WO2017220211A1 - Verfahren zum betreiben einer verfahrenstechnischen anlage mit einer adsorptionsvorrichtung und verfahrenstechnische anlage mit einer adsorptionsvorrichtung - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a method for operating a process plant with an adsorption device and to a process plant with an adsorption device.
  • Gases or gas mixtures can absorb, transport and release sorbable substances.
  • a sorbable substance can, up to a certain amount, in
  • thermodynamic parameters in particular temperature and pressure
  • the amount of sorbable material taken up by a gas mixture is often called loading.
  • the thermodynamic parameters change greatly from one process step to another process step. This usually leads to the gas mixture being saturated or supersaturated with the sorbable substance. Then, for example, condensation occurs, with an excess amount of the sorbable substance being released from the gas stream and condensing at interfaces.
  • pressure-swing adsorption and temperature change adsorption often have a phase-wise very high loading of the process gas with a sorbable substance, up to a saturation of the process gas with the substance. Then a condensation may already occur with a small change of temperature and / or pressure.
  • Concentration fluctuations in flowing media known. This is the medium passed through a sorbent-filled apparatus in which the above-average concentration of individual components of the medium sorbs and thus retained so long until by inflowing medium with different, for example, lower concentration of previously sorbed components a displacement desorption and thus an approximate uniform delivery to the medium takes place.
  • the process plant has an adsorption device which emits a laden with a sorbable gas stream with a predetermined mass flow, wherein the loaded
  • Gas stream alternately comprises successive phases of reduced loading and phases of increased loading.
  • the method comprises the steps:
  • an area extending from the inlet of the sorbent buffer apparatus along the sorbent path forms with an increased loading of the sorbent
  • Sorbent with the sorbable substance During a subsequent phase of reduced loading of the gas stream, the increased loading region of the sorbent shifts toward the exit of the sorption buffer device along the sorbent path.
  • a length of sorption path and an amount of the sorbent in the sorbent buffer device selected such that the sorbent buffer device is configured to receive at least three, preferably at least four, more preferably at least five different regions of increased sorbent loading along the sorbent path during operation of the process plant.
  • Such a method makes it possible to provide a treated gas stream whose loading does not exceed a predefinable upper limit.
  • the upper limit may be dependent in particular on process steps in which the treated gas stream is processed.
  • This may be, for example, introducing the treated gas stream into a gas pipeline operated at ambient temperatures.
  • a gas flow is understood as meaning a flow of a mixture or fluid situated in a gaseous state.
  • a fluid can be composed differently.
  • the mixture may comprise hydrogen (H 2 ), carbon monoxide (CO), carbon dioxide (CO 2 ), methane (CH 4 ), volatile organic compounds, nitrogen (N 2 ), oxygen (O 2 ) and / or a noble gas.
  • the composition of the gas stream may be subject to temporal variations.
  • a single volume of gas from the gas stream will be selected below as an example volume to explain changes in state.
  • Such a gas volume can be determined, for example, by state variables such as pressure,
  • Temperature, particle number and composition are characterized.
  • the unit used is one for pressure bar, with 1 bar « 1, 025 hPa.
  • the temperature is given in ° C.
  • a particle number can be given, for example, in absolute terms in moles (defined by the Avogadro constant, 1 mol of 6,022 10 23 particles) or also relative to a basic amount, for example ppm (particles per one Million particles, from parts per million.)
  • the composition can be expressed in terms of volume, mass or particle number.
  • the gas stream furthermore has a flow velocity as state variable.
  • the flow rate may be indicated, for example, as a mass flow.
  • a mass flow can be specified in standard cubic meters / time unit, for example standard m 3 / h.
  • a standard cubic meter includes that amount of one
  • composition of the gas stream when referred to below, it is meant that the gas stream for a period of time
  • Composition has.
  • the gas stream carries a number of gas volumes having the stated composition.
  • a possible composition of the gas stream is, for example, 70% H 2 , 20% CH 4 , 10% CO by volume. Deviations of the composition in the% range or else further ingredients, for example trace gases, may be present.
  • the loaded gas stream also has a loading with a sorbable substance.
  • a sorbable substance In particular, water and organic compounds are sorbable substances and may constitute a loading of the gas stream.
  • Sorption includes in particular the processes adsorption, absorption and desorption.
  • Adsorption refers to the attachment of, for example, in a gas mixture particles of a sorbable substance at an interface to another medium, such as a solid body such as a tube.
  • Absorption refers to the uptake of the particles in another medium, such as dissolving C0 2 in liquid water.
  • Desorption is the reverse process. This is, for example, a transition of the particle from the adsorbed state to the gas phase.
  • Gas volumes contain particles to be specified. A gas volume points in
  • a dew point temperature can be defined.
  • the dew point temperature also referred to simply as the dew point, is the temperature at which the relative content of sorbable material in the gas volume is 100%. If the temperature drops below the dew point temperature, dew forms, ie the sorbable substance condenses on condensation nuclei and / or surfaces of elements of the process plant which are in contact with the gas volume.
  • a surface has a temperature which is below the dew point of the gas volume with respect to a sorbable substance. Then the gas volume, or at least part of the gas volume, cools down in such a way that condensation of the sorbable substance on the surface can occur. If the sorbable substance is water and the gas volume contains a proportion of C0 2 , it may happen that condensed (liquid) water C0 2 from the
  • Water contained in a gas volume may also be referred to as water vapor, moisture, or moisture.
  • the relative content of water is referred to as relative humidity.
  • the gas volume may be said to be dry, at a relative humidity of 100% it may be said to be saturated and at a relative humidity between these two extremes the gas volume may also be said to be wet.
  • water can be assumed to be a sorbable substance in a simplified manner, and thus be referred to as moisture or relative humidity.
  • the adsorption device can in particular be a pressure swing adsorption device and / or a temperature change adsorption device include.
  • Such devices have, for example, several operating phases, in particular an adsorption phase and a regeneration phase.
  • a humid gas stream may be dried during the adsorption phase, whereby the loading of the gas stream with moisture is reduced.
  • the laden gas stream discharged from such an adsorption device thus has a reduced moisture content during this phase.
  • the discharged laden gas stream may also be dry in this phase.
  • the regeneration phase such a
  • Adsorption be regenerated, wherein the adsorption device outputs a loaded gas stream with an increased load of moisture.
  • the discharged laden gas stream may be saturated in this phase.
  • Such adsorption devices can be operated, for example, periodically or alternately with phases of different lengths in time, which can be referred to as intervals.
  • An interval length may, for example, comprise a few minutes or even a few hours to days.
  • the mass flow of the gas stream is at least in phases constant, which simplifies continuous operation of a plant.
  • Supplying the loaded gas stream to the sorbent exhaust device may involve direct connection of an outlet of the adsorption device to the inlet of the sorption buffer device, for example with a suitable pipeline.
  • process steps may be provided, such as a
  • the compressed and / or cooled laden gas stream is fed to the inlet of the sorption buffer device.
  • the Sorptionspuffer- device comprises in particular a provided with an input and an output container, which is designed to hold a quantity of
  • the container may be adapted to withstand an elevated gas pressure, such as at least 20 bar, preferably at least 30 bar.
  • the container comprises a volume.
  • the container may have a cylindrical shape, with a diameter and a length of the container defining the volume. At least a part of the volume of the container can with the
  • Sorbent be filled.
  • the amount of sorbent is limited by this portion of the volume to a maximum value.
  • a sorbent is a porous medium which is capable of being loaded with a sorbable substance.
  • a loading of the sorbent with the sorbable substance is done in particular by adsorption or absorption of the sorbable substance. The extent of adsorption or absorption depends on both the loading of the gas stream, as well as the loading of the sorbent and the state variables pressure and temperature. In particular, a desorption can take place. In which direction a particle sorbs depends in particular on the ratio of the loading of the sorbent to the loading of the gas stream. By sorption is meant sorption from the gas stream to the sorbent or vice versa.
  • a transition can only take place when the gas stream is in close contact with the sorbent. This is achieved in particular by means of flowing through.
  • Sorbents include, for example, activated carbon, activated coke,
  • Carbon molecular sieves other carbonaceous adsorbents, active toners, silica gels, zeolites, trass, other oxidic adsorbents, polymeric adsorbents, organometallic adsorbents and / or mixtures thereof.
  • a gas stream supplied to the inlet of the container enters the interior of the container, which is filled with an amount of the sorbent. Due to the porosity of the sorbent, the gas stream may flow through the sorbent along the sorption path. A gas volume entrained by the gas flow thus flows in the direction of the outlet of the container along the sorption path. During passage, the volume of gas enters into close contact with sorbent disposed in different portions of the sorbent pathway, where in each section transitions of charge from the gas stream to the sorbent and vice versa may take place as described above. In particular, a such transition occurs multiple times and in different directions and / or at different locations along the sorption path.
  • the gas volume is characterized by its state variables before it enters the container filled with the sorbent.
  • the sorbent has a load.
  • it is saturated with moisture.
  • the sorbent has an elevated area
  • Sorbents take place. As a result, the humidity of the gas volume decreases, and the loading of the sorbent in the section increases, forming an area of increased loading of the sorbent in this section.
  • the gas volume flows along the sorption path through the sorbent and is further dried until it reaches the elevated loading region of the sorbent.
  • the gas volume now has a very low humidity, which is why, in particular, sorption of the moisture from the sorbent into the gas volume can take place. This lowers the loading of the
  • Sorbent in the section increased.
  • the gas volume then reaches the outlet of the container and leaves the container with a lowered humidity.
  • a volume of gas saturated with moisture before the sorption buffer device was transferred to a volume of gas having a lowered humidity to the sorption buffer device.
  • the sorbent has an area of increased loading at the entrance of the container is arranged and extends along the Sorptionspfad with a certain width towards the exit formed.
  • a region of increased sorbent loading has been displaced from a central portion of the sorbent path into another section along the sorbent path toward the exit.
  • a width of the regions of increased loading of the sorbent depends on the amount of sorbable material in a respective region and a capacity of the sorbent.
  • a phase with a reduced loading of the gas stream i. If gas volumes with a reduced charge flow through the sorption buffer device, the region of increased loading of the sorbent disposed at the entrance of the container is displaced along the sorption path into a section of the sorption path in which the sorbent has a reduced charge at the beginning of this phase , Further, the gas volume, which after passing through the disposed in the central portion sorbent, which initially has a reduced load, have a reduced loading. Therefore, the gas volume, when it reaches the adjacent section,
  • Sorbent has a region of increased loading, which has formed in the previous phase.
  • the gas volume takes part of the
  • the amount of sorbent and the length of the Sorptionspfad in the sorption buffer device is selected such that in both phases, the loading of the treated gas stream does not exceed the predetermined limit.
  • the relatively reduced loading of the treated gas stream is less than the limit value.
  • the relatively increased loading of the treated gas stream is less than the limit.
  • the loading of the treated gas stream does not necessarily have to be constant over time, but may differ from phase to phase. On average, being one Averaging period includes at least some phases of increased and decreased phases, the loading of the loaded gas stream and the loading of the treated gas stream are the same size.
  • the loading front can be represented, for example, in a diagram, where one axis indicates a position along the sorption path and another axis indicates the loading of the sorption path
  • Sorbent at the appropriate position allows a comprehensible representation of the mode of operation of the sorption buffer device, in particular if the loading front is displayed at several different points in time.
  • Sorbent extending from the entrance of the container along the
  • Sorptionspfades extends with a certain width towards the outlet of the container.
  • the width of this area may depend on the total amount of sorbable substance that is introduced during the phase of increased loading. The amount can be calculated, for example, from the duration of the phase, the mass flow and the loading of the gas stream.
  • the increased loading region in the sorbent is displaced along the sorption path toward the exit. This is done by multiple transfer of the sorbable substance, as described in the example above. It can also be said that the loading front migrates along the sorption path.
  • the distance traveled by the loading front during a phase of reduced loading may in particular depend on the duration of the phase of reduced loading of the laden gas stream, the mass flow and the loading. In a periodic sequence of these two phases and when the mass flow and the load in different phases of increased loading are equal to each other or at least similar, and the mass flow and the
  • Gas flow to each other are the same or at least similar, can be a
  • Forming loading front in which a distance between two areas with increased loading of the sorbent is constant.
  • the loading front is accordingly can be described by a function with periodically spaced relative maxima and / or minima.
  • a tapping of the treated gas stream at the outlet of Sorptionspuffer- device may, for example, a introduction of the gas stream in a connected to the output pipe, in particular a gas pipeline include.
  • a gas pipeline is understood to mean an arrangement which is set up to transport the gas stream over a predetermined distance, for example 10 km or even 20 km.
  • the gas pipeline can be formed, for example, from pipes.
  • the gas pipeline can be operated at ambient temperature.
  • this comprises the steps:
  • a pressure reducer can also be used as a
  • Pressure reducing valve reducing valve or pressure valve are called.
  • Pressure reducer is in particular adapted to produce a predeterminable differential pressure between the inflow side and the outflow side.
  • the pressure reducer may be configured to not exceed a predeterminable maximum pressure on the downstream side or not to fall below a predeterminable minimum pressure on the downstream side.
