycznego amoniaku.

We wszystkich rozwiązaniach opartych na zastosowaniu chemisorpcji w wodnych roztworach węglanu potasowego, roztwór chemisorbenta po nasyceniu dwutlenkiem węgla w kolumnie adsorpcyjnej pod podwyższonym ciśnieniem rzędu 2-3 MPa rozpręża się do ciśnienia rzędu 0,2-0,8 MPa w turbinie hydraulicznej lub na zaworze i kieruje się do kolumny regeneracyjnej.

W kolumnie regeneracyjnej, na skutek obniż onego ciś nienia i pod wpł ywem ciepł a dostarczonego przeponowo i/lub w postaci pary wodnej, następuje desorpcja dwutlenku węgla na rozwiniętej powierzchni wypełnienia rozłożonego na półkach regeneratora i oddzielenie gazowego CO2 od roztworu chemisorbenta a zregenerowany roztwór, po ochłodzeniu i sprężeniu za pomocą pompy, przesyła się ponownie do absorbera.

Nasycony roztwór chemisorbenta odbierany z dolnej części absorbera i kierowany do górnej części regeneratora, oprócz dwutlenku węgla rozpuszczonego w roztworze i związanego chemicznie z czynnymi składnikami roztworu, zawiera również inne składniki gazu kierowanego do oczyszczania takie jak wodór, azot, metan i argon. Gazy inertne zanieczyszczające strumień CO2 odprowadzany z regeneratora przechodzą do roztworu a nastę pnie do strumienia CO2 przede wszystkim przez mechaniczne porywanie gazu przez roztwór nasycony, odbierany z dolnej części absorbera. Obecność inertów w strumieniu dwutlenku węgla kierowanego do dalszego wykorzystania powoduje zarówno wzrost kosztów jego sprężania jak i obniżenie wydajności instalacji przetwórczych i konieczność wydmuchów części gazu do atmosfery dla uniknięcia wzrostu koncentracji inertów w instalacjach przerobowych co zawsze prowadzi do nieuchronnego wzrostu kosztów przerobu.

W procesie regeneracji prowadzonej zazwyczaj pod ciś nieniem 0.1-0.2 MPa gazy inertne w pierwszej kolejnoś ci uwalniają się ze strumienia cieczy do fazy gazowej co powoduje, ż e czystość dwutlenku węgla odbieranego na wylocie z regeneratora nie przekracza zwykle poziomu 98-99% obj.

Dwutlenek węgla jest również zanieczyszczony metanolem, powstającym w niewielkich ilościach jako produkt uboczny w węźle konwersji CO do CO2, bezpośrednio poprzedzającym węzeł wymywania CO7 z gazu w linii technologicznej wytwarzania gazu syntezowego. Metanol jest obecny zarówno w strumieniu gazu procesowego kierowanego do instalacji usuwania CO7 jak i w strumieniu kondensatu dodawanego do roztworu, celem utrzymania stałego stężenia czynnych składników chemisorbenta w roztworze. Metanol, wraz z innymi gazami przechodzi do roztworu chemisorbenta skąd uwalnia się do strumienia CO2 w procesie regeneracji roztworu w regeneratorze. Przeciętna zawartość metanolu w strumieniu CO2 odprowadzanego z regeneratora wynosi około 250 - 400 ppm w zależnoPL 208 158 B3 ści od jakości katalizatorów konwersji CO co najczęściej przewyższa wartość dopuszczalną dla surowca kierowanego do przetwarzania na dwutlenek węgla dla przemysłu spożywczego.

Po przeprowadzeniu wielu badań rozszerzających okazało się, że sposobem według wynalazku opisanego patentem Nr 177 337 można otrzymywać dwutlenek węgla o dużej czystości ze wszystkich przemysłowych systemów oczyszczania mieszanin gazowych od CO2 metodami absorpcyjnymi, w których stosuje się wodny roztwór wę glanu potasu aktywowany odpowiednimi promotorami przyspieszającymi proces absorpcji, cyrkulujący w sposób ciągły pomiędzy absorberem, w którym następuje rozpuszczanie dwutlenku węgla przy podwyższonym ciśnieniu a regeneratorem, gdzie następuje desorpcja i wydzielanie gazowego dwutlenku węgla w wyniku obniżenia ciśnienia, podwyższenia temperatury i przedmuchu pary wodnej, nie tylko pozbawiony gazów inertnych takich jak wodór, azot. metan i argon ale i o znacznie obniżonej zawartości metanolu do poziomu dopuszczalnego dla CO2 wykorzystywanego do celów spożywczych.

