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DE102007007581A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemisches - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Trennung eines Gasgemisches Download PDF

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DE102007007581A1
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nitrogen
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Kohlendioxidproduktes aus einem zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid (CO<SUB>2</SUB>) und Stickstoff (N<SUB>2</SUB>) bestehenden Einsatzgas (1) in einem kryogenen Gaszerlegungsprozess sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Der Stickstoff wird in einem einstufigen Kondensationsprozess in zwei in Reihe angeordneten Abscheidern (D1, D2) von Kohlendioxid getrennt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung eines Kohlendioxidproduktes aus einem zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) bestehenden Einsatzgas in einem kryogenen Gaszerlegungsprozess sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
  • In industriellen Prozessen besteht häufig die Notwendigkeit, Kohlendioxid (CO2) aus CO2-haltigen Gasgemischen abzutrennen. Beispielsweise enthalten Syntheserohgase, die in großtechnischem Maßstab in Vergasungsanlagen aus Kohle oder/und Kohlenwasserstoffeinsätzen beispielsweise durch Reformieren mit Wasserdampf oder durch partielle Oxidation erzeugt werden, in der Regel neben den erwünschten Bestandteilen Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) auch erhebliche CO2-Anteile, die aus den Syntheserohgasen entfernt werden müssen.
  • Stand der Technik ist es, Syntheserohgase einer physikalischen Gaswäsche zu unterziehen, wobei das CO2 mit einem physikalisch wirkenden Waschmittel aus dem Syntheserohgas abgetrennt wird. Diese Verfahren bieten sich an, da Syntheserohgase heute meist unter hohem Druck erzeugt werden, und die Wirksamkeit von physikalischen Gaswäschen in erster Näherung linear mit dem Betriebsdruck zunimmt.
  • Von besonderer Bedeutung für die Reinigung von Syntheserohgasen ist die Methanolwäsche, bei welcher tiefkaltes Methanol als Waschmittel verwendet wird. Sie nützt die Tatsache aus, dass sich der Löslichkeitskoeffizient von CO2 von den Löslichkeitskoeffizienten von H2 und CO in tiefkaltem Methanol um mehrere Größenordnungen unterscheidet. In einer Methanolwäsche kann CO2 somit weitgehend selektiv aus Syntheserohgasen abgetrennt werden, da es sich wesentlich besser in tiefkaltem Methanol löst, als H2 und CO. Das bei der Gaswäsche mit CO2 beladene Methanol wird nach dem Waschvorgang regeneriert und wieder in den Prozess zurückgeführt.
  • Zur Abtrennung von CO2 aus beladenem Methanol umfasst die Waschmittelregenerierung einer Methanolwäsche häufig eine Strippung, bei der Stickstoff (N2) als Strippgas eingesetzt wird. Der hierbei erzeugte Gasstrom, ein CO2-reiches Gasgemisch, mit einem N2-Anteil von typischer Weise 15 Vol%, wird nach dem Stand der Technik als Tailgas zur Anlagengrenze geführt und dort ohne wirtschaftliche Nutzung in die Atmosphäre abgegeben.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, mit denen es möglich ist, mit geringem apparativem und finanziellem Aufwand aus dem Kohlendioxid und Stickstoff enthaltenden Tailgas aus der Waschmittelregenerierung einer Methanolwäsche ein wirtschaftlich verwertbares Kohlendioxidprodukt zu erzeugen.
  • Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es die folgenden Verfahrensschritte aufweist:
    • a) Erzeugung eines ersten zweiphasigen Stoffgemisches durch Abkühlung des Einsatzgases gegen zu verdampfende und/oder anzuwärmende Verfahrensströme in einem Wärmetauscher;
    • b) Trennung des ersten zweiphasigen Stoffgemisches in einem ersten Abscheider in eine erste N2-reiche, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase und eine erste, CO2-reiche, Stickstoff enthaltenden Flüssigphase;
    • c) Erzeugung eines zweiten zweiphasigen Stoffgemisches durch Entspannung der ersten, CO2-reichen, Stickstoff enthaltenden Flüssigphase über ein Drosselorgan;
    • d) Trennung des zweiten zweiphasigen Stoffgemisches in einem zweiten Abscheider in eine zweite N2-reiche, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase und eine zweite, Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Flüssigphase;
    • e) Entspannung der ersten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase über ein zweites Drosselorgan und Zusammenführung der entspannten ersten und der zweiten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase zu einer dritten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase;
    • f) Erzeugung der Spitzenkälte für den Gaszerlegungsprozess durch kälteleistende Entspannung der dritten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase über ein drittes Drosselorgan, wobei die Entspannung so durchgeführt wird, dass keine Feststoffe gebildet werden;
    • g) Anwärmung des durch die Entspannung der dritten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase erhaltenen Stoffstroms gegen das abzukühlende Einsatzgas;
    • h) kälteleistende Entspannung von zumindest einem Teil der zweiten, Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Flüssigphase über ein viertes Drosselorgan, wobei die Entspannung so durchgeführt wird, dass keine Feststoffe gebildet werden;
    • i) Verdampfung und Anwärmung des durch die Entspannung der Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Flüssigphase über das vierte Drosselorgan entstehenden dritten zweiphasigen Stoffgemisches gegen das abzukühlende Einsatzgas;
    • j) Verdampfung und Anwärmung des nicht kälteleistend entspannten Teils der zweiten, Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Flüssigphase gegen das abzukühlende Einsatzgas;
    • k) Zusammenführung der in den Verfahrensschritten i) und j) erzeugten, Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Gasphasen zu einem Kohlendioxidprodukt;
  • Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sehen vor, dass
    • • das Einsatzgas durch Verdichtung aus einem zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid und Stickstoff bestehenden Gas erzeugt wird.
    • • jede der Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Gasphasen einem zumindest zwei Verdichtersektionen aufweisenden CO2-Verdichter an der Saugseite einer jeweils anderen Verdichtersektion aufgegeben und auf Produktdruck verdichtet wird.
    • • als Einsatzgas ein Kohlendioxid und Stickstoff enthaltendes Tailgas aus der Waschmittelregenerierung einer Methanolwäsche verwendet wird.
  • Vorrichtungsseitig erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass es die folgenden Einrichtungen umfasst:
    • a) einen Wärmetauscher, in welchem aus dem Einsatzgas durch Abkühlung gegen zu verdampfende und/oder anzuwärmende Verfahrensströme ein erstes zweiphasiges Stoffgemisch erzeugbar ist;
    • b) einen ersten Abscheider, in welchem das erste zweiphasige Stoffgemisch in eine erste N2-reiche, Kohlendioxid enthaltende Gasphase und eine erste, CO2-reiche, Stickstoff enthaltende Flüssigphase trennbar ist;
    • c) ein erstes Drosselorgan, über welches die erste, CO2-reiche, Stickstoff enthaltende Flüssigphase entspannbar ist, wobei ein zweites zweiphasiges Stoffgemisch entsteht;
    • d) einen zweiten Abscheider, in welchem das zweite zweiphasige Stoffgemisch in eine zweite N2-reiche, Kohlendioxid enthaltende Gasphase und eine zweite, Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Flüssigphase trennbar ist;
    • e) ein zweites Drosselorgan, über das die erste N2-reiche, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase auf den Druck der zweiten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase entspannbar ist;
    • f) ein drittes Drosselorgan, über das eine durch die Vereinigung der ersten und der zweiten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase erzeugte dritte N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase zur Erzeugung von Spitzenkälte für den Gaszerlegungsprozess kälteleistend entspannbar ist;
    • g) ein viertes Drosselorgan, über das zumindest ein Teil der zweiten, Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Flüssigphase kälteleistend entspannbar ist;
    • h) die vorgenannten Vorrichtungsmerkmale verbindende Rohrleitungen;
    • i) eine wärmeisolierte Einhausung (Coldbox) (K), in der die vorgenannten Vorrichtungsmerkmale angeordnet sind;
  • Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehen vor, dass
    • • außerhalb der Coldbox ein Verdichter angeordnet ist, in welchem das Einsatzgas durch Verdichtung eines zum überwiegenden Teil aus CO2 und N2 bestehenden Gases erzeugbar ist.
