WO2012055479A1 - Verfahren und vorrichtung zur abkühlung von gasen - Google Patents

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WO2012055479A1
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process gas
hot process
gas
water
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Carsten Taube
Roland Thalhammer
Michael Reinke
Christian Thaller
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Linde Aktiengesellschaft
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D19/00—Degasification of liquids
    • B01D19/0031—Degasification of liquids by filtration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/20—Treatment of water, waste water, or sewage by degassing, i.e. liberation of dissolved gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F2103/00—Nature of the water, waste water, sewage or sludge to be treated
    • C02F2103/02—Non-contaminated water, e.g. for industrial water supply

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling hot process gas, wherein demineralized and degassed water is heated in indirect heat exchange against hot process gas.
  • the invention relates to a device for carrying out the
  • Process gas is a gas that is produced in an industrial process as an intermediate or end product. Often these gases must be before their
  • Synthesis raw gases which arise in the gasification of carbonaceous feedstocks, or fission gases, which are obtained by thermal cleavage of long-chain
  • Hydrogen and carbon monoxide are nowadays obtained on an industrial scale primarily by steam reforming or partial oxidation.
  • carbonaceous feedstocks are introduced together with steam into a reactor and converted to a hydrogen and carbon monoxide and water-containing synthesis crude, which is withdrawn at a temperature from the reactor, which is typically between 200 and 400 ° C.
  • the heat contained in the synthesis gas is used to generate pure steam, which is used in the process - for example, as an insert to the reactor - or released as export steam at the plant boundaries.
  • demineralised water is usually imported, which is largely free of mineral impurities but contains dissolved gases.
  • oxygen in the pure steam coming into contact parts of the system, such as steam boilers would lead to corrosion, the dissolved gases are removed from the demineralized water before it is fed as so-called boiler feed water to the evaporation.
  • the demineralized water is cooled in a heat exchanger against Heated synthesis gas to near its vaporization temperature and then fed to a thermal degassing to drive out dissolved gases by means of steam.
  • the use of the heat contained in the synthesis gas is limited by the maximum possible preheating of the demineralized water, which in turn depends on the pressure at which the demineralized water of the thermal degassing device can be fed.
  • the thermal degassing is operated at a pressure of about 1, 3 bar, so that the demineralized water can be heated to not more than about 98 ° C, wherein the synthesis gas is cooled to about 160 ° C.
  • heat is removed from it in subsequent process steps, for example in air heat exchangers. Because of their low temperature level, an economic use of this heat is usually not possible, so they with the cooling air to the
  • Atmosphere is lost and the process is lost.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method and an apparatus of the type described above, which allow to economically use a larger part of the heat contained in the hot process gas, as is possible in the prior art.
  • the stated object is achieved in that the demineralized water is freed from dissolved gas by membrane degassing before being heated against hot process gas.
  • Membrane degassing is understood to mean a process for the separation of dissolved gases from liquids, in particular from water, using membrane contactors. This method has been used for years, for example, in the beverage industry to remove oxygen and / or carbon dioxide from liquids.
  • the membrane contactors have hydrophobic membranes, on one side of which the liquid to be degassed can be conducted. By microscopically small pores, the gases dissolved in the liquid reach the other side of the membrane, from where they can be withdrawn, for example by means of a pump.
  • membrane degassing it is possible to degas liquids even at low temperatures to residual contents of a few ppb; on a warming up to
  • degassing liquid can therefore be dispensed with in general.
  • a preferred embodiment of the method according to the invention provides that the demineralized water is not warmed before the membrane degassing.
  • membrane degassing is used to remove dissolved oxygen from the demineralized water. It makes sense, however, also other dissolved gases, such as carbon dioxide and / or hydrocarbons removed by the membrane degassing.
  • the amount of heat transferable to the demineralized water is dependent on the evaporation temperature of the water: the higher the evaporation temperature, the more heat can be drawn from the hot process gas and the lower it can be
  • the process gas can be cooled. Because the
  • Evaporation temperature of the demineralized water increases with its pressure, it is proposed, following the membrane degassing, which is generally carried out at low pressures, and prior to its warming up against the process gas to be cooled to raise the pressure of the demineralized water.
  • the demineralized water warmed to hot process gas is fed as a so-called boiler feed water to a steam generator where it is vaporized and possibly overheated.
  • the so-called pure steam produced is released as export steam to an external consumer and / or used in the process itself.
  • the pressure of the demineralized water is expediently set to the maximum possible pressure of the prior to its warming against hot process gas
  • Boiler feedwater raised An embodiment of the method according to the invention provides that the degassed demineralized water is introduced before the pressure increase in a serving as a template for the pump used to increase pressure tank and cached there. A further embodiment of the method according to the invention provides that in the process accumulating pure steam condensate is released into this container.
