NO20100797A1

NO20100797A1 - CO2 desorpsjon uten stripper

Info

Publication number: NO20100797A1
Application number: NO20100797A
Authority: NO
Inventors: John Arild Svendsen
Original assignee: Statoil Petroleum As
Priority date: 2010-06-02
Filing date: 2010-06-02
Publication date: 2011-12-05
Also published as: BR112012030756A2; CA2800745A1; US9566539B2; CN103140271B; US20170106312A1; EP2576004A1; CN103140271A; RU2565693C2; RU2012157052A; WO2011151390A1; US20130153402A1; EP2576004B1

Description

C02-desorpsjon uten stripper

Beskrivelse

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en C02-desorpsjonsfremgangsmåte og et system for utførelse av fremgangsmåten. Nærmere bestemt vedrører den foreliggende oppfinnelse en fremgangsmåte for å desorbere C02fra et absorpsjonsfluid uten å involvere en tradisjonell stripper.

Separering av C02fra avgasser i forbindelse med etterforbrenningskraftanlegg har fått mye oppmerksomhet i det siste, og den foreliggende oppfinnelse er spesielt anvendbar i forbindelse med desorpsjon av C02som er innfanget fra en av-gasstrøm.

Innen eksisterende teknologi for C02-fangst er en motstrøms fylt kolonnestripper og en koker ofte en integrert del av desorpsjonsprosessen (stripping). I denne prosess frigis kjemisk bundet C02i væskefasen (typisk en aminoppløsning) inn i gassfasen. Dette gjøres ved å tilføre varme (typisk damp) for å oppnå riktig temperatur og trykk for desorpsjon i stripperen og kokeren. Et viktig begrep er C02-belastningen som defineres som mol C02i væske per mol amin i væske. Magert amin kommer inn i absorberen og forlater stripperen. Rikt amin forlater absorberen og kommer inn i stripperen. Som navnet tilsier inneholder rik amin-løsning mer C02enn magert amin og har derfor høyere belastning. Belastningen avhenger sterkt av væsketemperaturen. Noe av aminet, C02og dampen som frigis i kokeren transporteres tilbake til stripperkolonnens bunnseksjon, noe som gjør kokeren til en integrert del av stripperkolonnen. En kondensator installeres for å motta strømmen som forlater toppen av stripperen og fjerne vann og absorbent.

En ulempe med den eksisterende konstruksjon er at kaldt vann med amin fra kondensatoren returneres til toppen av stripperkolonnen og blandes med rikt amin, noe som gjør det rike amin enda kaldere.

Eksisterende teknologi er kostbar, og forenkling kreves for å redusere energiforbruk og byggekostnader.

I US 4 553 984 fremlegges en prosess for separasjon av C02fra en hydrokar-bongasstrøm, hvor desorpsjonen foregår i en avgassingstank. Varme tilføres den rike absorbentstrømmen i en separat varmeveksler som er anordnet oppstrøms for avgassingstanken. Vann som forlater toppen av avgassingstanken erstattes av damp som tilføres til bunnen av avgassingstanken.

US 5 820 837 fremlegger en prosess for fjerning av de sure gasser C02og H2S fra en hyd roka rbongasstrøm. Den fremlagte prosess involverer to avgassings-trinn. Det første fjerner absorberte hydrokarboner, og deretter varmes den rike absorbenten i en varmeveksler før C02avgasses. Oppvarmingen skjer følgelig i en separat enhet anordnet oppstrøms avgassingsenheten. Videre innbefattes en stripper for å fjerne gjenværende gass. Kondensert løsningsmiddel returneres til toppen av stripperen.

US 5 061 465 fremlegger en prosess for fjerning av C02fra en hydrokarbon-gasstrøm. Prosessen omfatter absorpsjon og desorpsjon som anvender en rekke avgassingstanker. Tilførsel av varme direkte i avgassingstankene fremlegges ikke.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en enklere løsning for å strippe et rikt absorbentfluid som krever mindre utstyr. Et ytterligere for-mål er å tilveiebringe en fremgangsmåte som er mer energieffektiv.

Den foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en fremgangsmåte for desorpsjon av karbondioksid fra et C02-rikt absorpsjonsfluid som omfatter en C02-absorbent, et løsningsmiddel og absorbert C02, kjennetegnet ved at fremgangsmåten omfatter:

- å varme opp det C02-rike absorpsjonsfluid,

- å ekspandere det oppvarmede C02-rike absorpsjonsfluid i en avgassingstank, - å separere det ekspanderte absorpsjonsfluid i en dampfase som omfatter desorbert C02og fordampet løsningsmiddel og en hovedvæskefase som omfatter C02-fattig absorpsjonsfluid, - å kondensere i det minste en del av løsningsmiddelet innen dampfasen, og

- å blande det kondenserte løsningsmiddel med hovedvæskefasen.