    • • außerhalb der Coldbox ein zumindest zwei Verdichtersektionen aufweisender CO2-Verdichter angeordnet ist, dem mit unterschiedlichen Drücken aus der Coldbox austretende, Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Gasphasen an den Saugseiten jeweils anderer Verdichtersektionen aufgebbar sind.
  • Die Erfindung gibt eine kostengünstige Möglichkeit an, Stickstoff aus einem CO2/N2-Gemisch bis auf einen Restgehalt von unter 3 Vol% abzutrennen.
  • In sog. EOR-Verfahren wird Kohlendioxid in Erdöllagerstätten verpresst, um die Ausbeute bei der Erdölförderung zu erhöhen. Das hierfür verwendete Kohlendioxid sollte einen N2-Gehalt von weniger als 3 Vol% aufweisen. Die Erfindung ist daher besonders dazu geeignet, aus einem Kohlendioxid und Stickstoff enthaltenden Einsatzgas, insbesondere aus dem Tailgas aus der Waschmittelregenerierung einer Methanolwäsche, ein Kohlendioxidprodukt zu erzeugen, das in einem sog. EOR-Verfahren eingesetzt werden kann.
  • Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
  • Das Ausführungsbeispiel betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung eines Kohlendioxidproduktes aus dem Kohlendioxid und Stickstoff enthaltenden Tailgas aus der Waschmittelregenerierung einer Methanolwäsche.
  • Das aus der Waschmittelregenerierung der Methanolwäsche MW nahezu drucklos austretende Kohlendioxid und Stickstoff enthaltenden Tailgas 19 wird dem Verdichter V1 zugeleitet und dort auf einen Druck von ca. 40 bar(a) verdichtet. Als Einsatzgas 1 wird das aus dem Verdichter V1 austretende Gas in die Coldbox K geführt und dem Wärmetauscher W an dessen warmen Ende aufgegeben. Im Wärmetauscher W wird das Einsatzgas 1 gegen anzuwärmende und zu verdampfende Verfahrensströme auf eine Temperatur von ca. –40°C abgekühlt und dabei teilweise verflüssigt. Das so erzeugte zweiphasige Stoffgemisch wird über Leitung 2 aus dem Wärmetauscher W abgezogen und in den Abscheider D1 geleitet, wo es in eine erste N2-reiche, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase und eine erste, CO2-reiche, Stickstoff enthaltenden Flüssigphase aufgetrennt wird. Aus dem Abscheider D1 wird die erste, CO2-reiche, Stickstoff enthaltenden Flüssigphase anschließend über Leitung 4 abgezogen und über das Drosselorgan a auf einen Druck von ca. 22 bar(a) entspannt. Das bei der Entspannung über das Drosselorgan a entstehende zweite zweiphasige Stoffgemisch 5 wird in den zweiten Abscheider D2 geleitet, wo es in eine zweite N2-reiche, Kohlendioxid enthaltende Gasphase und eine zweite, Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Flüssigphase aufgetrennt wird.
  • Über Leitung 3 wird die erste N2-reiche, Kohlendioxid enthaltende Gasphase aus dem ersten Abscheider D1 abgezogen und über das Drosselorgan b in die Leitung 7 auf den Druck der über Leitung 6 aus dem Abscheider D2 abgezogenen zweiten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase entspannt. Die beiden Gasphasen 6 und 7 werden zu einer dritten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltende Gasphase 8 vereinigt, welche nachfolgend zur Erzeugung der Spitzenkälte des Gaszerlegungsprozesses über das Drosselorgan c kälteleistend entspannt wird. Um Blockierungen in den Kanälen des Wärmetauschers W zu verhindern, erfolgt diese kälteleistende Entspannung auf einen Druck, der ausreichend hoch ist, um einen Feststoffausfall im entspannten Stoffstrom 9 zu vermeiden. Der N2-reiche, Kohlendioxid enthaltende Stoffstrom 9 wird im Wärmetauscher W gegen das abzukühlende Einsatzgas 1 angewärmt, über Leitung 10 aus der Coldbox K geführt und, nach einer Entspannung über das Drosselorgan e, mit einem vorgegebenen Druckniveau über Leitung 11 als sog. N2-Waste zur Anlagengrenze geführt.