  • a gas pressure at the outlet of the container of the Sorptionspuffer- device 23 be bar and a gas pressure in a downstream gas pipeline may be 17 bar. Then the gas stream relaxes by the pressure difference of 6 bar.
  • the method comprises the step of cooling the laden gas stream by means of a gas cooling device connected upstream of the sorption buffer device, wherein a cooled gas stream is generated.
  • the gas cooling device may also be referred to as a cooler or a separator.
  • a gas temperature of the cooled gas stream is 20 ° C-50 ° C.
  • the method comprises the step of compressing the laden gas stream with the aid of a compressor, wherein a pressurized gas stream is generated.
  • a pressurized gas stream is generated.
  • Friction losses energy This is particularly noticeable by a pressure drop along a flow.
  • the flow through the sorption buffer device and the flow through an optional gas pipeline can be ensured.
  • the pressure in the sorption buffer device is constant over time and does not depend on further processes.
  • a gas pressure of the gas stream subjected to the pressure is 20 bar-30 bar.
  • Adsorption device a pressure swing adsorption device and / or a temperature change adsorption device.
  • Such adsorption devices can be operated in particular periodic. Then the intervals of the phases of increased loading and phases of reduced loading are always the same length.
  • a loading of the loaded gas stream in the respective phases may be the same or at least similar.
  • a periodic loading front as described above forms, whose period corresponds to the interval lengths.
  • the gas stream comprises gaseous hydrogen, gaseous carbon monoxide, gaseous
  • Gaseous organic compounds have in particular a molecular formula such as C n H 2n + 2. Such sorbable substances are also called volatile organic
  • the loaded gas stream has a water quantity of 0-4000 mol ppm and the treated gas stream has a water quantity of 500-2000 mol ppm, preferably 750-1500 mol ppm.
  • the humidity of the loaded gas stream in a phase of increased loading is 4000 ppm and the moisture of the treated gas stream in this phase is 1500 ppm.
  • the phase of reduced loading is the For example, moisture of the loaded gas stream is 0 ppm and the moisture of the treated gas stream is 750 ppm.
  • the phase of increased loading lasts 2 to 10 hours and the phase of reduced loading lasts at least twice as long, preferably at least three times as long as the phase of increased loading.
  • a mass flow of the gas stream is between 500 standard m 3 / h and 20,000 standard m 3 / h, preferably between 8,000 standard m 3 / h and 17,000 standard m 3 / h. This advantageously makes it possible to use the method for process plants of different sizes. Furthermore, the method can also be used with time-varying gas flows.
  • the Sorptionspuffer- device does not require its own energy source. Their use merely leads to a pressure drop in the gas flow. Furthermore, it may be possible to use the treated gas stream, which has a comparatively moderate loading, in processes in which the loading of the loaded gas stream is at least in phases too high. This can contribute to a more efficient use of the process plant and a saving of raw materials and energy.
  • the sorption buffer device is designed for continuous continuous use.
  • such a sorption buffer device can have a very simple structure, which is why it can be inexpensive to manufacture and only a small
  • the process plant has a sorption buffer device for treating a gas stream laden with a sorbable material.
  • a length of a sorption path and an amount of a sorbent in the sorption buffer device are arranged such that the sorption buffer device operates in the operation of the sorption buffer device
  • process plant for receiving at least three, preferably at least four, more preferably at least five different areas increased loading of the sorbent along the Sorptionspfades is suitable.
  • this is further adapted to treat the loaded gas stream such that the treated gas stream has a reduced loading compared to the increased loading of the loaded gas stream and that the treated gas stream has an increased load compared to the reduced loading of the loaded gas stream.
  • a method of producing a sorption buffer device for treating a gas flow is proposed.
  • the Sorptionspuffer- device is particularly suitable for installation in the process plant according to the second aspect and for operation in a process plant according to the method of the first aspect or one of the embodiments of the method.
  • the proposed sorption buffer device comprises a container filled with a sorbent, having an inlet and an outlet, such that a gas flow supplied to the inlet is directed along a
  • the sorption path leads into the Container from the entrance to the exit.
  • a length of the sorbent path and an amount of sorbent in the sorbent buffer device are selected so that the sorbent buffer device can receive at least three, preferably at least four, more preferably at least five different regions of increased loading of the sorbent along the flow path during operation of the process plant Sorptionspfades is suitable.
  • Fig. 1 shows an R & I flow chart (piping and instrument flow diagram) of a first embodiment of a process plant
  • Fig. 2 shows an example of a timing of loading of a loaded gas stream and a treated gas stream
  • 3 shows several diagrams of an example of loading a sorbent in the sorbent buffer device with a sorbable at different times
  • FIG. 4 shows an R & I flow chart of a second embodiment of a process plant which is suitable for carrying out the method
  • Fig. 5 is a diagram showing an example of loading of a sorbent in the sorbing buffer device with a sorbable substance at one time
  • FIG. 6 shows an R & I flowchart of a third embodiment of the present invention
  • FIG. 7 shows a flow chart of an embodiment of a method for operating a process plant.
  • Fig. 1 shows a R & I flow chart of a first embodiment of a
  • the process plant 100 which is suitable for carrying out the method.
  • the process plant 100 comprises an adsorption device 10 and a sorption buffer device 40
  • Adsorption device 10 of the embodiment emits in a phase P1 (see Fig. 2) for about 18h a loaded gas stream Gi, the loading is lowered. In a subsequent phase P2 it outputs for a period of about 6 hours a loaded gas stream Gi, which is loaded with 1200 - 4000 ppm water.
  • the loaded gas stream Gi comprises 70% H 2 , 10% CO and 20% CH 4 , by volume, and flows with a mass flow of 8000-17000 standard m 3 / h.
  • the loaded gas stream Gi is supplied to the sorption buffer device 40.
  • This has a container 41 loaded with a sorbent 44, which has an inlet 42 and an outlet 43.
  • the container 41 is connected to the
  • Sorbent 44 filled which is traversed by a gas stream on a Sorptionspfad 45.
  • the container 41 of the embodiment has a cylindrical shape with an inner diameter of 2.2 m and a height of 7.5 m and is filled with about 22 1 of silica gel as the sorbent 44.
  • the loaded gas stream Gi enters via the inlet 42 in the filled with the sorbent 44 interior of the container 41 and flows through this along the leading from the entrance 41 to the exit 43 Sorptionspfad 45. In this case, the loading of the gas stream Gi evened so that the treated gas stream G 4 has a loading of 750 ppm - 1500 ppm and a dew point reduction of 10 ° C - 15 ° C is achieved.
  • FIG. 2 shows an example of a time sequence of a loading ⁇ of a loaded gas stream d and of a treated gas stream G 4 , which may occur, for example, in a process plant 100 according to the exemplary embodiment of FIG.
  • a diagram is shown with a time axis t and a loading axis ⁇ .
  • a time ti begins a first phase P1, in which the loaded gas stream Gi has a reduced load q ⁇ .
  • the phase P1 ends at a time t 2 at which the loading ⁇ of the loaded gas flow d increases to an increased charge cp 2 , which lasts for the duration of the phase P2 until the time t 3 .
  • the diagram shows only a small section comprising a phase P1 with reduced loading q ⁇ and a phase P2 of increased loading cp 2 . As indicated, this period is preceded by further phases and further phases follow.
  • the duration of individual phases as well as the loading ⁇ of a gas flow may be different from the example shown.
  • a gradual change in the charge ⁇ of a gas flow can also occur between two phases.
  • FIG. 2 an example of a course of a load ⁇ of the treated gas flow G 4 (dashed line) is additionally drawn.
  • the treated gas stream G 4 has a charge ⁇ which is increased in comparison with the reduced charge q ⁇ .
  • the treated gas stream G 4 has a reduced charge ⁇ p ' 2 compared to the increased charge cp 2 .
  • a homogenization of the loading ⁇ of the gas stream is achieved, which is expressed in a reduced difference of the increased cp 2 , cp ' 2 and the reduced load ⁇ , ⁇ .
  • the treated gas stream G 4 has a loading ⁇ ', which in a phase P1 of reduced loading q ⁇ of the laden gas stream d slowly, for example exponentially decaying, strives against a reduced loading ⁇ .
  • Fig. 3 shows several diagrams of an example of a loading ⁇ a
  • Sorbent 44 with the sorbable material in the Sorptionspuffer- device 40 along the length I x 2 - Xi of Sorptionspfad 45 at different times ti - 1 5 .
  • the diagrams are aligned with each other and superimposed points on the x-axis correspond to each other, which is illustrated by the solid dashed lines. For reasons of clarity, the label of the x-axis can only be found under the diagram t 5 . If the gas stream G is mentioned below, this means the gas flow in the sorption buffer device.
  • the first time is ⁇ and can coincide with the time ⁇ of FIG. At this point in time ti, a phase P2 with an increased charge cp 2 of the gas flow Gi is just over.
  • a region of increased loading ⁇ of the sorbent 44 has formed in the section ⁇ of the sorption path 45.
  • This region has a width, which depends in particular on the duration of the phase P2, the mass flow and the loading cp 2 of the laden gas stream d (see FIG. 2).
  • a phase P1 with a reduced loading of the laden gas stream d which lasts until a time t 2 , as shown for example in Fig. 2.
  • the second time t 2 can, for example, at the time t 2 of FIG. 2
  • the area B ⁇ increased loading ⁇ of the sorbent 44 has been shifted from the section ⁇ in the section A 2 of the sorption path 45 in the direction of the output x 2 .
  • the loaded gas stream Gi has a reduced loading, which is why a transfer of the sorbable substance from the sorbent 45 with increased loading in in the section ⁇ to the gas stream G is possible, whereby the Loading ⁇ of the sorbent 45 reduced in the section ⁇ .
  • the gas flow G can therefore have a higher charge ⁇ than the reduced charge after flowing through the section ⁇ .
  • Sorptionspfades 45 the area A 2 , in which the sorbent 44 initially has a reduced loading ⁇ (corresponding to the representation of the diagram ti). Therefore, a transfer of the sorbable substance from the gas stream G to the sorbent 44 in the region A 2 can take place.
  • the area B ⁇ of increased loading ⁇ of the sorbent 44 along the sorption path 45 becomes the section A 2 postponed.
  • the loading front in the sorbent 45 shifts.
  • the third time t 3 corresponds to a time after the time t 2 , when another phase P2 is just over. Therefore, in the section ⁇ , another region B 2 having an increased loading ⁇ of the sorbent 44 has been formed, and the region of increased loading ⁇ has been shifted from the section A 2 into the section A 3 along the sorption path 45.
  • the fourth time t 4 corresponds to a time after the time t 3 , when another phase P 1 is just over. Therefore, the two areas B ⁇ B 2 with increased loading ⁇ of the sorbent 44 along the Sorptionspfad 45 in the respective nearest section, A 2 and A 4 , respectively.
  • the fifth illustrated time t 5 corresponds to a time after the time t 4 , when another phase P2 is just over, which is why a third area B 3 of increased loading ⁇ of the sorbent 44 has formed in the section.
  • the two further regions B 1 -B 2 with increased loading ⁇ of the sorbent 44 were again moved along the sorption path 45 into the respectively nearest section A 3 and A 5 , respectively.
  • the sorption buffer device 40 is for receiving three different areas Bi, B 2 , B 3 with an increased loading ⁇ of
  • Sorbent 44 suitable. Between these areas Bi, B 2 , B 3 there are areas with a reduced loading ⁇ of the sorbent 44.
  • Sorbent 44 in a region Bi, B 2 , B 3 decreases as the region passes through the sorbent 44 along sorption path 45. In FIG. 3, this is shown at the height of the loading ⁇ of a region B ⁇ B 2 , B 3 at different times t 1 -1 5 . At the same time, a respective region B 1 -B 2 , B 3 widens, since the total amount of sorbable substance is retained.
  • 4 shows an R & I flow chart of a second exemplary embodiment of a process plant 200 suitable for carrying out the method.
  • the process plant 200 comprises an adsorption device 10, a compressor 20, a gas cooling device 30, a sorption buffer device 40, a pressure reducer 50 and a gas pipeline 60.
  • the loaded gas stream Gi coming from the adsorption device 10 is supplied to the compressor 20 and compressed.
  • the pressure of the compressed gas stream G 2 is 25 bar.
  • the thus pressurized gas flow G 2 is supplied to the gas cooling device 30 and there cooled to a gas temperature of 20 ° C - 50 ° C. In this case, it may happen, in particular during the phases P2 with an increased charge cp 2 of the laden gas stream d, that an amount of the sorbable substance in the gas cooling device 30 condenses
  • the cooled gas stream G 3 can therefore already have a charge cp ' 2 which is reduced compared to the charge cp 2 of the loaded gas stream d.
  • the cooled gas stream G 3 is then fed to the sorption buffer device 40.
  • the sorption buffer device 40 of the embodiment is designed so that it is suitable for receiving five areas - B 5 with increased loading ⁇ of the sorbent 44 (see FIG. 5). Otherwise it works
  • Sorption buffer device 40 as explained above with reference to FIG. 3.
  • the treated gas stream G 4 is fed to the Sorptionspuffer- device 40 a pressure reducer 50, which reduces the pressure of the gas to 15 bar.