Istota wynalazku polega na tym że strumień gazów inertnych zawierający mieszaninę wodoru, azotu, metanu i argonu wydzieloną z nasyconego roztworu chemisorbenta i część zdesorbowanego dwutlenku węgla oraz uwolniony z roztworu gazowy metanol kontaktuje się kolejno: ze strumieniem czystej wody lub odgazowanego kondensatu, użytego korzystnie w ilości 5-15 m³/m².h o temperaturze korzystnie w granicach 10-90°C, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się gazowy metanol, z niewielką częścią zregenerowanego roztworu chemisorbenta, korzystnie użytego w ilości 3-10% całego strumienia roztworu zregenerowanego podawanego do górnej części absorbera, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się nadmiar dwutlenku węgla oraz z niewielką częścią strumienia czystego kondensatu procesowego, korzystnie użytego w ilości 5-15% kondensatu podawanego do regeneratora, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się mgłę i porwane krople chemisorbenta.

W sposobie według wynalazku jest istotne, że cały strumień czystej wody lub odgazowanego kondensatu służącego do odmywania metanolu odprowadza się poza układ oczyszczania gazu syntezowego od CO2. Wymywanie metanolu wodą ze strumienia gazów inertnych uwolnionych z roztworu nasyconego kierowanego do regeneratora i odprowadzanie całego strumienia wody używanej do wymywania metanolu poza układ, w którym stale cyrkuluje roztwór chemisorbenta pomiędzy absorberem i regeneratorem powoduje, że z układu odprowadza się stały strumień metanolu powstającego w niewielkich ilościach jako produkt uboczny we wcześniejszych stadiach wytwarzania gazu syntezowego co zapobiega wzrostowi koncentracji metanolu w roztworze i prowadzi do obniżenia zawartości metanolu w strumieniu dwutlenku węgla odprowadzanego z regeneratora.

Po odmyciu metanolu ze strumienia gazów oddzielonych od roztworu w separatorze i odprowadzeniu metanolu rozpuszczonego w wodzie, strumień gazowy przemywa się małą częścią zregenerowanego roztworu węglanu potasowego celem odmycia nadmiaru dwutlenku węgla wydzielonego wraz z gazami inertnymi w separatorze inertów a nastę pnie mał ym strumieniem kondensatu procesowego celem odmycia z gazu mgły i porwanych kropli roztworu. Strumień roztworu zregenerowanego, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się nadmiar dwutlenku węgla oraz strumień kondensatu, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się mgłę i porwane krople chemisorbenta łączy się z całym strumieniem roztworu podawanego do regeneratora po oddzieleniu gazów inertnych.

W wyniku przeprowadzonych badań okazało się, że proces otrzymywania dwutlenku węgla o dużej czystości i o zredukowanej zawartości metanolu zachodzi najkorzystniej, gdy stosunek strumienia wody używanej do odmywania metanolu do strumienia roztworu zregenerowanego użytego do odmywania nadmiaru CO2 z gazów inertnych waha się w granicach od 1: 5 do 1:10.

Roztwór chemisorbenta, po oddzieleniu gazów inertnych w separatorze umieszczonym za turbiną lub zaworem rozprężnym, jest odprowadzany z separatora pod wpływem ciśnienia gazu utrzymywanego w separatorze. Ciśnienie gazów odbieranych z separatora inertów reguluje się w granicach 0.2-0.8MPa poprzez regulację wysokości poziomu cieczy w separatorze.

Gaz inertny zawierający cenne składniki takie jak wodór i metan, po obniżeniu w nim zawartości metanolu i CO2 przez kontaktowanie strumienia gazu najpierw z niewielkim strumieniem czystej wody lub odgazowanego kondensatu, potem z niewielką częścią całego roztworu zregenerowanego podawanego do absorbera, a następnie z niewielką częścią strumienia czystego kondensatu procesowego jest pozbawiony większości CO2 oraz śladów zanieczyszczeń stanowiących składniki roztworu myjącego i może być wykorzystany do opału lub utylizowany w inny sposób, co przynosi zmniejszenie energochłonności produkcji i oczyszczania gazów syntezowych.

