DE102018000817A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Übertragung von Wärme auf einen zweiphasigen Stoffstrom - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung (W) zur Wärmeübertragung, bei dem ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch (6) in einer Trenneinrichtung (T) behandelt wird, um eine Gas- (8) sowie eine Flüssigphase (9) zu erhalten, von denen die Flüssigphase (9) nachfolgend durch einen Wärmetauscher (E) geführt und im indirekten Wärmetausch mit einem Wärmeträger (5) angewärmt wird. Kennzeichnend hierbei ist, dass von den beiden in der Trenneinrichtung (T) erhaltenen Phasen (8, 9) lediglich die Flüssigphase (9) in den Wärmetauscher (E) eingeleitet wird.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmeübertragung, bei dem ein zweiphasiges Flüssigkeits-Gas-Gemisch in einer Trenneinrichtung behandelt wird, um eine Gassowie eine Flüssigphase zu erhalten, von denen die Flüssigphase nachfolgend durch einen Wärmetauscher geführt und im indirekten Wärmetausch mit einem Wärmeträger angewärmt wird, um einen angewärmten Stoffstrom zu erhalten.
- Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Nicht zuletzt in physikalischen Gaswäschen ist es erforderlich, zweiphasigen Flüssigkeits-Gas-Gemischen Wärme zuzuführen. Bei einer bekannten und in der Industrie weit verbreiteten Gaswäsche wird Methanol als physikalisch wirkendes Waschmittel dazu eingesetzt, um Sauergase wie Schwefelkomponenten und Kohlendioxid aus einem Syntheserohgas abzutrennen und ein weitgehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Synthesegas zu erhalten. Das Syntheserohgas wird dabei in einer Absorberkolonne in intensiven Kontakt mit kaltem Methanol gebracht, das vorwiegend die Schwefelkomponenten und Kohlendioxid absorbiert.
- Das flüssige, mit den aufgenommenen Stoffen beladene Methanol, das bis zu 50mol% gelöste Sauergase enthalten kann, wird nach der Wäsche aus der Absorberkolonne abgezogen und regeneriert, um anschließend weitgehend sauergasfrei wieder als Waschmittel eingesetzt zu werden. Da die Löslichkeit der Sauergase mit fallendem Druck und steigender Temperatur abnimmt, wird das beladene Methanol bei der Regenerierung gewöhnlich in mehreren Schritten entspannt und angewärmt. Bei jeder Entspannung geht ein Teil der gelösten Sauergase in die Gasphase über, so dass jeweils ein zweiphasiges Flüssigkeits-Gas-Gemisch entsteht, dessen Temperatur bis zum Erreichen eines neuen Gleichgewichtszustands abnimmt. Um die Regenerierung zu unterstützen, wird das zweiphasige Flüssigkeits-Gas-Gemisch typischerweise durch den Mantelraum eines gewickelten Wärmetauschers geführt und dabei gegen einen oder mehrere abzukühlende, rohrseitig geführte Prozessströme der Gaswäsche angewärmt. Stromabwärts des Wärmetauschers wird das angewärmte, einen höheren Gasanteil aufweisende Stoffgemisch in eine Gas- und eine Flüssigphase getrennt, von denen die Flüssigphase weiter regeneriert wird.
- Aufgrund der freigesetzten Absorptionswärme nimmt die Temperatur des Waschmittels auf seinem Weg durch die Absorberkolonne zu, wodurch, wie oben bereits erwähnt, die Löslichkeit für die Sauergase abnimmt. Es ist daher erforderlich die Temperatur des Waschmittels zu begrenzen, wozu es gewöhnlich gegen beladenes und zu regenerierendes, als Flüssigkeits-Gas-Gemisch vorliegendes Waschmittel zwischengekühlt wird. Auf seinem Weg durch die Absorberkolonne kann das Waschmittel ein- oder mehrmals zwischengekühlt werden.
- Gewickelte Wärmetauscher bieten sich für den beschriebenen Einsatz an, da sie zum einen in der Lage sind, große Wärmemengen bei kleinen Temperaturdifferenzen zu übertragen und zum anderen zweiphasige Flüssigkeits-Gas-Gemische mit großen Gasanteilen verarbeiten können.