  • the thus relaxed gas flow G 5 has, in particular, a dew point which is below a temperature of the gas pipeline 60, by means of which the expanded gas flow G 5 is transported, for example, to a further process plant (not shown).
  • Gas pipeline 60 effectively prevented and negative effects, such as corrosion of the gas pipeline 60 are reduced.
  • FIG. 5 shows a diagram of an example of a loading front of a sorption agent 44 in a sorption buffer device 40, as can be used in one of the process plants 100, 200, for example.
  • the loading front is shown at one time.
  • the Sorptionspuffer- device 40 configured to accommodate a total of five areas - B 5 with an increased loading ⁇ of the sorbent 44.
  • the five regions Bi - B 5 are located in different sections ⁇ - A 5 along the
  • Sorption path 45 (see FIG. 4) and each have a relative maximum of the loading ⁇ of the sorbent 44.
  • the time shown in FIG. 5 corresponds to a time after the expiry of at least five cycles, wherein one cycle is a sequence of a phase P1 with a subsequent phase P2,
  • FIG. 6 shows an R & I flowchart of a third embodiment of the present invention
  • the process plant 300 which is suitable for carrying out the method.
  • the process plant 300 is designed for decomposing a synthesis gas stream G s to provide a first product G P1 , which predominantly comprises CO, and a second product G P2 , which predominantly comprises H 2 .
  • the adsorption device 10 is in the embodiment of a
  • Temperature change adsorption device 11 a cold chamber 12 and a pressure swing adsorption 13 formed. Furthermore, the
  • Process plant 300 a compressor 20, a gas cooling device 30, a sorption buffer device 40 and a gas pipeline 60 on.
  • the synthesis gas stream G s first flows into the temperature change adsorption device 1 1 and is there converted into a gas flow G 0 i, which mainly comprises CO and H 2 .
  • the other components of the synthesis gas stream G s are retained in the temperature change adsorption device 1 1.
  • the gas flow G 0 i is supplied to the cold chamber 12, in which H 2 is separated from CO.
  • CO accumulates as product G P1 and can in further
  • the gas stream G 02 mainly comprises H 2 . As shown in the diagram, this gas stream G 02 is used in phases for the regeneration of the thermal cycling adsorption device 11.
  • the gas stream G 02 is fed to the pressure swing adsorption device 13.
  • H 2 in particular is separated from the gas stream G 02 and provided as product G P2 .
  • the residual gas stream forms the laden gas stream Gi, which flows through the further components compressor 20, gas cooling device 30, sorption buffer device 40 and is finally introduced into a gas pipeline 60.
  • the gas flow in each of these devices is changed into a gas stream
  • the gas stream Gi - G 4 is suitable, for example, for combustion in a power plant (not shown).
  • FIG. 7 shows a block diagram of a first exemplary embodiment of a method for operating a process plant, for example the
  • Process engineering plant 100 of the embodiment of FIG. 1. comprises the steps:
  • the gas stream Gi is provided by an adsorption device 10.
  • the supply 710 may mean that the loaded gas stream Gi is passed from the adsorption plant 10 to an inlet 42 of the sorption buffer device 40 by means of a pipeline.
  • Sorption path 45 occur.
  • a loading front with a plurality of regions Bi - B 5 with increased loading ⁇ of the sorbent 44 forms, which depends on the loading ⁇ of the laden gas stream Gi and of the
  • Mass flow of the loaded gas stream d along the Sorptionspfad 45 is shifted.
  • the individual regions Bi - B 5 are characterized by local maxima in the loading ⁇ of the sorbent 44 and are separated from one another by local minima in the charge ⁇ .
  • the loading ⁇ of the sorption agent 45 is made uniform in such a way that an amplitude which is determined, for example, by a difference in the loading ⁇ of the sorbent 45
  • Sorbent 44 can be determined at a local maximum to an adjacent local minimum decreases along the Sorptionspfad 45.
  • Tapping 730 of the treated gas stream G 4 at an output 43 of the sorption buffer device 40 is a tapping 730 .
  • a tapping 730 consists in particular in a Introducing into a connected to the output 43 pipe to supply the treated gas stream G 4 further processes.
  • FIG. 8 shows a block diagram of a second exemplary embodiment of a method for operating a process plant, for example one of the process plants 100, 200, 300 of the embodiments of FIGS. 1, 4 or 6.
  • the method of this embodiment comprises the same
  • Method steps 710, 720, 730 like the preceding embodiment (see FIG. 7), the individual method steps being assigned different sub-method steps.
  • supplying 710 comprises passing 71 1 of a synthesis gas stream G s through an adsorption device 10 to provide a loaded gas stream Gi. This is followed by compression 712 of the laden gas flow G T
  • the step of directing 720 the gas flow comprises at least the
  • the process step of tapping 730 comprises, in particular, a decompression 731 of the treated gas stream G 4 to provide a relaxed gas stream G 5 and a supply 732 of the expanded gas stream G 5 to a gas pipeline 60 for transporting the expanded gas stream G 5 to a further device or process plant.
  • a decompression 731 of the treated gas stream G 4 to provide a relaxed gas stream G 5 and a supply 732 of the expanded gas stream G 5 to a gas pipeline 60 for transporting the expanded gas stream G 5 to a further device or process plant.

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Abstract

Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage (100) mit einer Adsorptionsvorrichtung (10), welche einen mit einem sorbierbaren Stoff beladenen Gasstrom (G1) mit einem vorgegebenen Massenstrom ausgibt, wobei der beladene Gasstrom (G1) zeitlich abwechselnd aufeinanderfolgende Phasen (P1) erhöhter Beladung (φ1) und Phasen (P2) erniedrigter Beladung (φ2) umfasst, mit den Schritten: Zuführen (610) des beladenen Gasstroms (d) an einen Eingang (42) einer Sorptionspuffer-Vorrichtung (40); Leiten (620) des beladenen Gasstroms (d) in der Sorptionspuffer-Vorrichtung (40) durch ein mit einem zur Aufnahme einer Beladung (ψ) des sorbierbaren Stoffes geeignetes Sorptionsmittel (44) entlang eines Sorptionspfades (45), der von dem Eingang (42) zu einem Ausgang (43) der Sorptionspuffer-Vorrichtung (40) führt, wobei der sorbierbare Stoff in Abhängigkeit der Beladung des Gasstroms (φ) und Beladung des Sorptionsmittels (ψ) von dem Gasstrom auf das Sorptionsmittel (44) oder von dem Sorptionsmittel (44) auf den Gasstrom übergeht; Abgreifen (630) eines behandelten Gasstroms (G4) an dem Ausgang (43) der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40), wobei sich während einer Phase (P2) erhöhter Beladung (φ2) des Gasstroms (d) mit dem sorbierbaren Stoff sich in einem von dem Eingang (42) der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) entlang des Sorptionspfades (45) erstreckender Bereich (Bi) ein Bereich mit einer erhöhten Beladung (ψ) des Sorptionsmittels (44) mit dem sorbierbaren Stoff ausbildet und sich während einer darauf folgenden Phase (P1) erniedrigter Beladung (φ1) des Gasstroms (G1) der Bereich mit der erhöhten Beladung (ψ) des Sorptionsmittels (44) in Richtung zum Ausgang (43) der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) entlang des Sorptionspfades (45) verschiebt; und wobei eine Länge (I) des Sorptionspfades (45) und eine Menge des Sorptionsmittels (44) in der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) derart gewählt werden, dass die Sorptionspuffer-Vorrichtung (40) im Betrieb der verfahrenstechnischen Anlage (100) zur Aufnahme von wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier, weiter bevorzugt wenigstens fünf unterschiedlichen Bereichen (B1 - B5) erhöhter Beladung (ψ) des Sorptionsmittels (44) entlang des Sorptionspfades (45) eingerichtet ist.

Description

Beschreibung
Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage mit einer
Adsorptionsvorrichtung und verfahrenstechnische Anlage mit einer
Adsorptionsvorrichtung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage mit einer Adsorptionsvorrichtung sowie eine verfahrenstechnische Anlage mit einer Adsorptionsvorrichtung.
Gase oder Gasgemische können sorbierbare Stoffe aufnehmen, transportieren und wieder abgeben. Ein sorbierbarer Stoff kann bis zu einer gewissen Menge, in
Abhängigkeit von thermodynamischen Parametern, insbesondere Temperatur und Druck, von dem Gasgemisch aufgenommen werden. Die von einem Gasgemisch aufgenommene Menge des sorbierbaren Stoffes wird häufig Beladung genannt. Bei der verfahrenstechnischen Verarbeitung von derartigen Gasgemischen kann es vorkommen, dass sich die thermodynamischen Parameter von einem Prozessschritt zu einem weiteren Prozessschritt stark ändern. Dies führt regelmäßig dazu, dass das Gasgemisch gesättigt oder übersättigt mit dem sorbierbaren Stoff vorliegt. Dann tritt beispielsweise Kondensation auf, wobei eine überschüssige Menge des sorbierbaren Stoffes von dem Gasstrom abgegeben wird und an Grenzflächen kondensiert.
Ein Beispiel hierfür ist die Kondensation von in Prozessgasen enthaltener Feuchtigkeit in Rohrleitungen, wenn diese eine Temperatur aufweisen, die unter dem Taupunkt in Bezug auf den beladenen Gasstrom liegt. In einem solchen Fall kann das Problem auftreten, dass das kondensierte Wasser eine Korrosion der Rohrleitung verursacht.
Insbesondere Druckwechsel-Adsorptionsanlagen und Temperaturwechsel- Adsorptionsanlagen weisen häufig eine phasenweise sehr hohe Beladung des Prozessgases mit einem sorbierbaren Stoff auf, bis hin zu einer Sättigung des Prozessgases mit dem Stoff. Dann kann bereits bei einer kleinen Änderung von Temperatur und/oder Druck eine Kondensation auftreten.
Aus der DD 200 981 A1 ist ein Verfahren zur Dämpfung periodischer
Konzentrationsschwankungen in strömenden Medien bekannt. Dabei wird das Medium durch einen mit Sorptionsmittel gefüllten Apparat geleitet, in welchem die über dem Durchschnittswert liegende Konzentration einzelner Komponenten des Mediums sorbiert und somit so lange zurückgehalten werden, bis durch nachströmendes Medium mit unterschiedlicher, zum Beispiel niedrigerer, Konzentration an zuvor sorbierten Komponenten eine Verdrängungsdesorption und somit eine annährend gleichmäßige Abgabe an das Medium erfolgt.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zur zeitlichen Vergleichmäßigung einer Beladung eines Gasgemischs mit einem sorbierbaren Stoff in einer verfahrenstechnischen Anlage bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage gelöst. Die verfahrenstechnische Anlage weist eine Adsorptionsvorrichtung auf, welche einen mit einem sorbierbaren Stoff beladenen Gasstrom mit einem vorgegebenen Massenstrom ausgibt, wobei der beladene
Gasstrom zeitlich abwechselnd aufeinanderfolgende Phasen erniedrigter Beladung und Phasen erhöhter Beladung umfasst. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Zuführen des beladenen Gasstroms an einen Eingang einer So rptio n sp uf f e r- Vo rri ch tu ng ;
Leiten des beladenen Gasstroms in der Sorptionspuffer-Vorrichtung durch ein mit einem zur Aufnahme einer Beladung des sorbierbaren Stoffes geeignetes Sorptionsmittel entlang eines Sorptionspfades, der von dem Eingang zu einem
Ausgang der Sorptionspuffer- Vorrichtung führt, wobei der sorbierbare Stoff in
Abhängigkeit der Beladung des Gasstroms und Beladung des Sorptionsmittels von dem Gasstrom auf das Sorptionsmittel oder von dem Sorptionsmittel auf den Gasstrom übergeht; und
Abgreifen eines behandelten Gasstroms an dem Ausgang der
So rptio n sp uf f e r- Vo rri ch tu ng .
Während einer Phase erhöhter Beladung des Gasstroms mit dem sorbierbaren Stoff bildet sich ein sich von dem Eingang der Sorptionspuffer-Vorrichtung entlang des Sorptionspfades erstreckender Bereich mit einer erhöhten Beladung des
Sorptionsmittels mit dem sorbierbaren Stoff aus. Während einer darauf folgenden Phase erniedrigter Beladung des Gasstroms verschiebt sich der Bereich mit der erhöhten Beladung des Sorptionsmittels in Richtung zum Ausgang der Sorptionspuffer- Vorrichtung entlang des Sorptionspfades. Dabei ist eine Länge des Sorptionspfades und eine Menge des Sorptionsmittels in der Sorptionspuffer-Vorrichtung derart gewählt, dass die Sorptionspuffer-Vorrichtung im Betrieb der verfahrenstechnischen Anlage zur Aufnahme von wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier, weiter bevorzugt wenigstens fünf unterschiedlichen Bereichen erhöhter Beladung des Sorptionsmittels entlang des Sorptionspfades eingerichtet ist.
In Ausführungsformen liegt räumlich zwischen zwei Bereichen erhöhter Beladung ein Bereich erniedrigter Beladung vor. Es wird vorzugsweise sichergestellt, dass das Sorptionsmittel in der Sorptionspuffer- Vorrichtung nie vollständig beladen ist.