PL 208 158 B3

Wydzielony w regeneratorze dwutlenek węgla wraz z nadmiarową parą wodną schładza się w wymiennikach ciepła a wykondensowaną wodę oddziela od strumienia gazu w separatorze. Odprowadzany z separatora dwutlenek węgla pozbawiony niemal całkowicie gazów inertnych, w praktyce przemysłowej wykorzystywany najczęściej do produkcji mocznika, po obniżeniu w nim zawartości metanolu może być wykorzystywany również do produkcji ciekłego CO2 lub suchego lodu zużywanego w przemyśle spożywczym.

Wynalazek objaśnia się w przykładzie w oparciu o zamieszczony rysunek.

Strumień 103500 Nm³/h gazu syntezowego pod ciśnieniem 2.5 MPa, o zawartości 17,8% obj. CO2 podaje się przewodem 1 do absorbera 2. W wyniku kontaktu gazu ze strumieniem zregenerowanego roztworu węglanu potasowego na rozwiniętej powierzchni wypełnienia dwutlenek węgla rozpuszcza się w roztworze a oczyszczony gaz o zawartości około 0,1% obj. CO2 odprowadza się z absorbera przewodem 3. Nasycony roztwór węglanu potasowego odprowadza się z absorbera przewodem 4 i rozpręża do ciśnienia 0,5 MPa w turbinie hydraulicznej 5 skąd roztwór wraz z gazem wydzielonym z roztworu za turbiną podaje się przewodem 6 do dolnej części separatora inertów 7. Odgazowany roztwór, uwolniony niemal całkowicie od gazów inertnych oraz od części metanolu rozpuszczonego w roztworze odprowadza się z separatora przewodem 8 do górnej części regeneratora 9 z wykorzystaniem ciśnienia gazu utrzymywanego w separatorze. Część roztworu częściowo zregenerowanego odbiera się z półki umieszczonej pod górną warstwą wypełnienia regeneratora i odprowadza się przewodem 10 do pompy 11 i dalej, przewodem 12, nad dolną warstwę wypełnienia absorbera 2. Pozostałą część roztworu spływającą przez dolną warstwę wypełnienia regeneratora 9 odprowadza się przewodem 13 do pompy 14 i dalej, przewodem 15 nad górną warstwę wypełnienia absorbera 2, po ochłodzeniu do około 95 °C w wymienniku ciepła 16.

Wydzielony w dolnej części separatora 7 strumień 650 Nm³/h gazów inertnych zawierający około 27% obj. H2; 66% obj. CO2; 7% obj. N2 i około 500 ppm metanolu kontaktuje się na dolnej warstwie wypełnienia kolumny odmywającej 17 ze strumieniem około 2000 kg/h świeżej wody o temperaturze około 40°C podawanej przewodem 18. Wodę użytą do przemywania gazu wraz z rozpuszczonym metanolem i częścią CO2 odprowadza się poza układ przewodem 19.

Strumień gazów inertnych po odmyciu metanolu kontaktuje się na rozwiniętej powierzchni wypełnienia rozłożonego na środkowej półce kolumny przemywającej 17 ze strumieniem około 12 m /h zregenerowanego i ochłodzonego do 90°C roztworu węglanu potasowego podawanego przewodem 20 celem obniżenia zawartości CO2 w gazie a następnie strumień gazów odmyty od nadmiaru CO2 kontaktuje się na rozwiniętej powierzchni wypełnienia rozłożonego na górnej półce kolumny przemywającej 17 ze strumieniem około 2000 kg/h kondensatu podawanego przewodem 21 celem odmycia od porywanych kropli i mgły roztworu. Oczyszczony strumień 290 Nm³/h gazów inertnych, zawierający około 53% obj. H2; 33% obj. CO2; 13% obj. N2 i około 100 ppm metanolu odprowadza się przewodem 22 do strumienia gazu opałowego, który jest podawany do podgrzewaczy surowców.

Strumień roztworu zregenerowanego używanego do odmywania nadmiaru CO2 z gazów inertnych spływający ze środkowej półki kolumny przemywającej 17 oraz kondensatu używanego do przemywania gazu od pozostałości roztworu chemisorbenta spływający z górnej półki kolumny przemywającej 17 odprowadza się przewodem 23 do dolnej części separatora inertów 7, gdzie łączy się z całym strumieniem roztworu, odprowadzanego do regeneratora 9 przewodem 8 po odgazowaniu w separatorze 7.

