WO2015154786A2 - Anlage zur verringerung eines kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen gasstroms und entsprechendes verfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anlage (1), die zur Verringerung eines Kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstroms (A) eingerichtet ist, mit einer ersten und einer zweiten Abscheideeinheit (10, 20), die jeweils einen in einem Abscheideraum (12, 22) angeordneten und mit einem Kältemittel (C) speisbaren Kryokondensator (11, 21) aufweist, wobei Mittel (30, 40) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, in einem ersten Betriebsmodus das Kältemittel (C) durch den Kryokondensator (11 ) nur der ersten Abscheideeinheit (10) und den kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom (A) durch den Abscheideraum (12) nur der ersten Abscheideeinheit (10) zu führen und die zweite Abscheideeinheit (20) zu erwärmen und aus der zweiten Abscheideeinheit (20) einen kohlendioxidreichen Strom (D) abzuziehen, und die ferner dafür eingerichtet sind, in einem zweiten Betriebsmodus das Kältemittel (C) durch den Kryokondensator (21) nur der zweiten Abscheideeinheit (20) und den kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom (A) durch den Abscheideraum (22) nur der zweiten Abscheideeinheit (20) zu führen und die erste Abscheideeinheit (10) zu erwärmen und aus dieser einen kohlendioxidreichen Strom (D) abzuziehen. Ein entsprechendes Verfahren ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Description

Beschreibung
Anlage zur Verringerung eines Kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltiqen und kohlenwasserstoffreichen Gasstroms und entsprechendes Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Anlage zur Verringerung eines Kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstroms sowie ein
entsprechendes Verfahren.
Stand der Technik Bei typischen Erdgasen handelt es sich um Gasgemische, deren chemische
Zusammensetzung je nach Lagerstätte beträchtlich schwanken kann. Neben dem Hauptbestandteil Methan (zwischen 75% und 99% auf molarer Basis) enthält Erdgas häufig auch größere Anteile an Ethan (zwischen 1 % und 15%), Propan (zwischen 1 % und 10%), Butan und Ethen. Weitere Bestandteile sind Schwefelwasserstoff (zwischen 0% und 35%), Stickstoff (zwischen 0% und 15%, in Extremfällen bis zu 70%), Kohlen(stoff)dioxid (zwischen 0% und 10%) und Wasser.
Schwefelwasserstoff, Kohlendioxid und Wasser müssen aus dem Erdgas abgetrennt werden, da sie entweder giftig sind, die verwendeten Pipelines angreifen können oder durch Hydratbildung feste Ablagerungen bilden. Kohlendioxid und Wasser können ferner bei der Erdgasverflüssigung ausfrieren.
Auch andere kohlenwasserstoffreiche Gasgemische wie Biogas, Klärgas und
Deponiegas weisen i.d.R. einen hohen Kohlendioxidgehalt (zwischen 25% und 55%) auf. Auch dieser muss vor der Verwendung zumindest verringert werden.
Zur Verringerung des Kohlendioxidgehalts von kohlendioxidhaltigen Gasströmen sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Verfahren bekannt. Beispielsweise kann zur Verringerung des Kohlendioxidgehalts von Abgasen eine sogenannte Gaswäsche verwendet werden, wie in der DE10 2009 017 228 A1 offenbart. Nach einer derartigen Gaswäsche verbleiben allerdings ggf. noch zu hohe Kohlendioxidgehalte. Auch adsorptive Verfahren zur Verringerung des Kohlendioxidgehalts, beispielsweise mit Adsorption an Zeolithen wie in der EP 2 158 020 A1 offenbart, haben Nachteile. Insbesondere muss die Regeneration des Adsorbens bei relativ hohen Temperaturen zwischen 120 und 250 °C erfolgen. Durch den Temperaturwechsel wird das Adsorbens stark beansprucht und dessen Lebensdauer reduziert. Auch die Entfernung von Kohlendioxid durch Membran- bzw. Druckwechseladsorption weist Nachteile auf, insbesondere weil hier spezifische Drücke einzuhalten sind.
Es besteht daher der Bedarf nach verbesserten Möglichkeiten zur Verringerung des Kohlendioxidgehalts von kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen
Gasströmen, insbesondere von Erdgas und nichtfossilen Gasgemischen.