Ein solches Verfahren ermöglicht es, dass ein behandelter Gasstrom bereitgestellt werden kann, dessen Beladung einen vorgebbaren oberen Grenzwert nicht überschreitet. Der obere Grenzwert kann insbesondere von Prozessschritten abhängig sein, in denen der behandelte Gasstrom verarbeitet wird.
Dies kann beispielsweise ein Einleiten des behandelten Gasstroms in eine Gaspipeline sein, die bei Umgebungstemperaturen betrieben wird.
Unter einem Gasstrom wird vorliegend eine Strömung eines sich in einem gasförmigen Zustand befindlichen Gemischs oder Fluids verstanden. Ein solches Fluid kann unterschiedlich zusammengesetzt sein. Beispielsweise kann das Gemisch Wasserstoff (H2), Kohlenstoffmonoxid (CO), Kohlenstoffdioxid (C02), Methan (CH4), flüchtige organische Verbindungen, Stickstoff (N2), Sauerstoff (02) und/oder ein Edelgas aufweisen. Die Zusammensetzung des Gasstroms kann zeitlichen Schwankungen unterliegen. Man kann einen Gasstrom als einen Strom von einzelnen Gasvolumina betrachten. Insbesondere wird im Folgenden ein einzelnes Gasvolumen aus dem Gasstrom als ein Beispielvolumen herausgegriffen, um Zustandsänderungen zu erläutern. Ein solches Gasvolumen kann beispielsweise durch Zustandsgrößen wie Druck,
Temperatur, Teilchenzahl und Zusammensetzung charakterisiert werden. Vorliegend wird als Einheit für Druck Bar verwendet, wobei 1 bar « 1 ,025 hPa. Die Temperatur wird in °C angegeben. Eine Teilchenzahl kann beispielsweise absolut in Mol (definiert durch die Avogadro-Konstante, 1 mol « 6,022 1023 Teilchen) angegeben werden oder auch relativ bezogen auf eine Grundmenge, zum Beispiel ppm (Teilchen pro eine Million Teilchen, von englisch„Parts Per Million"). Die Zusammensetzung kann bezogen auf ein Volumen, eine Masse oder eine Teilchenzahl angegeben werden.
Der Gasstrom weist ferner als Zustandsgröße eine Strömungsgeschwindigkeit auf. Die Strömungsgeschwindigkeit kann beispielsweise als ein Massenstrom angegeben werden. Ein Massenstrom kann in Normkubikmeter/Zeiteinheit, beispielsweise Norm- m3/h angegeben werden. Ein Normkubikmeter umfasst jene Menge eines
Gasgemischs, die in einem Volumen von einem Kubikmeter des Gasgemischs bei Standardbedingungen enthalten sind. Standardbedingungen sind beispielsweise ein Standarddruck von pn = 1 ,01325 bar und eine Standardtemperatur von Tn = 0°C.
Wenn im Folgenden von der Zusammensetzung des Gasstroms gesprochen wird, so ist damit gemeint, dass der Gasstrom für eine Zeitdauer die angegebene
Zusammensetzung aufweist. Anders gesagt, der Gasstrom führt eine Anzahl von Gasvolumina mit sich, die die angegebene Zusammensetzung aufweisen.
Eine mögliche Zusammensetzung des Gasstroms ist beispielsweise 70% H2, 20% CH4, 10% CO, bezogen auf das Volumen. Abweichungen der Zusammensetzung im %- Bereich oder auch weitere Inhaltsstoffe, beispielsweise Spurengase genannt, können vorhanden sein. Der beladene Gasstrom weist ferner eine Beladung mit einem sorbierbaren Stoff auf. Insbesondere Wasser und organische Verbindungen sind sorbierbare Stoffe und können eine Beladung des Gasstroms darstellen.
Sorption umfasst insbesondere die Prozesse Adsorption, Absorption und Desorption. Adsorption bezeichnet die Anlagerung von sich beispielsweise in einem Gasgemisch befindlichen Teilchen eines sorbierbaren Stoffes an einer Grenzfläche zu einem anderen Medium, wie beispielsweise einem Festkörper wie einem Rohr. Absorption bezeichnet die Aufnahme der Teilchen in einem anderen Medium, wie beispielsweise ein Lösen von C02 in flüssigem Wasser. Desorption bezeichnet den umgekehrten Prozess. Das ist beispielsweise ein Übergang des Teilchens von dem adsorbierten Zustand in die Gasphase.
Die Beladung eines Gasstroms kann beispielsweise relativ zu den in einem
Gasvolumen enthalten Teilchen angegeben werden. Ein Gasvolumen weist in
Abhängigkeit seines Zustands eine maximale Beladung auf. Ist das Gasvolumen maximal mit einem Stoff beladen, so bezeichnet man es auch als gesättigt mit Bezug auf den sorbierbaren Stoff. Die vorliegende Beladung kann relativ zu der maximalen Beladung angegeben werden. Dies kann auch als relativer Gehalt bezeichnet werden. Bei konstantem Druck und vorgegebener Beladung kann eine Taupunkttemperatur definiert werden. Die Taupunkttemperatur, vereinfacht auch als der Taupunkt bezeichnet, ist die Temperatur, bei der der relative Gehalt des sorbierbaren Stoffs in dem Gasvolumen 100% ist. Sinkt die Temperatur unter die Taupunkttemperatur, so bildet sich Tau, d.h. der sorbierbare Stoff kondensiert auf Kondensationskeimen und/oder Oberflächen von Elementen der verfahrenstechnischen Anlage, die mit dem Gasvolumen in Kontakt sind.
Insbesondere kann es vorkommen, dass eine Oberfläche eine Temperatur aufweist, die unter dem Taupunkt des Gasvolumens bezüglich eines sorbierbaren Stoffes liegt. Dann kühlt sich das Gasvolumen, oder zumindest ein Teil des Gasvolumens derart ab, dass es zu Kondensation des sorbierbaren Stoffes auf der Oberfläche kommen kann. Ist der sorbierbare Stoff Wasser und enthält das Gasvolumen einen Anteil an C02, so kann es vorkommen, dass kondensiertes (flüssiges) Wasser C02 aus dem
Gasvolumen absorbiert, was zu einer Absenkung des pH-Werts des Wassers führt. Derartiges saures Wasser kann eine Ursache von Korrosion von Metallleitungen darstellen.
In einem Gasvolumen enthaltenes Wasser kann auch als Wasserdampf, Feuchte, oder Feuchtigkeit bezeichnet werden. Der relative Gehalt wird für Wasser beispielsweise als relative Feuchtigkeit bezeichnet. Bei einer relativen Feuchtigkeit von 0% kann das Gasvolumen als trocken bezeichnet werden, bei einer relativen Feuchtigkeit von 100% kann dieses als gesättigt bezeichnet werden und bei einer relativen Feuchtigkeit zwischen diesen beiden Extrema kann das Gasvolumen auch als feucht bezeichnet werden. Im Folgenden kann ohne Einschränkung der Allgemeinheit vereinfacht von Wasser als sorbierbarem Stoff ausgegangen und somit von Feuchte oder relativer Feuchte gesprochen werden.
Die Adsorptionsvorrichtung kann insbesondere eine Druckwechsel- Adsorptionsvorrichtung und/oder eine Temperaturwechsel-Adsorptionsvorrichtung umfassen. Derartige Vorrichtungen weisen beispielsweise mehrere Betriebsphasen auf, insbesondere eine Adsorptionsphase und eine Regenerationsphase. In derartigen Vorrichtungen kann ein feuchter Gasstrom während der Adsorptionsphase getrocknet werden, wobei die Beladung des Gasstroms mit Feuchtigkeit herabgesetzt wird. Der von einer solchen Adsorptionsvorrichtung ausgegebene beladene Gasstrom weist während dieser Phase somit eine erniedrigte Beladung mit Feuchtigkeit auf.
Insbesondere kann der ausgegebene beladene Gasstrom in dieser Phase auch trocken sein. Während der Regenerationsphase kann eine solche
Adsorptionsvorrichtung regeneriert werden, wobei die Adsorptionsvorrichtung einen beladenen Gasstrom mit einer erhöhten Beladung an Feuchtigkeit ausgibt.
Insbesondere kann der ausgegebene beladene Gasstrom in dieser Phase gesättigt sein.
Derartige Adsorptionsvorrichtungen können beispielsweise periodisch oder auch abwechselnd mit Phasen von zeitlich unterschiedlicher Länge, die als Intervalle bezeichnet werden können, betrieben werden. Eine Intervalllänge kann beispielsweise einige Minuten oder auch einige Stunden bis hin zu Tagen umfassen.
Vorteilhaft ist der Massenstrom des Gasstroms zumindest phasenweise konstant, was einen kontinuierlichen Betrieb einer Anlage vereinfacht.
Ein Zuführen des beladenen Gasstroms zu der Sorptionspuff er- Vorrichtung kann ein direktes Verbinden eines Ausgangs der Adsorptionsvorrichtung mit dem Eingang der Sorptionspuffer-Vorrichtung, beispielweise mit einer geeigneten Rohrleitung, umfassen. Alternativ können Prozessschritte vorgesehen sein, wie beispielsweise ein
Komprimieren des beladenen Gasstroms mit Hilfe eines Kompressors, ein Abkühlen des beladenen Gasstroms und/oder des komprimierten Gasstroms in einer
Gaskühlungsvorrichtung. In diesen Fällen wird der komprimierte und/oder abgekühlte beladene Gasstrom dem Eingang der Sorptionspuffer-Vorrichtung zugeführt.
Die Sorptionspuffer- Vorrichtung umfasst insbesondere einen mit einem Eingang und einem Ausgang versehenen Behälter, der zur Aufnahme einer Menge des
Sorptionsmittels geeignet ist. Ferner kann der Behälter dazu eingerichtet sein, einem erhöhten Gasdruck, wie beispielsweise wenigstens 20 bar, bevorzugt wenigstens 30 bar standzuhalten. Der Behälter umfasst ein Volumen. Beispielsweise kann der Behälter eine Zylinderform aufweisen, wobei dann ein Durchmesser und eine Länge des Behälters das Volumen festlegen. Zumindest ein Teil des Volumens des Behälters kann mit dem
Sorptionsmittel befüllt werden. Die Menge des Sorptionsmittels ist durch diesen Teil des Volumens auf einen maximalen Wert beschränkt.
Ein Sorptionsmittel ist insbesondere ein poröses Medium, welches dazu geeignet ist, mit einem sorbierbaren Stoff beladen zu werden. Ein Beladen des Sorptionsmittels mit dem sorbierbaren Stoff geschieht insbesondere durch Adsorption oder Absorption des sorbierbaren Stoffes. Das Ausmaß der Adsorption oder Absorption hängt sowohl von der Beladung des Gasstroms, als auch von der Beladung des Sorptionsmittels sowie von den Zustandsgrößen Druck und Temperatur ab. Insbesondere kann auch eine Desorption stattfinden. In welche Richtung ein Teilchen sorbiert hängt insbesondere von dem Verhältnis der Beladung des Sorptionsmittels zu der Beladung des Gasstroms ab. Mit der Richtung der Sorption ist hierbei eine Sorption von dem Gasstrom auf das Sorptionsmittel oder umgekehrt gemeint.
Ein Übergang kann nur stattfinden, wenn der Gasstrom mit dem Sorptionsmittel in einem engen Kontakt steht. Dies wird insbesondere mittels Durchströmens erzielt.
Sorptionsmittel umfassen beispielsweise Aktivkohle, Aktivkoks,
Kohlenstoffmolekularsiebe, weitere kohlenstoffhaltige Adsorbentien, Aktivtonerden, Kieselgele, Zeolithe, Trass, weitere oxidische Adsorbentien, polymere Adsorbentien, metallorganische Adsorbentien und/oder Mischungen hiervon.
Ein dem Eingang des Behälters zugeführter Gasstrom tritt in das Innere des Behälters, welcher mit einer Menge des Sorptionsmittel befüllt ist, ein. Aufgrund der Porosität des Sorptionsmittels kann der Gasstrom das Sorptionsmittel entlang des Sorptionspfades durchströmen. Ein von dem Gasstrom mitgeführtes Gasvolumen strömt somit in Richtung zum Ausgang des Behälters entlang des Sorptionspfades. Während des Durchströmens tritt das Gasvolumen in einen engen Kontakt mit in unterschiedlichen Abschnitten des Sorptionspfades angeordnetem Sorptionsmittel, wobei in jedem Abschnitt wie vorstehend beschriebene Übergänge einer Beladung von dem Gasstrom auf das Sorptionsmittel und umgekehrt stattfinden können. Insbesondere kann ein solcher Übergang mehrfach und in jeweils unterschiedliche Richtungen und/oder an unterschiedlichen Stellen entlang des Sorptionspfades stattfinden.
Dies wird nachfolgend beispielhaft anhand eines von dem Gasstrom mitgeführten Gasvolumens beschrieben. Das Gasvolumen ist vor dem Eintritt in den mit dem Sorptionsmittel befüllten Behälter durch seine Zustandsgrößen charakterisiert.