  • the inventive method is suitable for cooling of hot process gases of all types. With particular preference, however, it becomes the cooling of hot
  • Synthesis raw gas which by steam reforming or partial oxidation of carbonaceous feedstock, or hot cracked gas recovered by thermal cracking of long chain hydrocarbons.
  • the invention relates to a device for cooling hot
  • Process gas comprising a heat transfer device, can be warmed in the demineralized water in indirect heat exchange against hot process gas.
  • the stated object is achieved on the device side according to the invention in that it arranges an upstream of the heat transfer device
  • Membrane contactor in which the demineralized water can be freed from dissolved gas.
  • Membrane contactor for the separation of dissolved oxygen and / or carbon dioxide and / or hydrocarbons from the boiler feed water is designed.
  • Heat transfer device arranged pump, with the aid of which the pressure of degassed in membrane contactor demineralized water can be raised.
  • demineralized water can be cached.
  • the container is designed as a flash vessel, can be relaxed in the resulting condensate in the process.
  • hot process gas can be cooled to lower temperatures than is possible in the prior art. This is associated with economic advantages, since on the one hand the heat contained in the process gas can be used more effectively and on the other hand less effort is required to cool the process gas to its final temperature.
  • the invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment shown schematically in FIG.
  • FIG. 1 shows a device in which hot process gas, such as hot synthesis gas, is cooled to produce boiler feed water.
  • demineralized water is fed without pressure and at a temperature of typically 20 ° C. to the membrane contactor MK.
  • the membrane contactor MK comprises a hydrophobic membrane M, on one side of which the demineralized water is conducted. Through micropores mainly the gases dissolved in the water diffuse to the other side of the membrane M, so that via line 2 from the water 1 separated gas and via line 3 demineralized and degassed water can be withdrawn.
  • the degassed water 3 the temperature has changed in the membrane contactor MK possibly insignificant, is introduced into the container B and cached there.
  • the container B serves as a template for the pump P, by means of which the pressure of the degassed water 4 is raised.
  • the vented with increased pressure from the pump P degassed water 5 is warmed in the heat exchanger E against hot process gas 6 and subsequently fed as boiler feed water 7 a steam generator, not shown, where it is converted to pure steam.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Abkühlung von heißem Prozessgas (6), wobei entmineralisiertes und entgastes Wasser (5) in indirektem Wärmetausch (E) gegen heißes Prozessgas (6) angewärmt wird. Erfindungsgemäß wird das entmineralisierte Wasser (1) vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas (6) durch Membranentgasung (MK) von gelöstem Gas befreit.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur Abkühlung von Gasen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abkühlung von heißem Prozessgas, wobei entmineralisiertes und entgastes Wasser in indirektem Wärmetausch gegen heißes Prozessgas angewärmt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens. Unter Prozessgas ist ein Gas zu verstehen, das in einem industriellen Prozess als Zwischen- oder Endprodukt erzeugt wird. Häufig müssen diese Gase vor ihrer
Weiterverarbeitung abgekühlt werden. Beispiele für Prozessgase sind
Syntheserohgase, die bei der Vergasung von Kohlenstoff enthaltenden Einsatzstoffen entstehen, oder Spaltgase, die durch thermische Spaltung von langkettigen
Kohlenwasserstoffen gewonnen werden.
Wasserstoff und Kohlenmonoxid werden heute im großtechnischem Maßstab in erster Linie durch Dampfreformierung oder Partielle Oxidation gewonnen. Hierbei werden kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe gemeinsam mit Wasserdampf in einen Reaktor eingeleitet und zu einem Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie Wasser enthaltenden Syntheserohgas umgesetzt, das mit einer Temperatur aus dem Reaktor abgezogen wird, die typischerweise zwischen 200 und 400°C liegt. Die im Syntheserohgas enthaltene Wärme wird zur Erzeugung von Reindampf genutzt, der im Prozess - beispielsweise als Einsatz zum Reaktor - genutzt oder als Exportdampf an den Anlagengrenzen abgegeben wird.