Ved å blande den kondenserte dampfase som hovedsakelig omfatter løsnings-middel med hovedvæskefasen oppnås den avkjølte magre absorpsjonsfluid-strømmen. I henhold hertil tilveiebringer den foreliggende oppfinnelse utnyttelse av kjølevarmen fra en kondensator for å kjøle det magre absorbentfluidet.

I en utførelsesform av fremgangsmåten er forskjellen i C02-belastning mellom den rike og magre aminstrøm innen området 0,20-0,30 mol C02/mol absorbent, fortrinnsvis mellom 0,23-0,27 mol C02/mol absorbent. Med en forskjell mellom rik og mager aminbelastning i størrelsesorden 0,2-0,3 i både absorber og stripper, vil C02-fjerningseffektiviteten normalt være 85 mol-% eller mer, noe som også avhenger av korrekt gass-/væske strømningsforhold i absorberen.

Fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan videre omfatte resirkulering av en del av hovedvæskefasen inn i det rike absorpsjonsfluidet før blandingen med kondensert løsningsmiddel og valgfritt å varme en del av hovedvæskefasen før den sendes tilbake til avgassingstanken.

Et annet aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er et system for desorpsjon av karbondioksid fra et C02-rikt absorpsjonsfluid, kjennetegnet ved at systemet omfatter en avgassingstank med et innløp, et damputløp og et væskeutløp, hvor damputløpet er i fluidkommunikasjon med et innløp til en kondensator, hvor kondensatoren har et utløp for kondensert fluid i fluidkommunikasjon med væs-keutløpet fra avgassingstanken.

I en utførelsesform av systemet innbefatter systemet videre et system for tilfør-sel av varme til avgassingstanken.

I enda en annen utførelsesform er avgassingstanken en koker, et flerlagsstrøm-ningsrør eller et oppvarmet varmeapparat kombinert med en beholder.

Systemet i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan i en utførelsesform videre omfatte en resirkuleringsrørledning i fluidkommunikasjon med væskeutløpet og et innløp til avgassingstanken anordnet oppstrøms fluidkommunikasjonen mellom utløpet for det kondenserte fluid og væskeutløpet.

Med den foreliggende oppfinnelse vil både byggekostnad og driftskostnader reduseres sammenliknet med eksisterende teknologi, hovedsakelig på grunn av økt prosessenkelhet. Enkelhet er også fordelaktig med hensyn til sikrere drift.

Idéen med å blande den kalde væskestrømmen fra kondensatoren med den magre absorbentstrømmen fra "avgassingstanken" er fordelaktig med hensyn til redusert energiforbruk. Den rike absorbenten skal ikke kjøles. Tvert imot skal den rike absorbentens temperatur i den foreliggende oppfinnelse fortrinnsvis økes sammenliknet med dagens praksis.

Den foreliggende oppfinnelse vil beskrives videre detaljert med henvisning til de vedlagte tegninger hvor: Figur 1 illustrerer en desorpsjonsprosess i henhold til den foreliggende opp finnelse. Figur 2 illustrerer en annen utførelsesform av prosessen som er illustrert i

figur 1.

Figur 3 illustrerer en andre utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse

hvor avgassingstanken er et oppvarmet flerlagsstrømningsrør.

Figur 4 illustrerer en tredje utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse hvor avgassingstanken er en oppvarmet varmeenhet og en beholder.

Det skal imidlertid forstås at figurene er vedlagt for illustrasjonsformål og at den foreliggende oppfinnelses omfang ikke er begrenset til de illustrerte utførelses-former.

Den foreliggende oppfinnelse er i den foreliggende beskrivelse illustrert ved å henvise til MEA (MonoEtanolAmin) som absorbent, imidlertid bør det forstås at den foreliggende oppfinnelse er like anvendbar for anvendelse med andre aminer og spesielt for absorbenter hvor bindingsenergien for C02i absorbenten er mindre enn for MEA. Temperaturen og trykket for avgassingen må i hvert tilfelle vel-ges i henhold til den valgte absorbenten.