Offenbarung der Erfindung Diese Aufgabe wird durch eine Anlage zur Verringerung eines Kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstroms und ein entsprechendes Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung schlägt eine Anlage vor, die zur Verringerung eines Kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstroms eingerichtet ist. Die erfindungsgemäße Anlage weist eine erste und eine zweite Abscheideeinheit auf. Die erste und die zweite Abscheideeinheit umfassen dabei jeweils einen in einem Abscheideraum angeordneten und ferner jeweils mit einem insbesondere tiefkalten Kältemittel speisbaren Kryokondensator. Im Rahmen dieser Anmeldung wird dabei unter einer "Abscheideeinheit" ein Apparat verstanden, durch den ein Gasstrom geleitet werden kann, und der eine Einrichtung zum Kühlen wenigstens einer Oberfläche aufweist, die mit dem Gasstrom in Kontakt kommt. Die Kühleinrichtung ist dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung als Kryokondensator ausgebildet. Unter einem "Kryokondensator" wird hier eine Einheit verstanden, die mit einem geeigneten tiefkalten Kältemittel durchströmt werden kann und die hierdurch an der Oberfläche, die mit dem Gasstrom in Kontakt kommt, eine Temperatur aufweist, die so eingestellt werden kann, dass sich eine gasförmige Komponente aus dem Gasstrom an der Oberfläche abscheidet. Die in der
erfindungsgemäßen Anlage abgeschiedene gasförmige Komponente ist Kohlendioxid, das insbesondere in fester Form an der entsprechenden Oberfläche abgeschieden wird. Da der Übergang aus dem gasförmigen Zustand direkt in den festen Zustand erfolgt, handelt es sich hierbei um eine Desublimation. Die Desublimation erfolgt dabei bei einem Druck und einer Temperatur, die unterhalb des Tripelpunkts von
Kohlendioxid (-56,6 °C und 5,19 bar) liegt. Der Kryokondensator kann dabei geeignete Oberflächenstrukturen, beispielsweise zur Vergrößerung der Oberfläche und/oder zur Ausbildung geeigneter Auffangeinrichtungen für die an der Oberfläche in fester Form abgeschiedene Komponente, aufweisen.
Unter einem "kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom" wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Gasstrom verstanden, der zumindest 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder 95% Kohlenwasserstoffe, insbesondere Methan, auf molarer, Volumen- oder Massebasis aufweist. Der verbleibende Rest kann vollständig aus Kohlendioxid bestehen oder seinerseits zumindest 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder 95% Kohlendioxid auf molarer, Volumen- oder Massebasis aufweisen. Beispiele für derartige kohlendioxidhaltige und kohlenwasserstoffreiche Gasströme sind beispielsweise Erdgas und Biogas.
Die Abscheideeinheiten weisen jeweils einen ansonsten abgeschlossenen Bereich auf, in dem sich der Kryokondensator befindet, und der von dem kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom durchströmt werden kann. Dieser wird hier als "Abscheideraum" bezeichnet. Die Geschwindigkeit des kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstroms, dessen Druck, seine Temperatur und die Temperatur an der Oberfläche des Kryokondensators werden dabei so eingestellt, dass sich ein gewünschter Anteil der jeweils abzuscheidenden Komponente, hier Kohlendioxid, an der Oberfläche des Kryokondensators abscheidet. Im Idealfall würde die abzuscheidende Komponente dabei vollständig aus dem kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom entfernt, in der Praxis können jedoch auch ggf. gewisse Restgehalte akzeptabel sein. Wie zuvor erwähnt, kann beispielsweise mittels einer herkömmlichen Kohlendioxiodwäsche das Kohlendioxid üblicherweise lediglich bis auf einen Restgehalt von ca. 3% aus einem entsprechenden kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom entfernt werden, was jedoch für die Zwecke der Erd- oder Biogasaufbereitung nicht ausreicht. Erfindungsgemäß können hingegen sehr viel geringere Restgehalte erzielt werden, die jedenfalls unter 1%, insbesondere unter 0,5%, 0,4%, 0,3%, 0,2% oder 0,1% liegen. Die Erfindung erlaubt es,
beispielsweise durch Einstellen der Strömungsgeschwindigkeit des
kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstroms, diesen Restgehalt an betriebliche und/oder wirtschaftliche Forderungen anzupassen. Die erfindungsgemäße Anlage kann auch jederzeit mit Vor- und/oder Nachreinigungsschritten gekoppelt werden, beispielsweise mit adsorptiven Verfahren oder einer Kohlendioxidwäsche.
