DE102020117937A1

DE102020117937A1 - Verfahren und eine Anlage zur Auftrennung eines Einsatzstroms

Info

Publication number: DE102020117937A1
Application number: DE102020117937.5A
Authority: DE
Inventors: Torben Höfel; Bernd Klein
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2020-07-07
Filing date: 2020-07-07
Publication date: 2022-01-13
Also published as: ZA202300324B; AU2021306798A1; WO2022008095A1; CN115968363A; US20230266060A1; EP4179269A1; CA3184670A1

Abstract

Es werden ein Verfahren und eine Anlage (100) zur Auftrennung eines Einsatzstromes (1), der zumindest Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff mit drei oder vier Kohlenstoffatomen pro Molekül, insbesondere Propan, Propen, Propadien, Butan, 1-Buten, 2-Buten und/oder 1,3-Butadien, enthält, vorgeschlagen. Dabei wird der verdichtete Einsatzstrom (1) über mehrere Kühlschritte in zumindest zwei Wärmetauschern (120, 130) gekühlt und nach jedem Kühlschritt in einen Kondensat-(7, 8, 9) und einen Restgasstrom (3, 5, 11) aufgeteilt. Die zumindest zwei Wärmetauscher (120, 130) werden dabei auf zumindest zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben, wobei ein warmer Wärmetauscher (120) auf einem mittleren Temperaturniveau und ein kalter Wärmetauscher (130) auf einem niedrigen Temperaturniveau betrieben wird. Für die Abführung eines Teils der Wärme aus dem kalten Wärmetauscher (130) wird ein internes Kältemittel (15), das aus einem Teil (13) eines der Kondensatströme (7, 8, 9) und einem Teil (14) eines der Restgasströme (3, 5, 11) gebildet wird, verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur Auftrennung eines Einsatzstroms gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
Stand der Technik
Bei der industriellen Herstellung und Verarbeitung von Kohlenwasserstoffen und anderen organochemischen Verbindungen ist es häufig erforderlich, Produktströme eines Verfahrensschrittes in verschiedene Komponenten aufzutrennen, bevor weitere Verfahrensschritte durchgeführt werden können, beispielsweise um solche Komponenten abzutrennen, die in den folgenden Verfahrensschritten stören, oder um ein Produkt mit einer geforderten Reinheit abzugeben.
Für derartige Trennungen werden häufig sogenannte kryogene Trennverfahren eingesetzt, in denen ein gasförmiger Einsatzstrom gekühlt wird, wobei sich der Einsatzstrom zumindest teilweise verflüssigt. Durch solche Teilkondensationen können verschiedene in dem Einsatzstrom enthaltene Komponenten gemäß ihren jeweiligen Siedepunkten bzw. Dampfdrücken bei den jeweils herrschenden Drücken bzw. Temperaturen voneinander getrennt werden. Dazu werden häufig sogenannte C2-Kältemittel eingesetzt, die aus Kohlenwasserstoffgemischen, die sich im Wesentlichen aus Verbindungen mit zwei Kohlenstoffatomen pro Molekül zusammensetzen, bestehen. Auch die Verwendung reiner C2-Kältemittel wie Ethan oder Ethylen ist möglich.
Ferner sind Trennverfahren bekannt, die ohne C2-Kältemittel auskommen. Ein derartiges kryogenes Trennverfahren ist beispielsweise aus der US 6,333,445 B1 bekannt. Dort wird ein gasförmiger Einsatzstrom, der aus einem Alkan-Dehydrierprozess stammt und daher Wasserstoff sowie das nicht umgesetzte Alkan und ein daraus erzeugtes Alken enthält, zunächst verdichtet und dann unter Verwendung zweier Wärmetauscher gekühlt und teilweise kondensiert. Als Kühlmittel wird dabei ein flüssiger Rohstoffstrom, der das für den Dehydrierprozess benötigte Alkan enthält, verdampft und erwärmt. Unter einem „Einsatzstrom“ wird nachfolgend ein gasförmiger Stoffstrom verstanden, der einem Trennverfahren zugeführt wird. Dieser stammt aus einem organochemischen Umsetzungsverfahren, dem im nachfolgend verwendeten Sprachgebrauch seinerseits ein „Rohstoffstrom“ zugeführt wird. Der Rohstoffstrom wird in dem erläuterten Beispiel also dem Alkan-Dehydrierprozess zugeführt und in diesem in den Einsatzstrom des Trennprozesses umgewandelt.