I kjent teknikks løsning er formålet med stripperen og kokeren å frigjøre C02fra en rik aminvæske til en dampfase i direkte kontakt med væsken. Stripperkolonnen i eksisterende teknologi opererer med en lavere temperatur på det rike amin som kommer inn på toppen av kolonnen sammenliknet med temperaturen på det magre aminutløpet ved bunnen av stripperen. Hvis imidlertid temperaturen på det rike amin økes fra typisk 110 °C til cirka 120 °C ved cirka 2 bar absolutt, vil mer C02øyeblikkelig frigjøres ved stripperinnløpet og gjøre belastningen ved toppen av kolonnen cirka lik med belastningen av magert amin ved bunnen. Derfor kan stripperkolonnen være overflødig, eller i det minste kan den fylte ko-lonnehøyden reduseres betydelig, siden mye C02avgasses før væsken begynner å strømme nedover i kolonnen.

Oppfinnelsens hovedidé er å holde det rike amins innløpstemperatur og -trykk på slike verdier at resultatet etter avgassingen er en moderat dampfraksjon og en væske med en spesifisert mager aminbelastning. Dette gjøres ved å avstemme prosessen med hensyn til væsketemperatur og spesifisert mager aminbelastning. Avgassingen krever en "avgassingstank" som kan være hvilken som helst passende varmeveksler.

Den magre MEA-belastning etter avgassing er vist i Tabell 1 for ulike væsketem-peraturer og et typisk trykk på 1,8 bar absolutt. Vektprosenten MEA er 30 % i dette eksempelet som er vanlig for tradisjonelle kolonnestrippere.

Tabell 1 illustrerer hvordan en høyere temperatur resulterer i desorpsjon av mer C02fra MEA under en avgassingsprosess.

Det finnes flere kandidater for "avgassingstanken" som beskrevet senere. C02'en, dampen og aminet som frigjøres i avgassingen forlater "avgassingstanken" øyeblikkelig på toppen. Gassblandingen kjøles deretter og separeres i en kondensator som i eksisterende teknologi. Det separerte kaldere vann og amin-blanding kan deretter blandes med det magre aminet fra "avgassingstanken" for å bibeholde væskesirkulasjonsraten og vekt-% av amin.

Når avgassing av det spesifiserte rike amin skjer i en "avgassingstank" ved en høyere tempertur T og ved et passende trykk P, er resultatet etter avgassing en moderat dampfraksjon og en forut definert mager aminbelastning.

Den foreliggende fremgangsmåte er fleksibel med hensyn til å få spesifisert verdi av mager og rik aminbelastning. Dette styres ved å bruke korrekt temperatur og trykk.

"Avgassingstanken" er i denne sammenheng hvilken som helst varmeveksler som gjør stripperkolonnen overflødig eller i det minste redusert størrelsesmes-sig. Nedenfor gis en del eksempler på varmevekslere. Den første idéen er å la "avgassingstanken" være en eksisterende eller en modifisert kjelekoker (kettle reboiler). Denne utførelsesform illustreres i figur 1. Her passerer rik amin 10 gjennom en pumpe 12 og en ventil 14 og kommer inn i kokeren 18 via strøm 16. Avgassing av det rike amin resulterer i en dampfase som omfatter C02og løs-ningsmiddel, men som også kan omfatte en del av absorbenten. Dampfasen sendes gjennom strøm 24 til en kondensator 26 hvor løsningsmiddelet og absorbenten kondenseres mens C02'en forblir i gassfase og trekkes ut via strøm 28. Kondensatet sendes via strøm 30 og forenes med strømmen av mager absorbent 36 fra kokeren 18. Strømmen 30 som er avkjølt i kondensatoren 26 vil ha en lavere temperatur og foreningen av de to strømmer resulterer i en mager absor-bentstrøm 34 som har en lavere temperatur enn hva som ville vært tilfelle hvis kondensatet hadde blitt returnert til kokeren/avgassingstanken. En pumpe 38 pumper den magre absorbenten inn i strøm 40 som er forbundet med absorberen (ikke vist). Varme tilføres kokeren 18 ved å sende damp via strøm 20 og å fjerne damp med en redusert temperatur via strøm 22. I denne utførelsesformen har den tradisjonelle stripperkolonne blitt helt eliminert, noe som gjør systemet enklere. Videre kan den magre absorbentstrømmen 40 ha en lavere temperatur

og krever derfor mindre kjøling før den kan komme inn i absorberen, avhengig av temperaturen inni kokeren.