Erfindungsgemäß weist eine entsprechende Anlage Mittel auf, die beispielsweise als Ventilanordnung(en), insbesondere mit einer geeigneten Steuereinrichtung, realisiert und dafür eingerichtet sind, in einem ersten Betriebsmodus das Kältemittel durch den Kryokondensator nur der ersten Abscheideeinheit und den Gasstrom durch den Abscheideraum nur der ersten Abscheideeinheit zu führen und die zweite
Abscheideeinheit zu erwärmen und aus der zweiten Abscheideeinheit einen
kohlendioxidreichen Strom abzuziehen. Diese Mittel sind ferner dazu eingerichtet, in einem zweiten Betriebsmodus das Kältemittel durch den Kryokondensator nur der zweiten Abscheideeinheit und den Gasstrom durch den Abscheideraum nur der zweiten Abscheideeinheit zu führen und die erste Abscheideeinheit zu erwärmen und aus der ersten Abscheideeinheit einen kohlendioxidreichen Strom abzuziehen.
Die Erfindung schlägt also eine mit Kryokondensatoren betriebene Anlage zum
Abscheiden von Kohlendioxid aus einem kohlendioxidhaltigen und
kohlenwasserstoffreichen Gasstrom vor, in der zwei Abscheideeinheiten jeweils im Wechselbetrieb mit dem kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom durchströmt werden können. Eine Umstellung von einer Abscheidung in einer ersten Abscheideeinheit auf eine Abscheidung in einer zweiten Abscheideeinheit erfolgt dabei immer dann, wenn die entsprechende Abscheideeinheit aufgrund der dort
abgeschiedenen Menge an Kohlendioxid nicht mehr betriebsfähig ist und einer Regeneration bedarf. Dies kommt beispielsweise dadurch zustande, dass sich
Kohlendioxid (Trockeneis) fest an einer Oberfläche eines Kryokondensators abscheidet und damit isolierend wirkt, so dass die mit dem kohlendioxidhaltigen und
kohlenwasserstoffreichen Gasstrom in Kontakt kommende Oberfläche keine
ausreichende Temperatur zum Erreichen eines vorgegebenen Abscheidegrads mehr aufweist. Eine Umschaltung kann auch in festen zeitlichen Zyklen erfolgen. Der zuvor zur Abscheidung verwendete Kryokondensator wird nach der Umschaltung (aktiv oder passiv) angewärmt. Sobald die Temperatur an der Oberfläche des
Kryokondensators bzw. in der Abscheideeinheit einen bestimmten, druckabhängigen Wert überschreitet, verflüssigt sich das Kohlendioxid (oberhalb des Tripelpunkts) oder es subiimiert (unterhalb des Tripelpunkts). Durch eine geeignete Druckbeaufschlagung (bzw. ein Konstanthalten oder Abbauen eines zuvor eingestellten Drucks) lässt sich damit ein flüssiger oder gasförmiger kohlendioxidreicher Strom gewinnen und aus der Anlage ausleiten. Im Fall der Sublimation kann eine kohlendioxidreiche Atmosphäre aus dem Kondensationsraum auch unter Verwendung geeigneter Gase
herausgedrückt werden (sogenanntes Purgen).
Es versteht sich, dass die zum Entfernen des Kohlendioxids aus der jeweiligen
Abscheideeinheit erforderliche Zeit auch kürzer sein kann als die Zeit, während derer die jeweils andere Abscheideeinheit zum Abscheiden des Kohlendioxids aus dem kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom zur Verfügung steht. In diesem Fall wird kein Kohlendioxid mehr aus der entsprechenden Abscheideeinheit ausgeleitet, diese kann jedoch bereits vorgekühlt werden und steht dann unmittelbar für einen neuen Abscheidezyklus zur Verfügung. Es handelt sich also um einen weiteren (dritten) Betriebsmodus.
Jeweils erforderliche Druck- Temperatur-Kombinationen entnimmt der Fachmann dabei ohne weiteres dem Zustandsdiagramm von Kohlendioxid. So kann immer dann eine Verflüssigung des in fester Form abgeschiedenen Kohlendioxids bewirkt werden, wenn in dem Kondensationsraum ein Druck von mehr als 5,19 bar, insbesondere ein Druck von 6 bis 100 bar, beispielsweise von 6 bis 20 bar, aufrechterhalten wird. Die
Gewinnung eines flüssigen kohlendioxidreichen Stroms ist besonders vorteilhaft und erlaubt eine platz- und energiesparende Einlagerung des Kohlendioxids. Die erfindungsgemäße Anlage weist eine Reihe weiterer Vorteile auf. So erweist sich die Entfernung des Kohlendioxids, wie sie erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, als sehr viel unaufwendiger als die Abscheidung mittels einer Kohlendioxidwäsche.