- Abhängig von der Sauergasbeladung sowie dem Druck und der Temperatur, liegt der zu regenerierende zweiphasige Waschmittelstrom am Eintritt des Wärmetauschers mit einem Verhältnis der effektiven Volumenströme von Gas und Flüssigkeit (im Folgenden als G/F-Verhältnis bezeichnet) vor, das typischerweise zwischen 0 und 10 liegt. In diesem Bereich steigt mit dem G/F-Verhältnis die Tendenz zur Entmischung der beiden Phasen und damit zur Bildung einer inhomogenen Verteilung des Stoffgemisches im Wärmetauscher an. Da die Gasphase, die einen im Vergleich zur Flüssigphase deutlich schlechteren Wärmeübergangskoeffizienten besitzt, die Flüssigphase verdrängen und einen direkten Kontakt zwischen Flüssigphase und der Wärmeaustauschfläche verhindern kann, wird ein Teil des Wärmetauschers ineffizient genutzt, wodurch die Leistung des Wärmetauschers abnimmt. Außerdem wird die Auslegung des Wärmetauschers mit steigendem G/F-Verhältnis erschwert, da die im Betrieb tatsächlich auftretende Verteilung von Gas und Flüssigkeit nicht oder nur mit großem Aufwand ausreichend genau erfasst werden kann.
- Der sich verschlechternde Wärmeübergang und die Unsicherheit bei der Auslegung des Wärmetauschers bei einem hohen, ungünstigen G/F-Verhältnis, bedingt nach dem Stand der Technik eine Vergrößerung der Wärmetauschfläche und damit einen deutlichen Anstieg der Investitionskosten.
- Insbesondere aus dem Technologiefeld der Fallfilmverdampfung ist es auch bekannt, ein anzuwärmendes Flüssigkeits-Gas-Gemisch in eine Gas- und eine Flüssigphase zu trennen, die anschließend gemeinsam in einen Wärmetauscher so eingeleitet werden, dass sich auf den Wärmeaustauschflächen ein geschlossener Flüssigkeitsfilm bildet, der unter Schwerkraftwirkung von oben nach unten strömt, wobei er sich nicht mit der dazu im Gleichstrom geführten Gasphase mischt. Nachteilig hierbei ist der für eine gleichmäßige Verteilung der beiden Phasen im Wärmetauscher erforderliche hohe apparative Aufwand.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art anzugeben, durch die die Nachteile des Standes der Technik überwunden werden können.
- Diese Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass von den beiden in der Trenneinrichtung erhaltenen Phasen lediglich die Flüssigphase in den Wärmetauscher eingeleitet wird.
- Durch die Erfindung tritt der anzuwärmende Stoffstrom in den Wärmetauscher mit einem sehr niedrigen G/F-Verhältnis ein, das im günstigsten Fall null ist. Eine Entmischung und Fehlverteilung des Stoffstroms im Wärmetauscher wird dadurch zunächst weitgehend oder sogar vollständig vermieden. Zwar wird mit steigender Temperatur gelöstes Gas aus der Flüssigphase freigesetzt, so dass ein zweiphasiges Stoffgemisch entsteht, in dem die Gasphase jedoch weitgehend homogen in der Flüssigphase verteilt vorliegt. Die beschriebenen, mit der Entmischung der Phasen verbundenen Beeinträchtigungen der Wärmeübertragung treten daher nicht auf und die Auslegung des Wärmetauschers ist mit großer Genauigkeit möglich. Da die Verhältnisse innerhalb des Wärmetauschers durch die Gasbeladung des zweiphasigen Stoffgemisches stromaufwärts der Trenneinrichtung nicht oder nicht wesentlich beeinflusst werden, kann Wärme weitgehend unabhängig von der Höhe des G/F-Verhältnisses des zweiphasigen Flüssigkeits-Gas-Gemisches effektiv übertragen werden.
- Das erfindungsgemäße Verfahren weiterbildend wird vorgeschlagen, zumindest einen Teil der in der Trenneinrichtung erhaltenen Gasphase im Bypass zum Wärmetauscher zu führen und dem im Wärmetauscher angewärmten Stoffstrom zuzumischen, um so die in der Trenneinrichtung getrennten Stoffströme wieder zu vereinigen. Sinnvollerweise wird das Flüssigkeits-Gas-Gemisch in der Trenneinrichtung auf einen Druck entspannt, der die Vereinigung der beiden Stoffströme ohne Druckerhöhung der im Bypass geführten Gasphase erlaubt.
- Weiterhin wird vorgeschlagen, den Druckverlust, den die ausgasende Flüssigphase bei ihrer Strömung durch den Wärmetauscher erleidet, mit Hilfe einer Flüssigkeitssäule auszugleichen, die aus der in der Trenneinrichtung erhaltenen Flüssigphase errichtet wird. Erforderlich hierfür ist lediglich, dass die Trenneinrichtung mit einer ausreichend großen Höhendifferenz zum Wärmetauscher angeordnet wird, bei der die Flüssigphase eine Flüssigkeitssäule ausbildet, deren statischer Druck ausreicht um den Druckverlust über den Wärmetauscher zu kompensieren.
- Eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, als Wärmetauscher einen gewickelten Wärmetauscher einzusetzen, durch dessen Mantelraum die in der Trenneinrichtung erhaltene Flüssigphase geführt wird.
- Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders zum Einsatz in einer physikalischen Gaswäsche, um zu regenerierendes, als Flüssigkeits-Gas-Gemisch vorliegendes Waschmittel zur Zwischen- oder Unterkühlung eines oder mehrerer Waschmittelströme zu verwenden deren Temperaturen bei der Gaswäsche durch Absorptionswärme erhöht sind. Ein Einsatz in anderen Anwendungen soll jedoch nicht ausgeschlossen sein.
- Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung, mit einem Wärmetauscher und einer mit diesem verbundenen Trenneinrichtung, in der aus einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch eine Gas- und eine Flüssigphase erhältlich sind, von denen die Flüssigphase in den Wärmetauscher geführt und dort im indirekten Wärmetausch mit einem Wärmeträger angewärmt werden kann.
- Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Trenneinrichtung derart mit dem Wärmetauscher verbunden ist, dass lediglich die Flüssigphase in den Wärmetauscher eingeleitet werden kann.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung weiterbildend wird vorgeschlagen, dass sie einen Bypass umfasst, über den die in der Trenneinrichtung erhältliche Gasphase am Wärmetauscher vorbeigeführt und mit dem angewärmt aus dem Wärmetauscher austretenden Stoffstrom vereinigt werden kann.
- Darüber hinaus wird vorgeschlagen, dass die Trenneinrichtung gegenüber dem Wärmetauscher erhöht angeordnet ist, so dass sich im Betrieb aus der in der Trenneinrichtung erhältlichen Flüssigphase eine Flüssigkeitssäule aufbauen kann, deren statischer Druck den Druckverlust, den die ausgasende Flüssigphase bei ihrer Strömung durch den Wärmetauscher erleidet, ausgleicht.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann grundsätzlich jede Art von Wärmetauscher umfassen, die aus dem Stand der Technik bekannt und zur Durchführung eines indirekten Wärmetauschs geeignet ist. Vorzugsweise handelt es sich jedoch bei dem Wärmetauscher um einen gewickelten Wärmetauscher.
- Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie Teil einer physikalischen Gaswäsche mit einer Absorberkolonne ist, mit der der Wärmetauscher derart verbunden ist, dass ihm ein oder mehrere Waschmittelströme aus der Absorberkolonne zur Zwischen- oder Unterkühlung zuführbar sind.
- Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der
1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. - Die
1 zeigt eine bevorzugte Variante der Erfindung, in der sie in einer physikalischen Gaswäsche eingesetzt wird. - Zur Abtrennung unerwünschter Stoffe, wird über Leitung
1 ein Gasgemisch in die Absorberkolonne A eingeleitet, in der es nach oben strömt und dabei in intensiven Kontakt mit einem im Gegenstrom geführten physikalisch wirkenden Waschmittel2 gebracht wird, das die Eigenschaft besitzt, die im Gasgemisch1 unerwünschten Stoffe deutlich besser zu absorbieren, als die erwünschten. Das zu behandelnde Gasgemisch1 kann beispielsweise ein Syntheserohgas sein, aus dem Kohlendioxid und Schwefelkomponenten mit Hilfen von als Waschmittel2 eingesetztem Methanol abgetrennt werden, um ein weitgehend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes Reingas3 zu erhalten. Das mit den aus dem Gasgemisch1 abgetrennten Stoffen beladene Waschmittel4 wird aus dem Sumpf der Absorberkolonne A abgezogen und der Regeneriereinrichtung R zugeführt, wo die abgetrennten Stoffe insbesondere durch Temperaturerhöhung und Druckabsenkung wieder entfernt werden. - Auf seinem Weg durch die Absorberkolonne
A steigt die Temperatur des Waschmittels aufgrund der bei der Absorption der unerwünschten Stoffe freigesetzten Wärme an. Da seine Aufnahmefähigkeit für die unerwünschten Stoffe mit steigender Temperatur abnimmt, wird das Waschmittel über Leitung5 aus der AbsorberkolonneA in die WärmeübertragungsvorrichtungW geführt, um gegen ein zweiphasiges Flüssigkeit-Gas-Gemisch6 zwischengekühlt zu werden. Das aus dem teilregeneriert aus der RegeneriereinrichtungR zugeführten Waschmittelstrom7 durch Entspannung über das Drosselorgan a erhaltene zweiphasige Flüssigkeit-Gas-Gemisch6 wird in der als Schwerkraftabscheider ausgeführten TrenneinrichtungT in eine Gas-8 und eine Flüssigphase9 getrennt, von denen alleine die Flüssigphase9 in den Wärmetauscher E geführt wird. Vorzugsweise ist der WärmetauscherE als gewickelter Wärmetauscher ausgeführt, durch dessen Mantelraum die Flüssigphase9 geführt wird, während rohrseitig das Waschmittel5 strömt, das zwischengekühlt über Leitung10 in die Absorberkolonne A zurückfließt. Aufgrund der Wärmezufuhr geht ein Teil der in der Flüssighase9 gelösten Gaskomponenten in die Gasphase über, so dass ein zweiphasiges Stoffgemisch11 den WärmetauscherE angewärmt verlässt. Die Entspannung über das Drosselorgan a erfolgt auf einen Druck, der es erlaubt, die Gasphase8 aus dem AbscheiderT ohne Verdichtung mit dem zweiphasigen Stoffstrom11 zum Stoffstrom12 zu vereinigen und gemeinsam mit diesem in den RegenerierteilR zurückzuführen, um unbeladenes Waschmittel2 zur erneuten Verwendung in der AbsorberkolonneA zu erhalten. Der Abscheider T ist gegenüber dem WärmetauscherE erhöht angeordnet, so dass die Flüssigphase9 eine Flüssigkeitssäule ausbilden kann, deren statischer Druck ausreicht, um den Druckverlust, den die ausgasende Flüssigphase bei ihrer Strömung durch den WärmetauscherE erleidet, zu kompensieren.