Die aus dem Einsatzstrom erzeugten Kondensate bzw. Flüssigströme werden von den verbleibenden Restgasströmen getrennt. Die Kühlleistung wird hauptsächlich durch die von dem flüssigen Rohstoffstrom aufgenommene Verdampfungswärme aufgebracht. Die Prozessbedingungen, insbesondere ein positiver Druckunterschied zwischen dem gasförmigen Einsatzstrom und dem flüssigen Rohstoffstrom, bewirken eine Temperaturdifferenz und ermöglichen so den Wärmeübergang sowie die Teilkondensation des Einsatzstroms bzw. Verdampfung des Rohstoffstroms.
Je nach Ausgestaltung des Alkan-Dehydrierprozesses kann sich dadurch eine Situation ergeben, in der die Wärmemenge, die durch die Verdampfung des Rohstoffstroms entzogen wird, nicht ausreicht, um die Auftrennung bzw. Teilkondensation des Einsatzstromes zu erreichen.
Daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein verbessertes Trennverfahren anzugeben, das ohne C2-Kältemittel eine entsprechende Auftrennung auch in ungünstigen Situationen in Bezug auf die durch die Verdampfung des Rohstoffstroms entzogene Wärmemenge gewährleistet.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch Verfahren und Anlagen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Patentansprüche und aus der nachfolgenden Beschreibung.
Bevor die Merkmale und Vorteile der Erfindung aufgezeigt werden, werden deren Grundlagen und im Rahmen der Offenbarung verwendete Begriffe erläutert.
Ein „Verdichter“ ist eine Vorrichtung, die zum Verdichten wenigstens eines gasförmigen Stroms von wenigstens einem Eingangsdruck (auch als Saugdruck bezeichnet), bei dem dieser dem Verdichter zugeführt wird, auf wenigstens einen Enddruck, bei dem dieser dem Verdichter entnommen wird, eingerichtet ist. Ein Verdichter bildet eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere „Verdichterstufen“ in Form von Kolben-, Schrauben- und/oder Schaufelreihen (also Axial- oder Radialverdichterstufen) aufweisen kann. Insbesondere werden entsprechende Verdichterstufen mittels eines gemeinsamen Antriebs, beispielsweise über eine gemeinsame Welle, angetrieben. Ein Verdichter im erläuterten Sinn oder eine Verdichterstufe eines solchen Verdichters führt im Sprachgebrauch dieser Offenbarung einen „Verdichtungsschritt“ durch.
Ein „Kühler“ ist eine Vorrichtung, die zum Kühlen eines (beispielsweise gasförmigen oder flüssigen) Fluidstromes von wenigstens einer Eingangstemperatur, bei der dieser dem Kühler zugeführt wird, auf wenigstens eine Endtemperatur, bei der dieser dem Kühler entnommen wird, eingerichtet ist. Ein Kühler bildet eine bauliche Einheit, die jedoch mehrere „Kühlstufen“ in Form von (z.B. Platten-, Rohr-, Gegenstrom-) Wärmetauschern und/oder Expandern (beispielsweise Drosselventile oder Turbinen) aufweisen kann. Insbesondere können entsprechende Kühlstufen unter Verwendung eines einzigen Wärmetauschers realisiert sein. Ein Kühler im erläuterten Sinn oder eine Kühlstufe eines solchen führt im Sprachgebrauch dieser Offenbarung einen „Kühlschritt“ durch.
Eine „thermische Trennung“ zeichnet sich im Sprachgebrauch dieser Offenbarung dadurch aus, dass in ihr ein Gasgemisch unter zumindest teilweiser Verflüssigung aufgetrennt wird, und dass dabei ein geeignetes Kältemittel eingesetzt wird. Hierzu kommen an sich bekannte Wärmetauscher zum Einsatz. Die Trennung erfolgt mittels bekannter Phasentrennvorrichtungen, beispielsweise mittels Gasabscheidern. In einer thermischen Trennung werden insbesondere sogenannte C3- und/oder C2-Kältemittel eingesetzt. Diese werden zwischen unterschiedlichen Druckniveaus geführt, wobei die erwähnten Verdichter sowie beispielsweise bekannte Entspannungsturbinen oder Entspannungs- bzw. Drosselventile zum Einsatz kommen.