  • Die zweite, Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Flüssigphase wird über Leitung 12 aus dem Abscheider D2 geleitet und in die beiden Teilströme 13 und 14 aufgeteilt. Während der Teilstrom 13 anschließend auf direktem Wege dem kalten Ende des Wärmetauschers W zugeführt wird, wird der Teilstrom 14 über das Drosselorgan d auf ca. 12 bar(a) kälteleistend entspannt und erst dann über Leitung 15 dem Wärmetauscher W aufgegeben. Die Größe des Teilstroms 14 wird so eingestellt, dass die unvermeidlichen Kälteverluste des Verfahrens gedeckt werden. Die beiden Teilströme 13 und 15 werden nachfolgend im Wärmetauscher W gegen das Einsatzgas 1 verdampf und angewärmt und gasförmig über die Leitungen 16 und 17 aus der Coldbox K geführt.
  • Der Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Gasstrom 16 wird anschließend dem Produktverdichter V2 an der Saugseite der ersten Verdichtersektion VS1 aufgegeben, während der, ebenfalls Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Gasstrom 17, dessen Druck höher ist als derjenige des Gasstroms 16, dem Produktverdichter V2 an der Saugseite der zweiten Verdichtersektion VS2 aufgegeben wird. Die beiden Gasströme werden in der dritten Verdichtersektion VS3 gemeinsam auf Produktdruck verdichtet und über Leitung 18 als Kohlendioxidprodukt zur Anlagengrenze geführt.

Claims (7)

  1. Verfahren zur Erzeugung eines Kohlendioxidproduktes aus einem zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) bestehenden Einsatzgas (1) in einem kryogenen Gaszerlegungsprozess, aufweisend die Verfahrenschritte: a) Erzeugung eines ersten zweiphasigen Stoffgemisches (2) durch Abkühlung des Einsatzgases (1) gegen zu verdampfende und/oder anzuwärmende Verfahrensströme in einem Wärmetauscher (W); b) Trennung des ersten zweiphasigen Stoffgemisches (2) in einem ersten Abscheider (D1) in eine erste N2-reiche, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (3) und eine erste, CO2-reiche, Stickstoff enthaltenden Flüssigphase (4); c) Erzeugung eines zweiten zweiphasigen Stoffgemisches (5) durch Entspannung der ersten, CO2-reichen, Stickstoff enthaltenden Flüssigphase (4) über ein Drosselorgan (a); d) Trennung des zweiten zweiphasigen Stoffgemisches (5) in einem zweiten Abscheider (D2) in eine zweite N2-reiche, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (6) und eine zweite, Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Flüssigphase (12); e) Entspannung der ersten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (3) über ein zweits Drosselorgan (b) und Zusammenführung der entspannten ersten (7) und der zweiten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (6) zu einer dritten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (8); f) Erzeugung der Spitzenkälte für den Gaszerlegungsprozess durch kälteleistende Entspannung der dritten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (8) über ein drittes Drosselorgan (c), wobei die Entspannung so durchgeführt wird, dass keine Feststoffe gebildet werden; g) Anwärmung des durch die Entspannung der dritten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (8) erhaltenen Stoffstroms (9) gegen das abzukühlende Einsatzgas (1); h) kälteleistende Entspannung von zumindest einem Teil (14) der zweiten, Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Flüssigphase (12) über ein viertes Drosselorgan (d), wobei die Entspannung so durchgeführt wird, dass keine Feststoffe gebildet werden; i) Verdampfung und Anwärmung des durch die Entspannung der Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Flüssigphase (14) über das vierte Drosselorgan (d) entstehenden dritten zweiphasigen Stoffgemisches (15) gegen das abzukühlende Einsatzgas (1); j) Verdampfung und Anwärmung des nicht kälteleistend entspannten Teils (13) der zweiten, Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Flüssigphase (12) gegen das abzukühlende Einsatzgas (1); k) Zusammenführung der in den Verfahrensschritten i) und j) erzeugten, Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Gasphasen (16, 17) zu einem Kohlendioxidprodukt (18);
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzgas (1) durch Verdichtung aus einem zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid und Stickstoff bestehenden Gas (19) erzeugt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Gasphasen (16, 17) einem zumindest zwei Verdichtersektionen (VS1, VS2) aufweisenden CO2-Verdichter (V2) an der Saugseite einer jeweils anderen Verdichtersektion aufgegeben und auf Produktdruck verdichtet wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Einsatzgas (1) ein Kohlendioxid und Stickstoff enthaltendes Tailgas (19) aus der Waschmittelregenerierung einer Methanolwäsche (MW) verwendet wird.