Claims (10)
- Verfahren zur Wärmeübertragung, bei dem ein zweiphasiges Flüssigkeits-Gas-Gemisch (6) in einer Trenneinrichtung (T) behandelt wird, um eine Gas- (8) sowie eine Flüssigphase (9) zu erhalten, von denen die Flüssigphase (9) nachfolgend durch einen Wärmetauscher (E) geführt und im indirekten Wärmetausch mit einem Wärmeträger (5) angewärmt wird, um einen angewärmten Stoffstrom (11) zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass von den beiden in der Trenneinrichtung (T) erhaltenen Phasen (8, 9) lediglich die Flüssigphase (9) in den Wärmetauscher (E) eingeleitet wird.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der in der Trenneinrichtung (T) erhaltenen Gasphase (8) im Bypass zum Wärmetauscher (E) geführt und dem im Wärmetauscher (E) erhaltenen angewärmten Stoffstrom (11) zugemischt wird. - Verfahren nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeits-Gas-Gemisch (6) in der Trenneinrichtung (T) auf einen Druck entspannt wird, der ausreichend hoch ist, um die erhaltene Gasphase (8) ohne Druckerhöhung dem angewärmten Stoffstrom (11) zumischen zu können. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (T) mit einer ausreichend großen Höhendifferenz zum Wärmetauscher (E) angeordnet wird, bei der die Flüssigphase (9) eine Flüssigkeitssäule ausbildet, deren statischer Druck ausreicht um den Druckverlust über den Wärmetauscher (E) zu kompensieren. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass es in einer physikalischen Gaswäsche eingesetzt wird, um zu regenerierendes, als Flüssigkeits-Gas-Gemisch vorliegendes Waschmittel (6) zur Zwischen- oder Unterkühlung eines oder mehrerer Waschmittelströme (5) zu verwenden, deren Temperaturen bei der Gaswäsche (A) durch Absorptionswärme erhöht werden. - Vorrichtung zur Wärmeübertragung (W), mit einem Wärmetauscher (E) und einer mit diesem verbundenen Trenneinrichtung (T), in der aus einem Flüssigkeits-Gas-Gemisch (6) eine Gas- (8) und eine Flüssigphase (9) erhältlich sind, von denen die Flüssigphase (9) in den Wärmetauscher (E) geführt und dort im indirekten Wärmetausch mit einem Wärmeträger (5) angewärmt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (T) derart mit dem Wärmetauscher (E) verbunden ist, dass lediglich die Flüssigphase (9) in den Wärmetauscher (E) eingeleitet werden kann.
- Vorrichtung nach
Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Bypass umfasst, über den die in der Trenneinrichtung (T) erhältliche Gasphase (8) am Wärmetauscher (E) vorbeigeführt und mit dem angewärmt aus dem Wärmetauscher (E) austretenden Stoffstrom (11) vereinigt werden kann. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 6 oder7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Trenneinrichtung (T) gegenüber dem Wärmetauscher (E) erhöht angeordnet ist, so dass sich im Betrieb aus der in der Trenneinrichtung (T) erhältlichen Flüssigphase (9) eine Flüssigkeitssäule aufbauen kann, deren statischer Druck den Druckverlust über den Wärmetauscher (E) ausgleicht. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 6 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (E) als gewickelter Wärmetauscher ausgeführt ist. - Vorrichtung nach einem der
Ansprüche 6 bis9 , dadurch gekennzeichnet, dass sie Teil einer physikalischen Gaswäsche mit einer Absorberkolonne (A) ist, mit der der Wärmetauscher (E) derart verbunden ist, dass ihm ein oder mehrere Waschmittelströme (5) aus der Absorberkolonne (A) zur Zwischen- oder Unterkühlung zuführbar sind.
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ID=65241201
Family Applications (1)
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