Insbesondere weist es eine Beladung auf. Beispielsweise ist es mit Feuchtigkeit gesättigt. In dem Beispiel weist das Sorptionsmittel einen Bereich mit erhöhter
Beladung auf, der sich etwa in einem mittleren Abschnitt des Sorptionspfades befindet. Das restliche Sorptionsmittel ist trocken. Tritt das gesättigte Gasvolumen in den
Behälter ein und durchströmt das Sorptionsmittel entlang des Sorptionspfades, so trifft es zunächst auf einen Abschnitt mit trockenem Sorptionsmittel. Deshalb kann insbesondere eine Sorption der Feuchtigkeit von dem Gasvolumen auf das
Sorptionsmittel stattfinden. Dadurch erniedrigt sich die Feuchtigkeit des Gasvolumens, und die Beladung des Sorptionsmittels in dem Abschnitt erhöht sich, wobei sich ein Bereich mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels in diesem Abschnitt ausbildet.
Das Gasvolumen strömt entlang des Sorptionspfades durch das Sorptionsmittel und wird weiter getrocknet, bis es den Bereich mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels erreicht. In dem Beispiel weist das Gasvolumen nun eine sehr geringe Feuchtigkeit auf, weshalb insbesondere eine Sorption der Feuchtigkeit von dem Sorptionsmittel in das Gasvolumen stattfinden kann. Dadurch erniedrigt sich die Beladung des
Sorptionsmittels, und die Feuchtigkeit des Gasvolumens steigt an. Das nun feuchte Gasvolumen strömt weiter entlang des Sorptionspfades. Es verlässt den Abschnitt mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels und durchströmt einen weiteren Abschnitt, in dem das Sorptionsmittel trocken vorliegt. Deshalb kann erneut eine Sorption von dem Gasvolumen auf das Sorptionsmittel stattfinden, wodurch sich die Feuchtigkeit des Gasvolumens erniedrigt, und sich die Beladung des
Sorptionsmittels in dem Abschnitt erhöht. Das Gasvolumen erreicht dann den Ausgang des Behälters und verlässt den Behälter mit einer erniedrigten Feuchtigkeit. In diesem Beispiel wurde somit ein Gasvolumen, das vor der Sorptionspuffer- Vorrichtung gesättigt mit Feuchtigkeit vorlag, in ein Gasvolumen mit einer erniedrigten Feuchtigkeit nach der Sorptionspuffer-Vorrichtung überführt. Darüber hinaus hat sich in dem Sorptionsmittel ein Bereich mit erhöhter Beladung, der am Eingang des Behälters angeordnet ist und sich entlang des Sorptionspfades mit einer bestimmten Breite in Richtung zum Ausgang erstreckt, ausgebildet. Ferner wurde ein Bereich mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels von einem mittleren Abschnitt des Sorptionspfades in einen weiteren Abschnitt entlang des Sorptionspfades in Richtung zum Ausgang verschoben. Eine Breite der Bereiche erhöhter Beladung des Sorptionsmittels hängt von der Menge des sorbierbaren Stoffes in einem jeweiligen Bereich und einer Aufnahmekapazität des Sorptionsmittels ab.
Folgt anschließend eine Phase mit einer erniedrigten Beladung des Gasstroms, d.h. durchströmen Gasvolumina mit einer erniedrigten Beladung die Sorptionspuffer- Vorrichtung, so wird der Bereich erhöhter Beladung des Sorptionsmittels, welcher am Eingang des Behälters angeordnet ist, entlang des Sorptionspfades in einen Abschnitt des Sorptionspfades verschoben, in dem das Sorptionsmittel zu Beginn dieser Phase eine erniedrigte Beladung aufweist. Ferner wird das Gasvolumen, welches nach dem Durchströmen des in dem mittleren Abschnitt angeordneten Sorptionsmittels, das zunächst eine erniedrigte Beladung aufweist, eine erniedrigte Beladung aufweisen. Daher kann das Gasvolumen, wenn es den angrenzenden Abschnitt erreicht,
Feuchtigkeit aufnehmen. Das in dem angrenzenden Abschnitt angeordnete
Sorptionsmittel weist einen Bereich mit erhöhter Beladung auf, der sich in der vorangehende Phase ausgebildet hat. Das Gasvolumen nimmt einen Teil der
Feuchtigkeit auf, wodurch seine Feuchtigkeit ansteigt. Anschließend tritt das
Gasvolumen auf dem Behälter aus. Es hat somit in dieser Phase eine Verschiebung der Bereiche erhöhter Beladung innerhalb des Sorptionsmittels stattgefunden. Der zunächst mit einer erniedrigten Beladung beladene Gasstrom wurde in einen behandelten Gasstrom mit einer höheren Beladung überführt.
Insbesondere ist die Menge des Sorptionsmittels und die Länge des Sorptionspfades in der Sorptionspuffer-Vorrichtung derart gewählt, dass in beiden Phasen die Beladung des behandelten Gasstroms den vorgegebenen Grenzwert nicht übersteigt. In der Phase erhöhter Beladung des beladenen Gasstroms ist die relativ dazu erniedrigte Beladung des behandelten Gasstroms geringer als der Grenzwert. In der Phase erniedrigter Beladung des beladenen Gasstroms ist die relativ dazu erhöhte Beladung des behandelten Gasstroms geringer als der Grenzwert. Die Beladung des behandelten Gasstroms muss jedoch nicht zwingend zeitlich konstant sein, sondern kann sich von Phase zu Phase unterscheiden. Im zeitlichen Mittel, wobei eine Mittelungszeitspanne wenigstens einige Phasen erhöhter und erniedrigter Phasen umfasst, sind die Beladung des beladenen Gasstroms und die Beladung des behandelten Gasstroms gleich groß. Man kann eine Beladungsfront definieren, die die Beladung des Sorptionsmittels in dem Behälter entlang des Sorptionspfades angibt. Die Beladungsfront lässt sich beispielsweise in einem Diagramm darstellen, wobei eine Achse eine Position entlang des Sorptionspfades angibt und eine weitere Achse gibt die Beladung des
Sorptionsmittels an der entsprechenden Position an. Ein solches Diagramm erlaubt eine verständliche Darstellung der Funktionsweise der Sorptionspuffer-Vorrichtung, insbesondere wenn die Beladungsfront zu mehreren unterschiedlichen Zeitpunkten dargestellt wird.
Wie in dem Beispiel beschrieben, bildet sich in einer ersten Phase in Abhängigkeit der Beladung des beladenen Gasstroms ein Bereich mit erhöhter Beladung in dem
Sorptionsmittel aus, der sich von dem Eingang des Behälters entlang des
Sorptionspfades mit einer gewissen Breite hin zum Ausgang des Behälters erstreckt. Die Breite dieses Bereichs kann dabei von der insgesamt eingetragenen Menge des sorbierbaren Stoffs während der Phase erhöhter Beladung abhängen. Die Menge lässt sich beispielsweise aus der Dauer der Phase, dem Massenstrom sowie der Beladung des Gasstroms berechnen. In einer auf diese Phase folgenden Phase mit erniedrigter Beladung des beladenen Gasstroms wird der Bereich mit erhöhter Beladung in dem Sorptionsmittel entlang des Sorptionspfades in Richtung zum Ausgang hin verschoben. Dies geschieht durch mehrfache Übertragung des sorbierbaren Stoffs, wie in dem Beispiel weiter oben beschrieben. Man kann auch sagen, dass die Beladungsfront entlang des Sorptionspfades wandert. Die Strecke, die die Beladungsfront während einer Phase erniedrigter Beladung zurücklegt, kann insbesondere von der Dauer der Phase erniedrigter Beladung des beladenen Gasstroms, dem Massenstrom sowie der Beladung abhängen. In einer periodischen Abfolge dieser beiden Phasen und wenn der Massenstrom und die Beladung in unterschiedlichen Phasen erhöhter Beladung zueinander gleich oder zumindest ähnlich sind, und der Massenstrom und die
Beladung in unterschiedlichen Phasen erniedrigter Beladung des beladenen
Gasstroms zueinander gleich oder zumindest ähnlich sind, kann sich eine
Beladungsfront ausbilden, bei der ein Abstand zwischen zwei Bereichen mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels jeweils konstant ist. Die Beladungsfront ist demnach durch eine Funktion mit periodisch beabstandeten relativen Maxima und/oder Minima beschreibbar.
Ein Abgreifen des behandelten Gasstroms am Ausgang der Sorptionspuffer- Vorrichtung kann beispielsweise ein Einleiten des Gasstroms in eine an den Ausgang angeschlossene Rohrleitung, insbesondere eine Gaspipeline, umfassen. Unter einer Gaspipeline wird eine Anordnung verstanden, die dazu eingerichtet ist, den Gasstrom über eine vorgegebene Strecke, beispielsweise 10 km oder auch 20 km, zu transportieren. Die Gaspipeline kann beispielsweise aus Rohren gebildet sein.
Insbesondere kann die Gaspipeline bei Umgebungstemperatur betrieben werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses die Schritte:
Entspannen des behandelten Gasstroms mit Hilfe eines in Abströmrichtung zu der Sorptionspuffer-Vorrichtung angeordneten Druckminderers, wobei ein entspannter Gasstrom erzeugt wird; und Zuführen des entspannten Gasstroms an eine der Sorptionspuffer-Vorrichtung nachgeschalteten Gaspipeline.
Eine solche Druckabsenkung ist besonders vorteilhaft, da damit eine
Taupunktabsenkung erwirkt werden kann. Ein Druckminderer kann auch als
Druckminderungsventil, Reduzierventil oder Druckventil bezeichnet werden. Der
Druckminderer ist insbesondere dazu eingerichtet, einen vorgebbaren Differenzdruck zwischen der Anströmseite und der Abströmseite herzustellen. Alternativ kann der Druckminderer dazu eingerichtet sein, einen vorgebbaren Maximaldruck auf der Abströmseite nicht zu überschreiten oder einen vorgebbaren Minimaldruck auf der Abströmseite nicht zu unterschreiten.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens beträgt ein
Gasdruckunterschied zwischen der Sorptionspuffer- Vorrichtung und der Gaspipeline 5 bar - 10 bar.
Beispielsweise kann ein Gasdruck am Ausgang des Behälters der Sorptionspuffer- Vorrichtung 23 bar sein und ein Gasdruck in einer nachgeschalteten Gaspipeline kann 17 bar sein. Dann entspannt sich der Gasstrom um die Druckdifferenz von 6 bar. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses den Schritt: Abkühlen des beladenen Gasstroms mit Hilfe einer der Sorptionspuffer-Vorrichtung vorgeschalteten Gaskühlungsvorrichtung, wobei ein abgekühlter Gasstrom erzeugt wird.
Durch die Abkühlung des Gasstroms kann ein relativer Gehalt eines sorbierten Stoffs erhöht werden. Wenn der Gasstrom vor der Abkühlung bereits gesättigt oder fast gesättigt vorlag, so kann dies insbesondere zu einer Kondensation und damit einer Abscheidung des sorbierten Stoffes in der Gaskühlungsvorrichtung führen. Dies kann vorteilhaft und erwünscht sein, um die absolute Beladung des Gasstroms zu erniedrigen. Insbesondere wenn der behandelte Gasstrom einer bei
Umgebungstemperaturen betriebenen Gaspipeline zugeführt wird und die
Umgebungstemperaturen gering sind, wie beispielsweise im Winter, kann dieser Schritt dazu beitragen, dass die Beladung des behandelten Gasstroms einen vorgebbaren Grenzwert nicht überschreitet. Die Gaskühlungsvorrichtung kann auch als ein Kühler oder ein Abscheider bezeichnet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens beträgt eine Gastemperatur des abgekühlten Gasstroms 20°C - 50°C.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses den Schritt: Komprimieren des beladenen Gasstroms mit Hilfe eines Kompressors, wobei ein mit einem Druck beaufschlagter Gasstrom erzeugt wird. Dies ermöglicht es, einen vorteilhaften Prozessdruck zu aufzubauen. Insbesondere kann hiermit gewährleistet werden, dass beispielsweise mittels eines abströmseitig zu der Sorptionspuffer-Vorrichtung angeordneten Druckminderers eine Druckdifferenz realisiert werden kann. Ferner kann sichergestellt werden, dass ein Massenstrom aufrechterhalten bleibt, denn die Gasströmung benötigt aufgrund von
Reibungsverlusten Energie. Dies macht sich insbesondere durch einen Druckabfall entlang einer Strömung bemerkbar. Insbesondere kann daher die Strömung durch die Sorptionspuffer-Vorrichtung sichergestellt werden sowie die Strömung durch eine optionale Gaspipeline. Ferner kann hiermit erwirkt werden, dass der Druck in der Sorptionspuffer-Vorrichtung zeitlich konstant ist und nicht von weiteren Prozessen abhängt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens beträgt ein Gasdruck des mit dem Druck beaufschlagten Gasstroms 20 bar - 30 bar.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst die
Adsorptionsvorrichtung eine Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung und/oder eine Temperaturwechsel-Adsorptionsvorrichtung.