  5. Vorrichtung zur Erzeugung eines Kohlendioxidproduktes aus einem zum überwiegenden Teil aus Kohlendioxid (CO2) und Stickstoff (N2) bestehenden Einsatzgas (1) in einem kryogenen Gaszerlegungsprozess, umfassend: a) einen Wärmetauscher (W), in welchem aus dem Einsatzgas (1) durch Abkühlung gegen zu verdampfende und anzuwärmende Verfahrensströme ein erstes zweiphasiges Stoffgemisch (2) erzeugbar ist; b) einen ersten Abscheider (D1), in welchem das erste zweiphasige Stoffgemisch (2) in eine erste N2-reiche, Kohlendioxid enthaltende Gasphase (3) und eine erste, CO2-reiche, Stickstoff enthaltende Flüssigphase (4) trennbar ist; c) ein erstes Drosselorgan (a), über welches die erste, CO2-reiche, Stickstoff enthaltende Flüssigphase (4) entspannbar ist, wobei ein zweites zweiphasiges Stoffgemisch (5) entsteht; d) einen zweiten Abscheider (D2), in welchem das zweite zweiphasige Stoffgemisch (5) in eine zweite N2-reiche, Kohlendioxid enthaltende Gasphase (6) und eine zweite, Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Flüssigphase (12) trennbar ist; e) ein zweites Drosselorgan (b), über das die erste N2-reiche, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (3) auf den Druck der zweiten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (6) entspannbar ist; f) ein drittes Drosselorgan (c), über das eine durch die Vereinigung der ersten (3) und der zweiten N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (6) erzeugte dritte N2-reichen, Kohlendioxid enthaltenden Gasphase (8) zur Erzeugung von Spitzenkälte für den Gaszerlegungsprozess kälteleistend entspannbar ist; g) ein viertes Drosselorgan (d), über das zumindest ein Teil (14) der zweiten, Kohlendioxidproduktqualität aufweisenden Flüssigphase (12) kälteleistend entspannbar ist; h) die vorgenannten Vorrichtungsmerkmale verbindende Rohrleitungen; i) eine wärmeisolierte Einhausung (Coldbox) (K), in der die vorgenannten Vorrichtungsmerkmale angeordnet sind;
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Coldbox (K) ein Verdichter (V1) angeordnet ist, in welchem das Einsatzgas (1) durch Verdichtung eines zum überwiegenden Teil aus CO2 und N2 bestehenden Gases (19) erzeugbar ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Coldbox (K) ein zumindest zwei Verdichtersektionen aufweisender CO2-Verdichter (V2) angeordnet ist, dem mit unterschiedlichen Drücken aus der Coldbox (K) austretende, Kohlendioxidproduktqualität aufweisende Gasphasen (16, 17) an den Saugseiten jeweils anderer Verdichtersektionen (VS1, VS2) aufgebbar sind.
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