I dette eksempel kommer det rike amin fra absorberen direkte inn i kokeren uten først å passere gjennom en motstrøms fylt kolonnestripper. Temperaturen T og trykket P i kokeren er avstemt for å gi korrekt magert amin ut av kokeren. Dampen som forlater kokeren kondenseres i kondensatoren, og den kalde væsken fra kondensatoren blandes med det varme magre aminet fra kokeren. Dette sikrer at væskesirkulasjonsraten og vekt-% amin i systemet er rimelig konstant. Belastningen av magert amin som returnerer til absorberen kan være litt endret etter blandingen av de to væskestrømmer. Den korrekte temperatur av væsken i kokeren styres i dette eksempel av dampforbruket og damptemperaturen.

Det kondenserte vann med amin brukes, i den foreliggende oppfinnelse, for å kjøle det magre amin som frembringes i kokeren. Dette er en fordel sammenliknet med eksisterende teknologi siden magert amin allikevel må kjøles før det kommer inn igjen i absorberen. Den magre belastning endres normalt ikke mye etter blanding av disse to væskestrømmer. Hvilken dampfraksjon som er best avhenger av det valgte nivå for det magre og rike amin og kondensatorens ka-pasitet. Hele desorpsjonsprosessen kan optimaliseres deretter.

Figur 2 illustrerer et ytterligere mulig aspekt ved utførelsesformen av den foreliggende oppfinnelse som illustreres i figur 1, men med to valgfrie tilbakeløp i kokeren. Her kan den magre absorbentstrømmen fra kokeren delvis returneres enten som strøm 46 til den rike absorbentstrømmen eller delvis som strøm 44 som varmes opp i varmeveksleren 42 og returneres til kokeren som strøm 48. Denne løsning med strømmer 44 og 46 kan anvendes for ytterligere rik aminbe-lastningsstyring om nødvendig.

I ett aspekt ved den foreliggende oppfinnelsen er det mulig å kople flere kokere i serie, men det betraktes imidlertid som en fordel for å senke kompleksiteten og antallet enheter å bare anvende én koker.

I figur 3 er det vist en andre utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Her er kokeren som benyttes i utførelsesformene illustrert i figur 1 blitt erstattet av et oppvarmet flerlagsstrømningsrør 17. Den rike absorbentstrømmen 16 kommer inn i røret 17 ved én ende. Avgassingen foregår inni røret, og strømmen deles i en væskefase 25 og en dampfase 23. Varme 21 tilføres røret utenfra. Ved enden av røret 17 ledes dampfase inn i ledning 24 og inn i en kondensator 26 på liknende vis som i utførelsesformene illustrert i figur 1 og 2. Den magre absorbenten ledes som strøm 36, blandes med kondensatet i strøm 30 og returneres til absorberen (ikke vist) via strøm 40. Noe magert amin kan valgfritt resirkuleres gjennom strøm 46 til rørinnløpet, muligens med oppvarming av den resirkulerte strøm (ikke vist). Forholdene for å oppnå flerlagsstrømning i rør er velkjent innen teknikken og kan finnes i flytskjemaer i håndbøker eller lærebøker. Røret kan kveiles om det er praktisk av plasshensyn eller av andre grunner. Rørets tverrsnittsareal kan valgfritt varieres med aksiell posisjon for å få beste ytelse. Tverrsnittsarealet kan være elliptisk, sirkulært eller ha hvilken som helst annen passende form.

Utførelsesformen som illustreres i figur 4 likner på utførelsesformen som er vist i figur 1 unntatt at kokeren er erstattet med et oppvarmet varmeapparat 19 og en beholder 33. Den rike absorbenten i strøm 16 går inn i det oppvarmede varmeapparat hvor varme utenfra tilføres. Oppvarmingen og avgassingen inne i det oppvarmede varmeapparat 19 transporterer fluidet inn i beholderen 33. Her separeres fluidet i en dampfase som overføres over strøm 24 til kondensatoren 26. Den flytende magre absorbentfasen i beholder 33 fjernes gjennom strøm 36 ved bunnen. Den kan blandes med kondensatet i strøm 30 og returneres til absorberen (ikke vist) via strøm 40. Beholderen 33 kan være utstyrt med en væskekont-rollenhet 32. C02-gassen fjernes gjennom strøm 28. Hvis den magre aminbelastning fra den første avgassingstank er høyere enn spesifisert, kan to eller flere oppvarmede varmeapparater med avgassingstanker koples i serie. Noe mager absorbent kan valgfritt resirkuleres gjennom ledning 46 til det oppvarmede varmeapparat 19 med eller uten oppvarming av den resirkulerte strøm.