Derartige Adsorptionsvorrichtungen können insbesondere periodischen betrieben werden. Dann sind die Intervalle der Phasen erhöhter Beladung und Phasen erniedrigter Beladung immer gleich lang. Darüber hinaus kann eine Beladung des beladenen Gasstroms in den jeweiligen Phasen jeweils gleich oder zumindest ähnlich sein. In diesem Fall bildet sich eine wie vorstehend beschriebene periodische Beladungsfront aus, deren Periode mit den Intervalllängen korrespondiert.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens umfasst der Gasstrom gasförmigen Wasserstoff, gasförmiges Kohlenstoffmonoxid, gasförmiges
Kohlenstoffdioxid, gasförmige organische Verbindungen, gasförmiges Wasser, gasförmigen Stickstoff, gasförmigen Sauerstoff und/oder ein gasförmiges Edelgas sowie Kombinationen hiervon.
Gasförmige organische Verbindungen weisen insbesondere eine Summenformel wie CnH2n+2 auf. Derartige sorbierbare Stoffe werden auch als flüchtige organische
Verbindungen oder VOCs (von englisch: Volatile Organic Compounds) bezeichnet.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens weist der beladene Gasstrom eine Wassermenge von 0 - 4000 mol-ppm auf und der behandelte Gasstrom weist eine Wassermenge von 500 - 2000 mol-ppm, bevorzugt 750 - 1500 mol-ppm auf.
Somit ist eine Vergleichmäßigung der Beladung des Gasstroms vorteilhaft erzielt. Beispielsweise beträgt die Feuchtigkeit des beladenen Gasstroms in einer Phase erhöhter Beladung 4000 ppm und die Feuchtigkeit des behandelten Gasstroms in dieser Phase beträgt 1500 ppm. In der Phase erniedrigter Beladung beträgt die Feuchtigkeit des beladenen Gasstroms beispielsweise 0 ppm und die Feuchtigkeit des behandelten Gasstroms beträgt 750 ppm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens dauert die Phase erhöhter Beladung 2 - 10 h und die Phase erniedrigter Beladung dauert wenigstens doppelt so lange, vorzugsweise wenigstens dreimal so lange wie die Phase erhöhter Beladung.
Dies ermöglicht es vorzugsweise, das Verfahren auch für Prozesse mit langen Intervallen einzusetzen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens liegt ein Massenstrom des Gasstroms zwischen 500 Norm-m3/h und 20000 Norm-m3/h, bevorzugt zwischen 8000 Norm-m3/h und 17000 Norm-m3/h. Dies ermöglicht es vorteilhaft, das Verfahren für verfahrenstechnische Anlagen unterschiedlicher Größe einzusetzen. Ferner kann das Verfahren auch bei zeitlich schwankenden Gasströmen eingesetzt werden.
Weitere Vorteile des Verfahrens oder von Ausführungsformen des Verfahrens werden im Folgenden genannt.
Die Sorptionspuffer- Vorrichtung benötigt keine eigene Energiequelle. Ihre Verwendung führt lediglich zu einem Druckabfall des Gasstroms. Weiterhin kann es möglich sein, den behandelten Gasstrom, der eine vergleich mäßigte Beladung aufweist, in Prozessen zu verwenden, in denen die Beladung des beladenen Gasstroms zumindest phasenweise zu hoch ist. Dies kann zu einer effizienteren Nutzung der verfahrenstechnischen Anlage und einer Einsparung an Rohstoffen und Energie beitragen.
Ferner kann eine Vergleichmäßigung der Beladung des Gasstroms erreicht werden, ohne dass der sorbierbare Stoff als Abfallprodukt anfällt, womit beispielsweise Entsorgungskosten eingespart werden können. Zusätzlich ist die Sorptionspuffer- Vorrichtung für eine dauerhaft kontinuierliche Nutzung eingerichtet. Außerdem kann eine solche Sorptionspuffer-Vorrichtung einen sehr einfachen Aufbau aufweisen, weshalb sie günstig zu fertigen sein kann und nur einen geringen
Wartungsaufwand benötigen kann. Darüber hinaus ist es möglich, dieses Verfahren auch bei verfahrenstechnischen Prozessen mit sehr langen Intervallen anzuwenden, da immer eine ausreichende Menge des Sorptionsmittels und ein hinreichend langer Sorptionspfad bereitgestellt sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird eine verfahrenstechnische Anlage zur
Durchführung des Verfahrens gemäß des ersten Aspekts oder einer der
Ausführungsformen des ersten Aspekts vorgeschlagen. Die verfahrenstechnische Anlage weist eine Sorptionspuffer-Vorrichtung zur Behandlung eines mit einem sorbierbaren Stoff beladenen Gasstroms auf. Eine Länge eines Sorptionspfades und eine Menge eines Sorptionsmittels in der Sorptionspuffer-Vorrichtung sind derart eingerichtet, dass die Sorptionspuffer-Vorrichtung im Betrieb der
verfahrenstechnischen Anlage zur Aufnahme von wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier, weiter bevorzugt wenigstens fünf unterschiedlichen Bereichen erhöhter Beladung des Sorptionsmittels entlang des Sorptionspfades geeignet ist.
Gemäß einer Ausführungsform der verfahrenstechnischen Anlage ist diese ferner dazu eingerichtet, den beladenen Gasstrom derart zu behandeln, dass der behandelte Gasstrom eine erniedrigte Beladung gegenüber der erhöhten Beladung des beladenen Gasstroms und dass der behandelte Gasstrom eine erhöhte Beladung gegenüber der erniedrigten Beladung des beladenen Gasstroms aufweist.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Herstellungsverfahren für eine Sorptionspuffer- Vorrichtung zur Behandlung eines Gasstroms vorgeschlagen. Die Sorptionspuffer- Vorrichtung eignet sich insbesondere für den Einbau in die verfahrenstechnische Anlage gemäß des zweiten Aspekts und für den Betrieb in einer verfahrenstechnischen Anlage gemäß dem Verfahren des ersten Aspekts oder einer der Ausführungsformen des Verfahrens. Die vorgeschlagenen Sorptionspuffer-Vorrichtung weist einen mit einem Sorptionsmittel befüllten Behälter auf, der einen Eingang und einen Ausgang aufweist, derart, dass ein dem Eingang zugeführter Gasstrom entlang eines
Sorptionspfads das Sorptionsmittel durchströmt. Der Sorptionspfad führt in dem Behälter von dem Eingang zum Ausgang. Eine Länge des Sorptionspfades und eine Menge des Sorptionsmittels in der Sorptionspuffer-Vorrichtung werden derart gewählt, dass die Sorptionspuffer-Vorrichtung im Betrieb der verfahrenstechnischen Anlage zur Aufnahme von wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier, weiter bevorzugt wenigstens fünf unterschiedlichen Bereichen erhöhter Beladung des Sorptionsmittels entlang des Sorptionspfades geeignet ist.
Weitere mögliche Implementierungen des Verfahrens umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der
Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform des Verfahrens hinzufügen.
Die zu dem Verfahren genannten Ausführungsformen gelten für die
verfahrenstechnische Anlage sowie für das Herstellungsverfahren derselben entsprechend.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte des Verfahrens sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele des Verfahrens. Im Weiteren wird das Verfahren anhand von bevorzugten
Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.
Fig. 1 zeigt ein R&l-Fließschema (Rohrleitungs- und Instrumentenfließschema) eines ersten Ausführungsbeispiels einer verfahrenstechnischen Anlage, die zur
Durchführung des Verfahrens geeignet ist;
Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines zeitlichen Ablaufs einer Beladung eines beladenen Gasstroms und eines behandelten Gasstroms; Fig. 3 zeigt mehrere Diagramme eines Beispiels einer Beladung eines Sorptionsmittels in der Sorptionspuffer- Vorrichtung mit einem sorbierbaren Stoff zu unterschiedlichen Zeitpunkten;
Fig. 4 zeigt ein R&l-Fließschema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer verfahrenstechnischen Anlage, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist; Fig. 5 zeigt ein Diagramm eines Beispiels einer Beladung eines Sorptionsmittels in der Sorptionspuffer-Vorrichtung mit einem sorbierbaren Stoff zu einem Zeitpunkt; Fig. 6 zeigt ein R&l-Fließschema eines dritten Ausführungsbeispiels einer
verfahrenstechnischen Anlage, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist; und
Fig. 7 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage.
Fig. 1 zeigt ein R&l-Fließschema eines ersten Ausführungsbeispiels einer
verfahrenstechnischen Anlage 100, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Die verfahrenstechnische Anlage 100 umfasst in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 eine Adsorptionsvorrichtung 10 und eine Sorptionspuffer- Vorrichtung 40. Die
Adsorptionsvorrichtung 10 des Ausführungsbeispiels gibt in einer Phase P1 (siehe Fig. 2) für etwa 18h einen beladenen Gasstrom Gi aus, dessen Beladung erniedrigt ist. In einer sich daran anschließenden Phase P2 gibt sie für eine Dauer von etwa 6h einen beladenen Gasstrom Gi aus, der mit 1200 - 4000 ppm Wasser beladen ist. Der beladene Gasstrom Gi umfasst 70% H2, 10% CO und 20% CH4, bezogen auf das Volumen, und strömt mit einem Massenstrom von 8000 - 17000 Norm-m3/h.
Der beladene Gasstrom Gi wird der Sorptionspuffer-Vorrichtung 40 zugeführt. Diese weist einen mit einem Sorptionsmittel 44 beladenen Behälter 41 auf, welcher einen Eingang 42 und einen Ausgang 43 aufweist. Der Behälter 41 ist mit dem
Sorptionsmittel 44 befüllt, welches auf einem Sorptionspfad 45 von einem Gasstrom durchströmbar ist. Der Behälter 41 des Ausführungsbeispiels hat eine Zylinderform mit einem Innendurchmesser von 2,2 m und einer Höhe von 7,5 m und ist mit etwa 22 1 Silikagel als das Sorptionsmittel 44 befüllt. Der beladene Gasstrom Gi tritt über den Eingang 42 in das mit dem Sorptionsmittel 44 befüllte Innere des Behälters 41 ein und durchströmt diesen entlang des von dem Eingang 41 zu dem Ausgang 43 führenden Sorptionspfades 45. Dabei vergleichmäßigt sich die Beladung des Gasstroms Gi derart, dass der behandelte Gasstrom G4 eine Beladung von 750 ppm - 1500 ppm aufweist und eine Taupunktabsenkung um 10°C - 15°C erzielt ist. Fig. 2 zeigt ein Beispiel eines zeitlichen Ablaufs einer Beladung φ eines beladenen Gasstroms d und eines behandelten Gasstroms G4, der beispielsweise bei einer verfahrenstechnischen Anlage 100 gemäß des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 auftreten kann. Es ist ein Diagramm mit einer Zeitachse t und einer Beladungsachse φ dargestellt. Zu einem Zeitpunkt ti beginnt eine erste Phase P1 , in welcher der beladene Gasstrom Gi eine erniedrigte Beladung q^ aufweist. Die Phase P1 endet zu einem Zeitpunkt t2, zu welchem die Beladung φ des beladenen Gasstroms d auf eine erhöhte Beladung cp2 ansteigt, was für die Dauer der Phase P2 bis zum Zeitpunkt t3 anhält. Das Diagramm zeigt nur einen kleinen Ausschnitt umfassend eine Phase P1 mit erniedrigter Beladung q^ und eine Phase P2 erhöhter Beladung cp2. Wie angedeutet, gehen diesem Zeitabschnitt weitere Phasen voraus und weitere Phasen folgen nach. Dabei kann die Dauer von einzelnen Phasen sowie die Beladung φ eines Gasstroms unterschiedlich von dem gezeigten Beispiel sein. Außerdem kann zwischen zwei Phasen auch eine graduelle Änderung der Beladung φ eines Gasstroms auftreten.
In dem Diagramm der Fig. 2 ist zusätzlich ein Beispiel eines Verlaufs einer Beladung φ des behandelten Gasstroms G4 (gestrichelte Linie) eingezeichnet. In der Phase P1 , wenn der beladene Gasstrom Gi eine erniedrigte Beladung aufweist, weist der behandelte Gasstrom G4 eine gegenüber der erniedrigten Beladung q^ erhöhte Beladung φΊ auf. In der Phase P2, wenn der beladene Gasstrom Gi eine erhöhte Beladung cp2 aufweist, weist der behandelte Gasstrom G4 eine gegenüber der erhöhten Beladung cp2 erniedrigte Beladung <p'2 auf. Insgesamt ist somit eine Vergleichmäßigung der Beladung φ des Gasstroms erzielt, die sich in einer verringerten Differenz der erhöhten cp2,cp'2 und der erniedrigten Beladung <ρι ,φΊ ausdrückt.