Insbesondere fallen hier keine großen Mengen an Waschmedien an, die aufwendig und insbesondere unter hohem Energieaufwand regeneriert werden müssen. Die mit der erfindungsgemäßen Anlage erzielbaren Restgehalte an Kohlendioxid sind, wie erwähnt, deutlich geringer als jene bei einer Kohlendioxidwäsche.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ergeben sich ferner nur sehr geringe
Gasverluste, die sich allenfalls durch die Regeneration des jeweiligen
Kryokondensators durch Sublimation des hierauf abgeschiedenen Kohlendioxids ergeben. Das vor der Regeneration in einem entsprechenden Kondensationsraum vorliegende Gasgemisch muss dann ggf. zusammen mit dem kohlendioxidreichen Strom aus dem Kondensationsraum herausgedrückt werden. Diese Verluste lassen sich jedoch dadurch beträchtlich verringern, dass das Kohlendioxid, wie oben erläutert, vom festen in den flüssigen Zustand überführt wird. Flüssiges Kohlendioxid kann in diesem Fall sehr einfach und mit geringen Verlusten über einen bodenseitigen Abzug aus dem Kondensationsraum abgezogen werden. Ferner ist der Energieaufwand für die Entfernung des Kohlendioxids aus dem kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasgemisch äußerst gering, weil keine hohen Temperaturen für die Regeneration von Adsorbern erforderlich sind. Ein im Rahmen der Erfindung eingesetztes Kältemittel kann im Gegensatz hierzu mit vergleichsweise geringem Energieaufwand gewonnen und ggf. (rück)verflüssigt werden. Der restliche Energieaufwand setzt sich im Wesentlichen noch aus der für die Einspeisung der entsprechenden Medien erforderlichen Pumpleistung zusammen.
Auch anlagentechnisch erweist sich die vorliegende Erfindung als einfacher und kostengünstiger, da eine geringere Anzahl an Komponenten erforderlich ist. Die erfindungsgemäße Anlage kann ferner an unterschiedlichste Volumenströme angepasst (skaliert) werden und daher beispielsweise in vergleichsweise kleinen Biogasanlagen und in großen Tankerterminals in gleicher weise eingesetzt werden. Die Erfindung kann auch für die Entfernung von Kohlendioxid aus Hochdruckgasen verwendet werden, da sie nicht auf die Einstellung bestimmter Druckverhältnisse (wie beispielsweise bei der Druckwechseladsorption) angewiesen ist.
In einer erfindungsgemäßen Anlage kommen vorteilhafterweise in der ersten und der zweiten Abscheideeinheit jeweils Kryokondensatoren zum Einsatz, die für einen Betrieb mit flüssigem Stickstoff oder flüssigem Erdgas als Kältemittel eingerichtet sind. Diese kryogenen Kältemittel können in weiteren Anlagen erzeugt werden, die ohnehin am jeweiligen Standort vorhanden sind. Beispielsweise kann flüssiger Stickstoff in einer Luftzerlegungsanlage gewonnen werden, die zur Gewinnung von Sauerstoff eingerichtet ist und in der flüssiger Stickstoff als Überschussprodukt anfällt. Der flüssige Stickstoff kann nach der Verwendung in der erfindungsgemäßen Anlage auch in verdampfter Form für weitere Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise als Druckstickstoff für die mechanische Anlagensteuerung und/oder zur Inertisierung brandgefährdeter Bereiche einer entsprechenden Erdgasanlage. Die Verwendung von flüssigem Erdgas als Kältemittel erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn die erfindungsgemäße Anlage an einem Standort einer Erdgasverflüssigungsanlage realisiert ist. Ein Teil des dort verflüssigten Erdgases kann dann als Kältemittel zur Entfernung von Kohlendioxid eingesetzt werden. Ein verdampfter Anteil lässt sich jederzeit in der Erdgasverflüssigungsanlage rückverflüssigen. Wie bei der Verwendung von flüssigem Stickstoff kann daher auf einen Kältekreislauf mit einer entsprechenden Kältemaschine verzichtet werden. Es versteht sich jedoch, dass auch andere
Kältemittel bzw. Kältemittelgemische zum Einsatz kommen können, die mittels eines Kältekreislaufs mit einer Kältemaschine bereitgestellt werden können.
Wie erwähnt, kann es sich in bestimmten Fällen als vorteilhaft erweisen, Mittel vorzusehen, die dafür eingerichtet sind, den kohlendioxidhaltigen und
kohlenwasserstoffreichen Gasstrom unter Druck durch den Gasraum der ersten bzw. zweiten Abscheideeinheit zu führen. Eine entsprechende Anlage erweist sich in diesem Fall als besonders geeignet für die Entfernung von Kohlendioxid aus einem
entsprechenden Druckgas. Die genannten Mittel können beispielsweise als druckfeste Leitungen, Ventile, Verdichter usw. ausgebildet sein. Insbesondere können auch Mittel vorgesehen sein, die dafür eingerichtet sind, bei der erwähnten Regeneration einen entsprechenden Druck einzustellen (entweder durch Halten, Erhöhen oder Abbauen eines zuvor herrschenden Drucks), so dass die Entfernung des Kohlendioxids aus einem entsprechenden Kondensationsraum bzw. von der Oberfläche des
Kryokondensators durch Verflüssigung oder Sublimation möglich ist.