Dwutlenek węgla wydzielony w regeneratorze 9 na skutek ogrzania roztworu w wymienniku ciepła 24 i przedmuchu parą wodną podawaną przewodem 25 odprowadza się wraz z nadmiarem pary przewodem 26 do chłodnicy 27, gdzie następuje kondensacja nadmiarowej pary wodnej. Dwutlenek węgla o zawartości łącznej gazów inertnych nie przekraczającej 0.1% obj. oraz z zawartością metanolu poniżej 150 ppm, po oddzieleniu kondensatu w separatorze 27 odprowadza się przewodem 29 do dalszego przerobu.

Claims (5)

1. Sposób otrzymywania dwutlenku węgla o dużej czystości z cyklicznych procesów oczyszczania gazów syntezowych polegający na tym, że ze strumienia nasyconego roztworu po absorpcji wydziela się obecne w roztworze gazy inertne dzięki dobremu rozwinięciu między fazowej powierzchni i uspokojeniu fazy ciekłej w znanych urządzeniach typu separator-desorber, przy ciśnieniach niższych

PL 208 158 B3 niż w absorberze i wyższych niż w regeneratorze, korzystnie przy ciśnieniu wydzielania inertów o 0,1 - 0,8 MPa wyższym od ciśnienia panującego w regeneratorze i przesyła się je bezpośrednio do utylizacji lub/i pośrednio po uprzednim zaabsorbowaniu z nich wydzielonego wraz z tymi gazami dwutlenku węgla, poprzez kontaktowanie ich na warstwie wypełnienia z częścią zregenerowanego roztworu kierowanego do absorbera, natomiast pozbawiony gazów inertnych roztwór kieruje się do regeneratora, z tym, że do usuwania dwutlenku węgla ze strumienia gazów inertnych używa się część zregenerowanego roztworu wprowadzanego do absorbera, korzystnie w ilości 1 -5%, a następnie roztwór ten łączy się z głównym strumieniem roztworu płynącym do regeneratora po wydzieleniu inertów według patentu Nr 177 337, znamienny tym, że strumień gazów inertnych zawierający mieszaninę wodoru, azotu, metanu i argonu wydzieloną z nasyconego roztworu chemisorbenta i część zdesorbowanego dwutlenku węgla oraz uwolniony z roztworu gazowy metanol kontaktuje się kolejno: ze strumieniem czystej wody lub odgazowanego kondensatu, użytego korzystnie w ilości 5-15 m³/m²h o temperaturze korzystnie w granicach 10-90°C, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się gazowy metanol, z niewielką częścią zregenerowanego roztworu chemisorbenta, korzystnie użytego w ilości 3-10% całego strumienia roztworu zregenerowanego podawanego do górnej części absorbera, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się nadmiar dwutlenku węgla oraz z niewielką częścią strumienia czystego kondensatu procesowego, korzystnie użytego w ilości 5-15% kondensatu podawanego do regeneratora, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się mgłę i porwane krople chemisorbenta.

2. Sposób otrzymywania dwutlenku węgla o dużej czystości według zastrz. 1, znamienny tym, że cały strumień czystej wody lub odgazowanego kondensatu służącego do odmywania metanolu odprowadza się poza układ oczyszczania gazu syntezowego od CO2.

3. Sposób otrzymywania dwutlenku węgla o dużej czystości według zastrz. 1, znamienny tym, że strumień roztworu zregenerowanego, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się nadmiar dwutlenku węgla oraz strumień kondensatu, przy pomocy którego ze strumienia gazów inertnych odmywa się mgłę i porwane krople chemisorbenta łączy się z całym strumieniem roztworu podawanego do regeneratora po oddzieleniu gazów inertnych.

4. Sposób otrzymywania dwutlenku węgla o dużej czystości według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek strumienia wody używanej do odmywania metanolu do strumienia roztworu zregenerowanego użytego do odmywania nadmiaru CO2 z gazów inertnych waha się w granicach od 1: 5 do 1:10.

5. Sposób otrzymywania dwutlenku węgla o dużej czystości według zastrz. 1, znamienny tym, że ciśnienie gazów odbieranych z separatora inertów reguluje się w granicach 0.2-0,8MPa poprzez regulację wysokości poziomu cieczy w separatorze.