Insbesondere ist es möglich, dass der behandelte Gasstrom G4 eine Beladung φ' aufweist, die in einer Phase P1 erniedrigter Beladung q^ des beladenen Gasstroms d langsam, beispielsweise exponentiell abklingend, gegen eine erniedrigte Beladung φΊ strebt. Ebenso kann es insbesondere sein, dass die Beladung φ' des behandelten Gasstroms G4 in einer Phase P2 mit erhöhter Beladung φ2 des beladenen Gasstroms Gi von dem Wert erniedrigter Beladung φΊ langsam, beispielsweise exponentiell, gegen eine erhöhte Beladung <p'2 des behandelten Gasstroms G4 strebt. Fig. 3 zeigt mehrere Diagramme eines Beispiels einer Beladung ψι eines
Sorptionsmittels 44 mit dem sorbierbaren Stoff in der Sorptionspuffer- Vorrichtung 40 entlang der Länge I = x2 - Xi des Sorptionspfades 45 zu unterschiedlichen Zeitpunkten ti - 15. Die Diagramme sind aneinander ausgerichtet und übereinander angeordnete Punkte auf der x-Achse entsprechen sich, was mit den durchgehenden gestrichelten Linien verdeutlicht ist. Die Beschriftung der x-Achse findet sich aus Gründen der Übersicht nur unter dem Diagramm t5. Wenn nachfolgend von dem Gasstrom G die Rede ist, so ist damit der Gasstrom in der Sorptionspuffer- Vorrichtung gemeint. Der erste Zeitpunkt ist ^ und kann mit dem Zeitpunkt ^ der Fig. 2 übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt ti ist eine Phase P2 mit einer erhöhten Beladung cp2 des Gasstroms Gi gerade zu Ende. Während dieser Phase P2 hat sich in dem Abschnitt Ατ des Sorptionspfades 45 ein Bereich mit erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 ausgebildet. Dieser Bereich weist eine Breite auf, die insbesondere von der Dauer der Phase P2, dem Massenstrom und der Beladung cp2 des beladenen Gasstroms d abhängt (siehe Fig. 2). An den Zeitpunkt ti schließt sich eine Phase P1 mit einer erniedrigten Beladung des beladenen Gasstroms d an, die bis zu einem Zeitpunkt t2 andauert, wie es beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Der zweite Zeitpunkt t2 kann beispielsweise mit dem Zeitpunkt t2 der Fig. 2
übereinstimmen. Wie in dem Diagramm t2 dargestellt, wurde der Bereich B^ erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 von dem Abschnitt Ατ in den Abschnitt A2 des Sorptionspfades 45 in Richtung zum Ausgang x2 hin verschoben. Dies kann wie folgt erklärt werden: In der Phase P1 weist der beladene Gasstrom Gi eine erniedrigte Beladung auf, weshalb ein Übergang des sorbierbaren Stoffs von dem mit erhöhter Beladung ψ vorliegenden Sorptionsmittel 45 in dem Abschnitt Ατ auf den Gasstrom G möglich ist, womit sich die Beladung ψ des Sorptionsmittels 45 in dem Abschnitt Ατ reduziert. Der Gasstrom G kann daher nach dem Durchströmen des Abschnitts Ατ eine gegenüber der erniedrigten Beladung höhere Beladung φ aufweisen. Wenn der Gasstrom G den Bereich durchströmt hat, durchströmt er entlang des
Sorptionspfades 45 den Bereich A2, in welchem das Sorptionsmittel 44 zunächst eine erniedrigte Beladung ψ aufweist (entsprechend der Darstellung des Diagramms ti). Deshalb kann ein Übergang des sorbierbaren Stoffes von dem Gasstrom G auf das Sorptionsmittel 44 in dem Bereich A2 erfolgen. Somit wird der Bereich B^ erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 entlang des Sorptionspfades 45 in den Abschnitt A2 verschoben. Man kann auch sagen, die Beladungsfront in dem Sorptionsmittel 45 verschiebt sich.
Der dritte Zeitpunkt t3 entspricht einem Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt t2, wenn eine weitere Phase P2 gerade zu Ende ist. Deshalb hat sich an in dem Abschnitt Ατ ein weiterer Bereich B2 mit einer erhöhten Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 ausgebildet und der Bereich erhöhter Beladung ψ wurde von dem Abschnitt A2 in den Abschnitt A3 entlang des Sorptionspfades 45 verschoben. Der vierte Zeitpunkt t4 entspricht einem Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt t3, wenn eine weitere Phase P1 gerade zu Ende ist. Deshalb wurden die beiden Bereiche B^ B2 mit erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 entlang des Sorptionspfades 45 in den jeweils nächstliegenden Abschnitt, A2 bzw. A4, verschoben. Der fünfte dargestellte Zeitpunkt t5 entspricht einem Zeitpunkt nach dem Zeitpunkt t4, wenn eine weitere Phase P2 gerade zu Ende ist, weshalb sich ein dritter Bereich B3 erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 in dem Abschnitt ausgebildet hat. Die beiden weiteren Bereiche B^ B2 mit erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 wurden erneut entlang des Sorptionspfades 45 in den jeweils nächstliegenden Abschnitt, A3 bzw. A5, verschoben.
In der dargestellten Zeitreihe mit Momentaufnahmen der Beladungsfront in dem Sorptionsmittel 44 ist die Sorptionspuffer-Vorrichtung 40 zur Aufnahme von drei unterschiedlichen Bereichen Bi , B2, B3 mit einer erhöhten Beladung ψ des
Sorptionsmittels 44 geeignet. Zwischen diesen Bereichen Bi , B2, B3 liegen jeweils Bereiche mit einer erniedrigten Beladung ψ des Sorptionsmittels 44.
In der Fig. 3 ist ein weiterer Effekt dargestellt. Die relative Beladung ψ des
Sorptionsmittels 44 in einem Bereich Bi , B2, B3 nimmt ab, wenn der Bereich das Sorptionsmittel 44 entlang des Sorptionspfades 45 durchläuft. In der Fig. 3 ist dies an der Höhe der Beladung ψ eines Bereichs B^ B2, B3 zu unterschiedlichen Zeitpunkten ti - 15 dargestellt. Gleichzeitig verbreitert sich ein jeweiliger Bereich B^ B2, B3, da die Gesamtmenge des sorbierbaren Stoffes erhalten bleibt. Fig. 4 zeigt ein R&l-Fließschema eines zweiten Ausführungsbeispiels einer verfahrenstechnischen Anlage 200, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Die verfahrenstechnische Anlage 200 umfasst in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 eine Adsorptionsvorrichtung 1 0, einen Kompressor 20, eine Gaskühlungsvorrichtung 30, eine Sorptionspuffer-Vorrichtung 40, ein Druckminderer 50 sowie eine Gaspipeline 60.
Der von der Adsorptionsvorrichtung 10 kommende beladene Gasstrom Gi wird dem Kompressor 20 zugeführt und komprimiert. Beispielsweise beträgt der Druck des komprimierten Gasstroms G2 25 bar. Der derart mit Druck beaufschlagte Gasstrom G2 wird der Gaskühlungsvorrichtung 30 zugeführt und dort auf eine Gastemperatur von 20°C - 50°C abgekühlt. Dabei kann es insbesondere während der Phasen P2 mit einer erhöhten Beladung cp2 des beladenen Gasstroms d vorkommen, dass eine Menge des sorbierbaren Stoffes in der Gaskühlungsvorrichtung 30 kondensiert somit
abgeschieden wird. Der abgekühlte Gasstrom G3 kann daher bereits eine gegenüber der Beladung cp2 des beladenen Gasstroms d reduzierte Beladung cp'2 aufweisen. Der abgekühlte Gasstrom G3 wird anschließend der Sorptionspuffer-Vorrichtung 40 zugeführt. Die Sorptionspuffer-Vorrichtung 40 des Ausführungsbeispiels ist derart ausgelegt, dass sie zur Aufnahme von fünf Bereichen - B5 mit erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 geeignet ist (siehe Fig. 5). Ansonsten funktioniert die
Sorptionspuffer-Vorrichtung 40 wie vorstehend anhand der Fig. 3 erläutert.
Der behandelte Gasstrom G4 wird nach der Sorptionspuffer- Vorrichtung 40 einem Druckminderer 50 zugeführt, der den Druck des Gases auf 15 bar reduziert. Der derart entspannte Gasstrom G5 weist insbesondere einen Taupunkt auf, der unter einer Temperatur der Gaspipeline 60 liegt, mittels welcher der entspannte Gasstrom G5 beispielsweise zu einer weiteren verfahrenstechnischen Anlage (nicht gezeigt) transportiert wird. Somit ist eine Kondensation des sorbierbaren Stoffes in der
Gaspipeline 60 wirksam verhindert und negative Effekte, wie beispielsweise eine Korrosion der Gaspipeline 60 sind vermindert.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm eines Beispiels einer Beladungsfront eines Sorptionsmittels 44 in einer Sorptionspuffer- Vorrichtung 40, wie sie beispielsweise in einer der verfahrenstechnischen Anlagen 100, 200 verwendet werden kann. Dabei ist die Beladungsfront zu einem Zeitpunkt dargestellt. In dem Beispiel der Fig. 5 ist die Sorptionspuffer- Vorrichtung 40 dazu eingerichtet, insgesamt fünf Bereiche - B5 mit einer erhöhten Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 aufzunehmen. Die fünf Bereiche Bi - B5 befinden sich in unterschiedlichen Abschnitten Ατ - A5 entlang des
Sorptionspfades 45 (siehe Fig. 4) und weisen jeweils ein relatives Maximum der Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 auf. Der dargestellte Zeitpunkt in der Fig. 5 entspricht einem Zeitpunkt nach dem Ablauf von wenigstens fünf Zyklen, wobei ein Zyklus eine Abfolge einer Phase P1 mit einer anschließenden Phase P2,
beispielsweise gemäß der Fig. 2, umfasst. Fig. 6 zeigt ein R&l-Fließschema eines dritten Ausführungsbeispiels einer
verfahrenstechnischen Anlage 300, die zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist. Die verfahrenstechnische Anlage 300 ist insbesondere zur Zerlegung eines Synthese- Gasstroms Gs unter Bereitstellung eines ersten Produkts GP1 , das überwiegend CO umfasst, und eines zweiten Produkts GP2, das überwiegend H2 umfasst, ausgelegt. Die Adsorptionsvorrichtung 10 ist in dem Ausführungsbeispiel aus einer
Temperaturwechsel-Adsorptionsvorrichtung 11 , einer Kältekammer 12 und einer Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung 13 gebildet. Ferner weist die
verfahrenstechnische Anlage 300 einen Kompressor 20, eine Gaskühlungsvorrichtung 30, eine Sorptionspuffer-Vorrichtung 40 sowie eine Gaspipeline 60 auf.
Der Synthese-Gasstrom Gs strömt zunächst in die Temperaturwechsel- Adsorptionsvorrichtung 1 1 und wird dort in einen Gasstrom G0i überführt, der hauptsächlich CO und H2 umfasst. Die weiteren Bestandteile des Synthese-Gasstroms Gs werden in der Temperaturwechsel-Adsorptionsvorrichtung 1 1 zurückgehalten. Der Gasstrom G0i wird der Kältekammer 12 zugeführt, in welcher H2 von CO abgetrennt wird. In der Kältekammer 12 fällt CO als Produkt GP1 an und kann in weiteren
Prozessen verwendet werden (nicht gezeigt). Der Gasstrom G02 umfasst hauptsächlich H2. Wie in dem Schema dargestellt, wird dieser Gasstrom G02 phasenweise zur Regeneration der Temperaturwechsel-Adsorptionsvorrichtung 11 verwendet.
Insbesondere während dieser Regeneration tritt eine erhöhte Beladung φ des
Gasstroms d auf. In dem Beispiel des zeitlichen Ablaufs der Fig. 2 entspricht das der Phase P2. Der Gasstrom G02 wird der Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung 13 zugeführt. Dort wird insbesondere H2 von dem Gasstrom G02 abgetrennt und als Produkt GP2 bereitgestellt. Der Restgasstrom bildet den beladenen Gasstrom Gi , der die weiteren Komponenten Kompressor 20, Gaskühlungsvorrichtung 30, Sorptionspuffer- Vorrichtung 40 durchströmt und schließlich in eine Gaspipeline 60 eingeleitet wird. Dabei wird der Gasstrom in jeder dieser Vorrichtungen in einen Gasstrom mit veränderten
Zustandsgrößen überführt, beispielsweise wie dies in dem Ausführungsbeispiel der verfahrenstechnischen Anlage 200 gemäß Fig. 4 beschrieben ist. Der Gasstrom Gi - G4 ist beispielsweise zur Verbrennung in einem Kraftwerk geeignet (nicht gezeigt).
Fig. 7 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage, beispielsweise der
verfahrenstechnischen Anlage 100 des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 . Das dargestellte Verfahren umfasst die Schritte:
Zuführen 710 eines beladenen Gasstroms d an eine Sorptionspuffer- Vorrichtung 40. Der Gasstrom Gi ist dabei von einer Adsorptionsvorrichtung 10 bereitgestellt. Das Zuführen 710 kann bedeuten, dass der beladene Gasstrom Gi von der Adsorptionsanlage 10 an einen Eingang 42 der Sorptionspuffer- Vorrichtung 40 mittels einer Rohrleitung geleitet wird.