Zur Beschleunigung der Regeneration (Verflüssigung bzw. Sublimation) kann eine entsprechende Anlage auch mit Abscheideeinheiten ausgebildet sein, die jeweils eine Heizeinrichtung aufweisen. Dies ermöglicht eine sehr rasche Überführung des
Kohlendioxids in den gewünschten Zustand. Ein Verfahren zur Verringerung eines Kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltigen, kohlenwasserstoffreichen Gasstroms, bei dem eine Anlage wie zuvor erläutert eingesetzt wird, ist ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in dem ersten Betriebsmodus - entsprechend einer ersten Verfahrensalternative - das Kältemittel durch den Kryokondensator nur der ersten Abscheideeinheit und der Gasstrom durch den Abscheideraum nur der ersten Abscheideeinheit geführt und die zweite Abscheideeinheit erwärmt und aus dieser ein kohlendioxidreicher Strom abgezogen. In dem zweiten Betriebsmodus - entsprechend einer zweiten Verfahrensalternative - wird das Kältemittel durch den Kryokondensator nur der zweiten Abscheideeinheit und der Gasstrom durch den Abscheideraum nur der zweiten Abscheideeinheit geführt und die erste Abscheideeinheit erwärmt und aus dieser ein kohlendioxidreicher Strom abgezogen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist die zuvor erläuterten Vorteile auf, auf die daher ausdrücklich verwiesen wird. Wie ebenfalls erwähnt, wird in einem derartigen Verfahren in dem ersten
Betriebsmodus in dem Abscheideraum der ersten Abscheideeinheit und in dem zweiten Betriebsmodus in dem Abscheideraum der zweiten Abscheideeinheit und/oder auf den jeweiligen Kryokondensatoren Kohlendioxid in fester oder flüssiger Form abgeschieden. Besonders vorteilhaft ist eine Abscheidung in fester Form, weil diese eine sehr weitgehende Entfernung des Kohlendioxids erlaubt.
Insbesondere wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren in dem ersten Betriebsmodus eine Oberfläche des Kryokondensators der ersten Abscheideeinheit und in dem zweiten Betriebsmodus eine Oberfläche des Kryokondensators der zweiten
Abscheideeinheit auf eine Temperatur von 180 bis 220 K, insbesondere von 195 K, abgekühlt. Es hat sich herausgestellt, dass dieser Temperaturbereich eine besonders effektive Abtrennung von Kohlendioxid erlaubt.
Ein entsprechendes Verfahren umfasst vorteilhafterweise, den kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom jeweils mit einem Druck von 5 bis 50 bar durch den entsprechenden Abscheideraum zu leiten. Das erfindungsgemäße
Verfahren kann also, wie erwähnt, auch für Hochdruckgase zum Einsatz kommen. Die Erfindung kann bei allen kohlenwasserstoffreichen und kohlendioxidhaltigen Gasgemischen zum Einsatz kommen und ist nicht auf Erdgas beschränkt. Das
Verfahren eignet sich insbesondere auch für Biogas, Klärgas und/oder Deponiegas. Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch umfassen, jeweils eine Menge an Kohlendioxid in der ersten bzw. zweiten Abscheideeinheit zu ermitteln und in
Abhängigkeit hiervon von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus umzuschalten oder umgekehrt. Es kann dabei sowohl die Menge des während der Abscheidung aus einem entsprechenden kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom abgeschiedenen als auch die Menge des während der Regeneration noch
verbleibenden Kohlendioxids bestimmt werden. Überschreitet die Menge des während der Abscheidung aus einem entsprechenden Gasstrom gebildeten Kohlendioxids dabei beispielsweise einen Vorgabewert, kann in den jeweils anderen Betriebsmodus gewechselt werden. Entsprechendes gilt für die Regeneration, wobei hier eine
Vollständigkeit der Entfernung bestimmt werden kann.
Zur Ermittlung der Menge an Kohlendioxid in der ersten bzw. der zweiten
Abscheideeinheit kann beispielsweise ein optisches Messverfahren und/oder eine Wägeeinrichtung verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in
schematischer Darstellung in einer ersten Betriebsphase
Figur 2 zeigt die Anlage gemäß Figur 1 in einer zweiten Betriebsphase.