Um Reindampf zu erzeugen, wird gewöhnlich entmineralisiertes Wasser importiert, das zwar weitgehend von mineralischen Verunreinigungen befreit ist, jedoch gelöste Gase enthält. Da insbesondere Sauerstoff in den mit Reindampf in Berührung kommenden Anlagenteilen, wie beispielsweise Dampfkesseln, zu Korrosion führen würde, werden die gelösten Gase aus dem entmineralisierten Wasser entfernt, bevor es als sog. Kesselspeisewasser der Verdampfung zugeführt wird. Nach dem Stand der Technik wird das entmineralisierte Wasser in einem Wärmetauscher gegen abzukühlendes Syntheserohgas bis nahe an seine Verdampfungstemperatur angewärmt und anschließend einer thermischen Entgasungseinrichtung zugeleitet, um gelöste Gase mit Hilfe von Dampf auszutreiben. Die Nutzung der im Syntheserohgas enthaltenen Wärme wird durch die maximal mögliche Vorwärmung des entmineralisierten Wassers begrenzt, die ihrerseits von dem Druck abhängt, mit dem das entmineralisierte Wasser der thermischen Entgasungseinrichtung zuführbar ist. Typischerweise wird die thermische Entgasungseinrichtung bei einem Druck von ca. 1 ,3 bar betrieben, so dass das entmineralisierte Wasser auf nicht mehr als ca. 98 °C angewärmt werden kann, wobei das Syntheserohgas auf ca. 160 °C abgekühlt wird. Um das Syntheserohgas weiter abzukühlen und um insbesondere Wasser auszukondensieren, wird ihm in nachfolgenden Verfahrensschritten beispielsweise in Luftwärmetauschern Wärme entzogen. Wegen ihres geringen Temperaturniveaus ist eine wirtschaftliche Nutzung dieser Wärme gewöhnlich nicht möglich, so dass sie mit der Kühlluft an die
Atmosphäre abgegeben wird und dem Prozess verloren geht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die es erlauben, einen größeren Teil der im heißen Prozessgas enthaltenen Wärme wirtschaftlich zu nutzen, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.
Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das entmineralisierte Wasser vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas durch Membranentgasung von gelöstem Gas befreit wird. Unter Membranentgasung ist ein Verfahren zur Abtrennung von gelösten Gasen aus Flüssigkeiten, insbesondere aus Wasser, unter Einsatz von Membrankontaktoren zu verstehen. Dieses Verfahren wird seit Jahren beispielsweise in der Getränkeindustrie eingesetzt, um Sauerstoff und/oder Kohlendioxid aus Flüssigkeiten zu entfernen. Die Membrankontaktoren weisen hydrophobe Membranen auf, auf deren einen Seite die zu entgasende Flüssigkeit geführt werden kann. Durch mikroskopisch kleine Poren gelangen die in der Flüssigkeit gelösten Gase auf die andere Seite der Membran, von wo sie, beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe, abgezogen werden können. Durch Membranentgasung ist es möglich, Flüssigkeiten auch bei niedrigen Temperaturen bis auf Restgehalte von wenigen ppb zu entgasen; auf eine Anwärmung der zu
entgasenden Flüssigkeit kann daher im Allgemeinen verzichtet werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das entmineralisierte Wasser vor der Membranentgasung nicht angewärmt wird.
In erster Linie wird die Membranentgasung zur Entfernung von gelöstem Sauerstoff aus dem entmineralisierten Wasser eingesetzt. Sinnvollerweise werden jedoch auch andere gelöste Gase, wie Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffe durch die Membranentgasung entfernt.
Die auf das entmineralisierte Wasser übertragbare Wärmemenge ist abhängig von der Verdampfungstemperatur des Wassers: je höher die Verdampfungstemperatur, umso mehr Wärme kann dem heißen Prozessgas entnommen und zu umso tieferen
Temperaturen kann das Prozessgas abgekühlt werden. Da die
Verdampfungstemperatur des entmineralisierten Wassers mit seinem Druck ansteigt, wird vorgeschlagen, im Anschluss an die Membranentgasung, die im Allgemeinen bei niedrigen Drücken durchgeführt wird, und noch vor seiner Anwärmung gegen das abzukühlende Prozessgas, den Druck des entmineralisierten Wassers anzuheben. Häufig wird das gegen heißes Prozessgas angewärmte entmineralisierte Wasser als sog. Kesselspeisewasser einem Dampferzeuger zugeführt und dort verdampft und ggf. überhitzt. Der dabei erzeugte sog. Reindampf wird als Exportdampf an einen externen Verbraucher abgegeben und/oder im Prozess selbst genutzt. In einem solchen Fall wird der Druck des entmineralisierten Wassers vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas zweckmäßigerweise auf den maximal möglichen Druck des
Kesselspeisewassers angehoben. Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das entgaste entmineralisierte Wasser vor der Druckanhebung in einen als Vorlage für die zur Druckerhöhung eingesetzte Pumpe dienenden Behälter eingeleitet und dort zwischengespeichert wird. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Prozess anfallendes Reindampfkondensat in diesen Behälter entspannt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Abkühlung von heißen Prozessgasen aller Arten. Mit besonderem Vorzug wird es jedoch zur Abkühlung von heißem
Syntheserohgas, das durch Dampfreformierung oder partielle Oxidation aus kohlenstoffhaltigen Einsätzen gewonnen wird, oder heißem Spaltgas, das durch thermische Spaltung von langkettigen Kohlenwasserstoffen gewonnen wird, eingesetzt.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abkühlung von heißem
Prozessgas, aufweisend eine Wärmeübertragungseinrichtung, in der entmineralisiertes Wasser in indirektem Wärmetausch gegen heißes Prozessgas angewärmt werden kann.
Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen stromaufwärts der Wärmeübertragungseinrichtung angeordneten
Membrankontaktor aufweist, in dem das entmineralisierte Wasser von gelöstem Gas befreit werden kann.
Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der
Membrankontaktor zur Abtrennung von gelöstem Sauerstoff und/oder Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffen aus dem Kesselspeisewasser ausgelegt ist.
Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie eine stromabwärts des Membrankontaktors und stromaufwärts der
Wärmeübertragungseinrichtung angeordnete Pumpe aufweist, mit deren Hilfe der Druck des im Membrankontaktor entgasten entmineralisierten Wassers angehoben werden kann.
Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie einen als Pumpenvorlage dienenden Behälter aufweist, in dem entgastes
entmineralisiertes Wasser zwischengespeichert werden kann. Zweckmäßigerweise ist der Behälter als Entspannungsgefäß ausgeführt, in den im Prozess anfallendes Kondensat entspannt werden kann. Durch die Erfindung kann heißes Prozessgas auf tiefere Temperaturen abgekühlt werden, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Dies ist mit wirtschaftlichen Vorteilen verbunden, da einerseits die im Prozessgas enthaltene Wärme effektiver genutzt werden kann und andererseits ein geringerer Aufwand erforderlich ist, um das Prozessgas auf seine Endtemperatur abzukühlen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt eine Einrichtung in der heißes Prozessgas, wie beispielsweise heißes Syntheserohgas, unter Erzeugung von Kesselspeisewasser abgekühlt wird.
Über Leitung 1 wird entmineralisiertes Wasser drucklos und mit einer Temperatur von typischerweise 20°C dem Membrankontaktor MK zugeführt. Das Wasser 1 ist zwar frei von mineralischen Stoffen, enthält jedoch Gase wie Sauerstoff, Kohlendioxid oder Kohlenwasserstoffe in gelöster Form. Der Membrankontaktor MK umfasst eine hydrophobe Membran M, an deren einen Seite das entmineralisierte Wasser geführt wird. Durch Mikroporen diffundieren vorwiegend die im Wasser gelösten Gase auf die andere Seite der Membran M, so dass über Leitung 2 aus dem Wasser 1 abgetrenntes Gas und über Leitung 3 entmineralisiertes und entgastes Wasser abgezogen werden können. Das entgaste Wasser 3, dessen Temperatur sich im Membrankontaktor MK allenfalls unwesentlich geändert hat, wird in den Behälter B eingeleitet und dort zwischengespeichert. Der Behälter B dient als Vorlage für die Pumpe P, mit deren Hilfe der Druck des entgasten Wassers 4 angehoben wird. Das mit erhöhtem Druck aus der Pumpe P austretende entgaste Wasser 5 wird im Wärmetauscher E gegen heißes Prozessgas 6 angewärmt und nachfolgend als Kesselspeisewasser 7 einem nicht dargestellten Dampferzeuger zugeführt, wo es zu Reindampf umgesetzt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Abkühlung von heißem Prozessgas, wobei entmineralisiertes
Wasser in indirektem Wärmetausch gegen heißes Prozessgas angewärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das entmineralisierte Wasser vor seiner
Anwärmung gegen heißes Prozessgas durch Membranentgasung von gelöstem Gas befreit wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das entmineralisierte Wasser bei der Membranentgasung von Sauerstoff und/oder Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffen befreit wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des entgasten entmineralisierten Wassers vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas angehoben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das entmineralisierte Wasser vor seiner Anwärmung in einem Behälter
zwischengespeichert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem heißen Prozessgas um Syntheserohgas oder um Spaltgas handelt.
6. Vorrichtung zur Abkühlung von heißem Prozessgas, aufweisend eine
Wärmeübertragungseinrichtung, in der entmineralisiertes Wasser in indirektem Wärmetausch gegen heißes Prozessgas angewärmt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen stromaufwärts der
Wärmeübertragungseinrichtung angeordneten Membrankontaktor aufweist, in dem das entmineralisierte Wasser von gelöstem Gas befreit werden kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der
Membrankontaktor zur Abtrennung von Sauerstoff und/oder Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffen aus dem Kesselspeisewasser ausgelegt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine stromabwärts des Membrankontaktors und stromaufwärts der
Wärmeübertragungseinrichtung angeordnete Pumpe aufweist, mit deren Hilfe der Druck des im Membrankontaktor entgasten entmineralisierten Wassers angehoben werden kann.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen als
Pumpenvorlage dienenden Behälter aufweist, in dem entgastes, entmineralisiertes Wasser zwischengespeichert werden kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter als Entspannungsgefäß ausgeführt ist.
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