Leiten 720 des beladenen Gasstroms d in der Sorptionspuff er- Vorrichtung 40 durch ein Sorptionsmittel 44 entlang eines Sorptionspfades 45. Dabei kann
insbesondere mittels Sorption eine Änderung der Beladung φ des Gasstroms d und der Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 in einzelnen Abschnitten entlang des
Sorptionspfades 45 auftreten. Insbesondere bildet sich eine Beladungsfront mit mehreren Bereichen Bi - B5 mit erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 aus, die in Abhängigkeit der Beladung φ des beladenen Gasstroms Gi sowie des
Massenstroms des beladenen Gasstroms d entlang des Sorptionspfades 45 verschoben wird. Die einzelnen Bereiche Bi - B5 sind dabei durch lokale Maxima in der Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 charakterisiert und sind durch lokale Minima in der Beladung ψ voneinander getrennt. Im Laufe des Verschiebens der einzelnen Bereiche Bi - B5 vergleichmäßigt sich die Beladung ψ des Sorptionsmittels 45 derart, dass eine Amplitude, die beispielsweise durch einen Unterschied in der Beladung ψ des
Sorptionsmittels 44 an einem lokalen Maximum zu einem benachbarten lokalen Minimum bestimmt werden kann, entlang des Sorptionspfades 45 abnimmt.
Abgreifen 730 des behandelten Gasstroms G4 an einem Ausgang 43 der Sorptionspuffer-Vorrichtung 40. Ein Abgreifen 730 besteht insbesondere in einem Einleiten in eine an den Ausgang 43 angeschlossene Rohrleitung, um den behandelten Gasstrom G4 weiteren Prozessen zuzuführen.
Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage, beispielsweise einer der verfahrenstechnischen Anlagen 100, 200, 300 der Ausführungsbeispiele der Fig. 1 , 4 oder 6. Das Verfahren dieses Ausführungsbeispiels umfasst die gleichen
Verfahrensschritte 710, 720, 730 wie das vorhergehende Ausführungsbeispiel (siehe Fig. 7), wobei den einzelnen Verfahrensschritten verschiedene Teilverfahrensschritte zugeordnet sind.
Demnach umfasst das Zuleiten 710 ein Durchleiten 71 1 eines Synthese-Gasstroms Gs durch eine Adsorptionsvorrichtung 10 zur Bereitstellung eines beladenen Gasstroms Gi . Es schließt sich ein Komprimieren 712 des beladenen Gasstroms GT zur
Bereitstellung eines mit einem Druck beaufschlagten Gasstroms G2 an. Ferner wird der komprimierte Gasstrom G2 zur Bereitstellung eines abgekühlten Gasstroms G3 abgekühlt 713. Der abgekühlte Gasstrom G3 wird dann dem Eingang 42 der
Sorptionspuffer-Vorrichtung 40 zugeleitet.
Der Verfahrensschritt des Leitens 720 des Gasstroms umfasst zumindest die
Teilschritte eines Auswählens 721 einer Länge eines Sorptionspfades 45 und einer Menge eines Sorptionsmittels 44 in der Sorptionspuffer- Vorrichtung 40 derart, dass diese zur Aufnahme von wenigstens drei, bevorzugt vier, weiter bevorzugt fünf unterschiedlichen Bereichen - B5 mit erhöhter Beladung ψ des Sorptionsmittels 44 entlang des Sorptionspfades 45 geeignet ist, sowie des Durchströmens 722 des Sorptionsmittels 44 entlang des Sorptionspfades 45 mittels des beladenen Gasstroms Gi zur Bereitstellung eines behandelten Gasstroms G4 an einem Ausgang 43 der Sorptionspuffer-Vorrichtung 40.
Der Verfahrensschritt des Abgreifens 730 umfasst insbesondere ein Entspannen 731 des behandelten Gasstroms G4 zur Bereitstellung eines entspannten Gasstroms G5 und ein Zuführen 732 des entspannten Gasstroms G5 an eine Gaspipeline 60 zum Transport des entspannten Gasstroms G5 an eine weitere Vorrichtung oder verfahrenstechnische Anlage. Verwendete Bezuqszeichen
100 verfahrenstechnische Anlage
200 verfahrenstechnische Anlage
300 verfahrenstechnische Anlage
10 Adsorptionsvorrichtung
1 1 Temperaturwechsel-Adsorptionsvorrichtung
12 Kältekammer
13 Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung
20 Kompressor
30 Gaskühlungsvorrichtung
40 Sorptionspuffer-Vorrichtung
41 Behälter
42 Eingang
43 Ausgang
44 Sorptionsmittel
45 Sorptionspfad
50 Druckminderer
60 Gaspipeline
710 Verfahrensschr tt (Zuführen)
71 1 Verfahrensschr tt (Leiten durch Adsorptionsvorrichtung)
712 Verfahrensschr tt (Komprimieren)
713 Verfahrensschr tt (Abkühlen)
720 Verfahrensschr tt (Leiten)
721 Verfahrensschr tt (Auswählen)
722 Verfahrensschr tt (Durchströmen)
730 Verfahrensschr tt (Abgreifen)
731 Verfahrensschr tt (Entspannen)
732 Verfahrensschr tt (Zuführen an eine Gaspipeline)
Ai Abschnitt
A2 Abschnitt
A3 Abschnitt
A4 Abschnitt
A5 Abschnitt Bereich mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels
B2 Bereich mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels
B3 Bereich mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels
B4 Bereich mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels
B5 Bereich mit erhöhter Beladung des Sorptionsmittels
G Gasstrom in der Sorptionspuffer- Vorrichtung
G0i Gasstrom zur Zuführung in die Cold-Box
G02 Gasstrom zur Zuführung in die Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung
Gi beladener Gasstrom
G2 komprimierter Gasstrom
G3 abgekühlter Gasstrom
G4 behandelter Gasstrom
G5 entspannter Gasstrom
GPI Produkt 1
GP2 Produkt 2
Gs Synthese-Gasstrom
I Länge des Sorptionspfades
P1 Phase
P2 Phase
t Zeit
ti Zeitpunkt
t2 Zeitpunkt
t3 Zeitpunkt
t4 Zeitpunkt
t5 Zeitpunkt
x Position
xi Position (Eingang)
x2 Position (Ausgang) φ Beladung des Gasstroms
φι erniedrigte Beladung des beladenen Gasstroms
cp2 erhöhte Beladung des beladenen Gasstroms
φΊ erniedrigte Beladung des behandelten Gasstroms
cp'2 erhöhte Beladung des behandelten Gasstroms
ψ Beladung des Sorptionsmittels maximale Beladung des Sorptionsmittels minimale Beladung des Sorptionsmittels

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Betreiben einer verfahrenstechnischen Anlage (100) mit einer Adsorptionsvorrichtung (10), welche einen mit einem sorbierbaren Stoff beladenen Gasstrom (Gi) mit einem vorgegebenen Massenstrom ausgibt,
wobei der beladene Gasstrom (Gi) zeitlich abwechselnd aufeinanderfolgende
Phasen (P1 ) erniedrigter Beladung (φ^ und Phasen (P2) erhöhter Beladung (φ2) umfasst, mit den Schritten:
Zuführen (710) des beladenen Gasstroms (Gi) an einen Eingang (42) einer Sorptionspuffer- Vorrichtung (40);
Leiten (720) des beladenen Gasstroms (d) in der Sorptionspuffer-
Vorrichtung (40) durch ein mit einem zur Aufnahme einer Beladung (ψ) des sorbierbaren Stoffes geeignetes Sorptionsmittel (44) entlang eines Sorptionspfades (45), der von dem Eingang (42) zu einem Ausgang (43) der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) führt, wobei der sorbierbare Stoff in Abhängigkeit der Beladung des Gasstroms (φ) und Beladung des Sorptionsmittels (ψ) von dem Gasstrom auf das Sorptionsmittel (44) oder von dem Sorptionsmittel (44) auf den Gasstrom übergeht;
Abgreifen (730) eines behandelten Gasstroms (G4) an dem Ausgang (43) der Sorptionspuffer-Vorrichtung (40),
wobei sich während einer Phase (P2) erhöhter Beladung (φ2) des Gasstroms (d) mit dem sorbierbaren Stoff sich in einem von dem Eingang (42) der Sorptionspuffer-Vorrichtung (40) entlang des Sorptionspfades (45) erstreckender Bereich (B^ ein Bereich mit einer erhöhten Beladung (ψ) des Sorptionsmittels (44) mit dem sorbierbaren Stoff ausbildet und sich während einer darauf folgenden Phase (P1 ) erniedrigter Beladung (φ^ des Gasstroms (d) der Bereich mit der erhöhten Beladung (ψ) des Sorptionsmittels (44) in Richtung zum Ausgang (43) der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) entlang des Sorptionspfades (45) verschiebt; und
wobei eine Länge (I) des Sorptionspfades (45) und eine Menge des Sorptionsmittels (44) in der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) derart gewählt (721 ) werden, dass die Sorptionspuffer-Vorrichtung (40) im Betrieb der
verfahrenstechnischen Anlage (100) zur Aufnahme von wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier, weiter bevorzugt wenigstens fünf unterschiedlichen Bereichen (B-^ - B5) erhöhter Beladung (ψ) des Sorptionsmittels (44) entlang des Sorptionspfades (45) eingerichtet ist.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , ferner aufweisend:
Entspannen (731 ) des behandelten Gasstroms (G4) mit Hilfe eines in
Abströmrichtung zu der Sorptionspuffer-Vorrichtung (40) angeordneten
Druckminderers (50), wobei ein entspannter Gasstrom (G5) erzeugt wird; und
Zuführen (732) des entspannten Gasstroms (G5) an eine der Sorptionspuffer-
Vorrichtung (40) nachgeschaltete Gaspipeline (60).
3. Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei ein Gasdruckunterschied zwischen der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) und der Gaspipeline (60) 5 bar - 10 bar beträgt.
4. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
Abkühlen (713) des beladenen Gasstroms (d) mit Hilfe einer der
Sorptionspuffer-Vorrichtung (40) vorgeschalteten Gaskühlungsvorrichtung (30), wobei ein abgekühlter Gasstrom (G3) erzeugt wird.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei eine Gastemperatur des abgekühlten Gasstroms (G3) 20°C - 50°C beträgt.
6. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend:
Komprimieren (712) des beladenen Gasstroms (G^ mit Hilfe eines
Kompressors (20), wobei ein mit einem Druck beaufschlagter Gasstrom (G2) erzeugt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei ein Gasdruck des mit dem Druck beaufschlagten Gasstroms (G2) 20 - 30 bar beträgt.
8. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die
Adsorptionsvorrichtung (1 0) eine Temperaturwechsel -Adsorptionsvorrichtung (1 1 ) und/oder eine Druckwechsel-Adsorptionsvorrichtung (12) umfasst.
10. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der beladene Gasstrom (Gi) und/oder der behandelte Gasstrom (G4) gasförmigen Wasserstoff, gasförmiges Kohlenstoffmonoxid, gasförmiges Kohlenstoffdioxid, gasförmige organische Verbindungen, gasförmiges Wasser, gasförmigen Stickstoff, gasförmigen Sauerstoff und/oder ein gasförmiges Edelgas sowie Kombinationen hiervon umfasst.
1 1 . Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei der beladene Gasstrom (Gi ) eine Wassermenge von 0 - 4000 mol-ppm aufweist und der behandelte Gasstrom (G4) eine Wassermenge von 500 - 2000 mol-ppm, bevorzugt 750 - 1500 mol-ppm aufweist.
12. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phase (P2) erhöhter Beladung (φ2) des beladenen Gasstroms (Gi) 2 - 10 h umfasst und die Phase (P1 ) erniedrigter Beladung (φ^) des beladenen Gasstroms (d) wenigstens doppelt so lange, vorzugsweise wenigstens dreimal so lange wie die Phase (P2) erhöhter Beladung (φ2) des beladenen Gasstroms (d) andauert.
13. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein
Massenstrom des beladenen Gasstroms (d) und/oder des behandelten Gasstroms (G4) zwischen 500 Norm-m3/h und 20000 Norm-m3/h, bevorzugt zwischen 8000 Norm- m3/h und 1 7000 Norm-m3/h liegt.
14. Verfahrenstechnische Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, mit der Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) zur Behandlung eines mit einem sorbierbaren Stoff beladenen Gasstroms (d), wobei eine Länge (I) eines Sorptionspfades (45) und eine Menge eines Sorptionsmittels (44) in der
Sorptionspuffer-Vorrichtung (40) derart eingerichtet sind, dass die Sorptionspuffer- Vorrichtung (40) im Betrieb der verfahrenstechnischen Anlage (100) zur Aufnahme von wenigstens drei, vorzugsweise wenigstens vier, weiter bevorzugt wenigstens fünf unterschiedlichen Bereichen (Bi - B5) erhöhter Beladung (ψ) des Sorptionsmittels (44) entlang des Sorptionspfades (45) geeignet ist.
15. Verfahrenstechnische Anlage gemäß Anspruch 14, ferner dazu eingerichtet, den beladenen Gasstrom (Gi) derart zu behandeln, dass der behandelte Gasstrom (G4) eine erniedrigte Beladung (<p'2) gegenüber der erhöhten Beladung (φ2) des beladenen Gasstroms (d) und dass der behandelte Gasstrom (G4) eine erhöhte Beladung (φΊ) gegenüber der erniedrigten Beladung (φ^ des beladenen Gasstroms (Gi) aufweist.
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