Ausführungsformen der Erfindung
In Figur 1 ist eine Anlage gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer ersten Betriebsphase schematisch dargestellt und insgesamt mit 1 bezeichnet. Der Anlage 1 kann über eine Leitung a ein kohlenwasserstoffreicher und kohlendioxidhaltiger Gasstrom A zugeführt werden. Zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem Gasstrom A ist eine erste Abscheideeinheit 10 und eine zweite
Abscheideeinheit 20 vorgesehen. Ein mittels jeweils einer Abscheideeinheit 10 bzw. 20 erhaltener Gasstrom B mit einem reduzierten Kohlendioxidgehalt kann über eine Leitung b aus der Anlage 1 ausgeleitet werden.
Die erste Abscheideeinheit 10 und die zweite Abscheideeinheit 20 weisen jeweils einen Kryokondensator 11 bzw. 21 auf, der jeweils in einem in den Abscheideeinheiten 10 bzw. 20 ausgebildeten Abscheideraum 12 bzw. 22 angeordnet ist. Ein tiefkaltes
Kältemittel C zum Speisen der Kryokondensatoren 11 bzw. 21 kann über eine Leitung c bereitgestellt und über eine Leitung d abgezogen werden. Die Leitungen c und d können auch beispielsweise an eine Kältemaschine (nicht dargestellt) angebunden sein. Im dargestellten Beispiel kann jedoch auch insbesondere flüssiger Stickstoff als Kältemittel C über die Leitung c eingespeist und über die Leitung d (teil)verdampft abgezogen und stromab in geeigneter Weise weiterverwendet werden.
Über eine Leitung e kann aus den Abscheideeinheiten 10 bzw. 20 jeweils ein kohlendioxidreicher Strom (flüssig oder gasförmig) abgezogen werden.
Wie mehrfach angesprochen, weist die erfindungsgemäße Anlage 1 Mittel auf, die dafür eingerichtet sind, in einem ersten Betriebsmodus das Kältemittel C durch den Kryokondensator 11 nur der ersten Abscheideeinheit 10 sowie den
kohlenwasserstoffreichen und kohlendioxidhaltigen Gasstrom A durch den
Abscheideraum 12 nur der ersten Abscheideeinheit 10 zu führen und die zweite
Abscheideeinheit 20 zu erwärmen und aus dieser den kohlendioxidreichen Strom D abzuziehen. Diese Mittel sind ferner dafür eingerichtet, in einem zweiten
Betriebsmodus das Kältemittel C durch den Kryokondensator 21 nur der zweiten Abscheideeinheit 20 und den kohlenwasserstoffreichen und kohlendioxidhaltigen Gasstrom A durch den Abscheideraum 22 nur der zweiten Abscheideeinheit 20 zu führen und die erste Abscheideeinheit 10 zu erwärmen und aus dieser den
kohlendioxidreichen Strom D abzuziehen. Der in der Figur 1 dargestellte
Betriebszustand der Anlage 1 entspricht dabei dem ersten Betriebszustand. Die angesprochenen Mittel sind in der dargestellten Anlage 1 als erste Ventilanordnung 30 und als zweite Ventilanordnung 40 ausgebildet. Es sei ausdrücklich betont, dass der Begriff "Ventilanordnung" und die Bezeichnung mit entsprechenden Bezugszeichen 30 und 40 ausschließlich aus Veranschaulichungsgründen erfolgt, die angesprochenen Mittel können auch anders ausgebildet und insbesondere in abweichender räumlicher Anordnung vorgesehen sein. Ein Teil kann beispielsweise in Form von Wegeventilen, Schiebern und dergleichen ausgebildet sein.
Die erste Ventilanordnung 30 umfasst dabei die Ventile 31 und 32 in den Leitungen f und g, in die sich die Leitung a verzweigt und die Ventile 33 und 34 in den Leitungen h und i, die aus den Abscheideräumen 12 und 22 führen und die zu der Leitung b vereinigt werden. Ferner umfasst die erste Ventilanordnung 30 die Ventile 35 und 36, die in den Leitungen k und I angeordnet sind, die aus den Kryokondensatoren 11 und 21 führen und zu der Leitung d vereinigt werden.
Die zweite Ventilanordnung 40 umfasst die Ventile 41 und 42 in den Leitungen m und n, in die sich die Leitung c verzweigt und die Ventile 43 und 44 in den Leitungen o und p, die bodenseitig aus den Kryokondensatoren 11 und 21 führen und anschließend zu der Leitung e vereinigt werden.