Figurene illustrerer noen utførelsesformer av "avgassingstanken" i henhold til den foreliggende oppfinnelse, men andre enheter kan også anvendes. "Avgassingstanken" i denne sammenheng kan være hvilken som helst passende varmeveksler med rik absorbent holdt ved passende T og P. Avgassings-tanken kan for eksempel være en oppvarmet varmeveksler (oppvarmet koker), en tank med varmespiraler (med damp eller annen varmekilde), en termosifong-koker (sirku-lasjon drevet av forskjeller i densitet), et rør som transporterer rikt amin og som varmes til korrekt temperatur og trykk, hvor gass og magert amin separeres ved avgassing av den rike aminvæske langs røret eller hvilken som helst annen passende varmeveksler. Et eksempel på sistnevnte er der hvor avgassingen skjer i et spiralformet rør eller i parallelle spiralformede rør snarere enn i et rett rør. I det tilfellet kan spiralkveilen eller -kveilene for eksempel vikles rundt en solid sylinder. En spiralkveil har fordelen av å oppnå et langt avgassingsrør med redusert høyde eller lengde sammenliknet med et rett rør.

Eksempel

Som et eksempel på idéen, indikerer en avgassingsberegning ved bruk av HYSYS prosessimulator at en temperatur på cirka 120 °C og et trykk på cirka 1,8-2 bar absolutt er passende for å få en typisk verdi for den magre aminbelastning. Andre (T,P)-kombinasjoner er mulige avhengig av den ønskede magre og rike aminbelastning og den maksimale dampfraksjon man tillater etter avgassingen. Noen prosesser baseres på en lav verdi for mager aminbelastning (typisk 0,16) og en moderat verdi for rik aminbelastning (0,36). Andre prosesser baserer seg på en høy verdi for mager aminbelastning (typisk 0,23) og en rik aminbelastning (typisk 0,45).

Claims

1. Fremgangsmåte for desorpsjon av karbondioksid fra et C02-rikt absorpsjonsfluid som omfatter en C02-absorbent, et løsningsmiddel og absorbert C02,karakterisert vedat fremgangsmåten omfatter: - å varme opp det C02-rike absorpsjonsfluid, - å ekspandere det oppvarmede C02-rike absorpsjonsfluid i en avgassingstank, - å separere det ekspanderte absorpsjonsfluid i en dampfase som omfatter desorbert C02og fordampet løsningsmiddel og en hovedvæskefase som omfatter C02-fattig absorpsjonsfluid, - å kondensere i det minste en del av løsningsmiddelet innen dampfasen, og - å blande det kondenserte løsningsmiddel med hovedvæskefasen.

2. Fremgangsmåte i henhold til krav 1,karakterisert vedat forskjellen i C02-belastning mellom den rike og magre aminstrøm er innen området 0,20-0,30 mol C02/mol absorbent, fortrinnsvis mellom 0,23-0,27 mol C02/mol absorbent.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2,karakterisertv e d at fremgangsmåten videre omfatter å resirkulere en del av hovedvæskefasen inn i det rike absorpsjonsfluid før blandingen med kondensert løsningsmid-del.

4. Fremgangsmåte i henhold til hvilket som helst av kravene 1-3,karakterisert vedat fremgangsmåten videre omfatter å varme en del av hovedvæskefasen og returnere den til avgassingstanken.

5. System for desorpsjon av karbondioksid fra et C02-rikt absorpsjonsfluid,karakterisert vedat systemet omfatter en avgassingstank med et innløp, et damputløp og et væskeutløp, hvor damputløpet er i fluidkommunikasjon med et innløp til en kondensator, hvor kondensatoren har et utløp for kondensert fluid i fluidkommunikasjon med væskeutløpet fra avgassingstanken.

6. System i henhold til krav 5,karakterisert vedat systemet videre omfatter et system for tilførsel av varme til avgassingstanken.

7. System i henhold til krav 5 eller 6,karakterisert vedat avgassingstanken er en koker, et flerlagsstrømningsrør eller et oppvarmet varme-apparat kombinert med en beholder.

8. System i henhold til hvilket som helst av kravene 5-7,karakterisert vedat systemet videre omfatter en resirkuleringsrørledning i fluidkommunikasjon med væskeutløpet og et innløp til avgassingstanken, anordnet oppstrøms fluidkommunikasjonen mellom utløpet for det kondenserte fluid og væskeutløpet.