In der Anlage 1 sind in Figur 1 und in der unten erläuterten Figur 2 aktive, d.h. von einem Fluid durchströmte Leitungen jeweils mit durchgezogenen Linien und Pfeilen und nicht aktive, d.h. leere und/oder versperrte Leitungen jeweils mit gestrichelten Linien und Pfeilen dargestellt. Die jeweils in sperrender Stellung befindlichen Ventile 31 bis 36 und 41 bis 44 sind schwarz, durchgängig geschaltete Ventile 31 bis 36 und 41 bis 44 sind weiß dargestellt.
In dem in der Figur 1 dargestellten Betriebsmodus kann der kohlenwasserstoffreiche und kohlendioxidhaltige Gasstrom A durch die Leitungen a und f und das Ventil 31 in den Abscheideraum 12 der ersten Abscheideeinheit 10 strömen. Durch das gleichzeitig durch die Leitungen c und m und das Ventil 41 in den Kryokondensator 11
einströmende Kältemittel C, das über die Leitungen k und d bzw. das Ventil 35 abgeführt wird, wird eine Temperatur in dem Abscheideraum 12 der ersten
Abscheideeinheit 10 bzw. auf der Oberfläche des Kryokondensators 11 so stark verringert, dass sich Kohlendioxid in der ersten Abscheideeinheit 10 bzw. auf der Oberfläche des entsprechenden Kryokondensators 11 fest abscheidet. Daher kann über die Leitungen h und b bzw. das Ventil 33 der Gasstrom B mit einem reduzierten Kohlendioxidgehalt abgezogen werden. Dies sei in der zweiten Abscheideeinheit 20 bzw. auf der Oberfläche des
Kryokondensators 21 bereits in einem zurückliegenden Zyklus erfolgt, so dass hier eine entsprechende Menge Kohlendioxid in fester Form vorliegt. Weil die Ventile 42 und 36 verschlossen sind, kann kein Kältemittel C durch die Leitungen c und n bzw. I und d strömen. Hierdurch erhöht sich eine Temperatur in dem Abscheideraum 22 der zweiten Abscheideeinheit 20 bzw. auf der Oberfläche des Kryokondensators 21. Dies führt dazu, dass sich Kohlendioxid in flüssiger Form am Boden des Abscheideraums 22 der zweiten Abscheideeinheit 20 abscheidet oder dieses in die Gasphase in dem Abscheideraum 22 sublimiert. Dieses Kohlendioxid, bzw. ein entsprechender kohlendioxidreicher Strom D, kann über die Leitungen p und e bzw. das Ventil 44 abgezogen werden. Unterstützend kann ein Gasstrom zum Herausdrücken eines kohlendioxidreichen Stroms D aus der Leitung p (nicht dargestellt) verwendet werden.
Nachdem das Kohlendioxid vorzugsweise vollständig aus dem Abscheideraum 22 der zweiten Abscheideeinheit 20 bzw. von der Oberfläche des entsprechenden
Kryokondensators 21 entfernt wurde, steht die zweite Abscheideeinheit 20 erneut zum Abscheiden von Kohlendioxid bereit. Sie kann nun durch Öffnen der Ventile 42 und 36 vorgekühlt werden. Bei Bedarf, insbesondere wenn die Menge an Kohlendioxid in der ersten Abscheideeinheit 10 bzw. an der Oberfläche des Kryokondensators 11 einen vorgegebenen Wert übersteigt, wird in den in der Figur 2 dargestellten Betriebsmodus der Anlage 1 umgeschaltet.
Der in der Figur 2 dargestellte Betriebsmodus der Anlage 1 unterscheidet sich von dem in der Figur 1 dargestellten Betriebsmodus der Anlage 1 im Wesentlichen durch die jeweils inverse Stellung der Ventile 31 bis 36 und 41 bis 44. Daher kann nun die erste Abscheideeinheit 10, wie oben bezüglich Figur 1 und der zweiten
Abscheideeinheit 20 erläutert, regeneriert werden. Die zweite Abscheideeinheit 20 kann hingegen zur Entfernung von Kohlendioxid aus dem Gasstrom A, wie oben bezüglich Figur 1 und der ersten Abscheideeinheit 10 erläutert, eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Anlage (1), die zur Verringerung eines Kohlendioxidgehalts eines
kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstroms (A) eingerichtet ist, mit einer ersten und einer zweiten Abscheideeinheit (10, 20), die jeweils einen in einem Abscheideraum (12, 22) angeordneten und mit einem Kältemittel (C) speisbaren Kryokondensator (11 , 21) aufweist, wobei Mittel (30, 40) vorgesehen sind, die dafür eingerichtet sind, in einem ersten Betriebsmodus das Kältemittel (C) durch den Kryokondensator (1 1) nur der ersten Abscheideeinheit (10) und den kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom (A) durch den Abscheideraum (12) nur der ersten Abscheideeinheit (10) zu führen und die zweite
Abscheideeinheit (20) zu erwärmen und aus der zweiten Abscheideeinheit (20) einen kohlendioxidreichen Strom (D) abzuziehen, und die ferner dafür eingerichtet sind, in einem zweiten Betriebsmodus das Kältemittel (C) durch den
Kryokondensator (21 ) nur der zweiten Abscheideeinheit (20) und den
kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen Gasstrom (A) durch den
Abscheideraum (22) nur der zweiten Abscheideeinheit (20) zu führen und die erste Abscheideeinheit (10) zu erwärmen und aus dieser einen kohlendioxidreichen Strom (D) abzuziehen.
2. Anlage (1 ) nach Anspruch 1 , bei der die Kryokondensatoren (1 1 , 21) der ersten und der zweiten Abscheideeinheit (10, 20) jeweils für einen Betrieb mit flüssigem Stickstoff oder flüssigem Erdgas als Kältemittel (C) eingerichtet sind. 3. Anlage (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei der Mittel vorgesehen sind, die dafür
eingerichtet sind, den kohlendioxidhaltigen und kohlenwasserstoffreichen
Gasstrom (A) unter Druck durch den Gasraum (12, 22) der ersten bzw. der zweiten Abscheideeinheit (10, 20) zu führen. 4. Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste und die
zweite Abscheideeinheit (10, 20) jeweils eine Heizeinrichtung aufweist. Verfahren zur Verringerung eines Kohlendioxidgehalts eines kohlendioxidhaltigen, kohlenwasserstoffreichen Gasstroms (A), bei dem eine Anlage (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche verwendet wird, wobei in dem ersten Betriebsmodus das Kältemittel (C) durch den Kryokondensator (11) nur der ersten Abscheideeinheit (10) und der kohlendioxidhaltige und kohlenwasserstoffreiche Gasstrom (1) durch den Abscheideraum (12) nur der ersten Abscheideeinheit (10) geführt und die zweite Abscheideeinheit (20) erwärmt und aus dieser ein kohlendioxidreicher Strom (D) abgezogen wird, und wobei in dem zweiten Betriebsmodus das
Kältemittel (C) durch den Kryokondensator (21) nur der zweiten Abscheideeinheit (20) und der kohlendioxidhaltige und kohlenwasserstoffreiche Gasstrom (A) durch den Abscheideraum (22) nur der zweiten Abscheideeinheit (20) geführt und die erste Abscheideeinheit (10) erwärmt und aus dieser einen kohlendioxidreicher Strom (D) abgezogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem in dem ersten Betriebsmodus in dem
Abscheideraum (12) der ersten Abscheideeinheit (10) und in dem zweiten
Betriebsmodus in dem Abscheideraum (22) der zweiten Abscheideeinheit (20) und/oder auf den jeweiligen Kryokondensatoren (11 , 21) Kohlendioxid in fester oder flüssiger Form abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, bei dem in dem ersten Betriebsmodus eine Oberfläche des Kryokondensators (11) der ersten Abscheideeinheit (10) und in dem zweiten Betriebsmodus eine Oberfläche des Kryokondensators (21) der zweiten Abscheideeinheit (20) auf eine Temperatur von 180 bis 220 K,
insbesondere von 195 K, abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem der kohlendioxidhaltige und kohlenwasserstoffreiche Gasstrom (A) jeweils mit einem Druck von 5 bis 50 bar durch den entsprechenden Abscheideraum (12, 22) geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei dem der kohlendioxidreiche Strom (D) jeweils in flüssiger oder gasförmiger Form aus dem entsprechenden Abscheideraum (12, 22) abgezogen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der kohlendioxidreiche Strom (D) durch Einspeisen eines Spülgases in den entsprechenden Abscheideraum (12, 22) unter Druck gebildet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 10, bei dem ein Erdgasstrom, ein
Biogasstrom, ein Klärgasstrom und/oder ein Deponiegasstrom als der
kohlendioxidhaltige und kohlenwasserstoffreiche Gasstrom (A) verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11 , bei dem Stickstoff oder
Flüssigerdgas als Kältemittel (C) verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 12, bei dem jeweils eine Menge an Kohlendioxid in der ersten bzw. zweiten Abscheideeinheit (10, 20) ermittelt und in Abhängigkeit hiervon von dem ersten in den zweiten Betriebsmodus oder von dem zweiten in den ersten Betriebsmodus umgeschaltet wird.
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