Ist in dieser Offenbarung davon die Rede, dass ein Stoffstrom oder ein Gemisch in Bezug auf einen anderen Stoffstrom bzw. ein anderes Gemisch „angereichert“ an einer oder mehreren Komponenten ist, so ist dies so zu verstehen, dass die Konzentration dieser Komponente(n) in dem derart angereicherten Strom oder Gemisch im Vergleich zu dem Bezugsstrom bzw. -gemisch mindestens um einen Faktor von 1,1, 1,2, 1,5, 2, 3, 5, 10, 30, 100, 300 oder 1000 höher liegt. Ein „abgereicherter“ Stoffstrom ist dementsprechend niedriger konzentriert als der Bezugsstrom und weist insbesondere eine Konzentration an der Komponente auf, die im Vergleich zu dem Bezugsstrom niedriger ist, also höchstens 90 %, 80 %, 50 %, 30 %, 10 %, 3 %, 1 %, 0,3 % oder 0,1 % der Konzentration der Komponente in dem Bezugsstrom entspricht.
Die vorliegende Offenbarung verwendet zur Charakterisierung von Drücken und Temperaturen die Begriffe „Druckniveau“ und „Temperaturniveau“, wodurch zum Ausdruck gebracht werden soll, dass entsprechende Drücke und Temperaturen in einer entsprechenden Anlage nicht in Form exakter Druck- bzw. Temperaturwerte verwendet werden müssen, um das erfinderische Konzept zu verwirklichen. Jedoch bewegen sich derartige Drücke und Temperaturen typischerweise in bestimmten Bereichen, die beispielsweise 1 %, 5 %,10 %, 20 % oder sogar 50 % um einen Mittelwert herum liegen. Entsprechende Druckniveaus und Temperaturniveaus können dabei in disjunkten Bereichen liegen oder in Bereichen, die einander überlappen. Insbesondere schließen beispielsweise Druckniveaus unvermeidliche oder zu erwartende Druckverluste ein. Entsprechendes gilt für Temperaturniveaus.
Ist in dieser Beschreibung davon die Rede, dass ein Gemisch zumindest eine Flüssigphase enthält, so ist dies so zu verstehen, dass das Gemisch eine oder mehrere Flüssigphasen enthalten kann, die vollständig, teilweise oder nicht miteinander mischbar sind.
Vorteile der Erfindung
Im Folgenden werden Merkmale und Vorteile der Erfindung hauptsächlich in Bezug auf das erwähnte Verfahren erläutert. Die entsprechenden Ausführungen gelten sinngemäß ebenso für erfindungsgemäße Anlagen und deren vorteilhafte Ausgestaltungen, die von den Vorteilen entsprechend profitieren. Beispielsweise kann davon die Rede sein, dass ein Strom einem Verfahrensschritt unterworfen wird. Dies ist in Bezug auf eine entsprechende Anlage so zu verstehen, dass Bauteile, die zur Durchführung eines entsprechenden Verfahrensschrittes eingerichtet sind, vorgesehen sind und Mittel, beispielsweise Rohrleitungen, Ventile und dergleichen, zur Einspeisung des jeweiligen Stromes in das Bauteil bereitgestellt sind. Erläuterungen bezüglich einer Anlage gelten dementsprechend umgekehrt auch für ein entsprechendes Verfahren.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Auftrennung eines zumindest Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff mit drei Kohlenstoffatomen pro Molekül enthaltenden Einsatzstromes vorgeschlagen. Der Einsatzstrom wird in verdichtetem Zustand unter Verwendung zumindest zweier Kühler, die auf zueinander unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben werden, über zumindest zwei Kühlschritte unter Erhalt zumindest eines ersten und eines zweiten Kondensatstroms und zumindest eines ersten und eines zweiten Restgasstroms teilweise verflüssigt. Der Restgasstrom eines Kühlschrittes wird jeweils in den darauffolgenden Kühlschritt eingespeist. Jeder Kondensatstrom wird bei der teilweisen Verflüssigung gegenüber dem Einsatzstrom an Wasserstoff abgereichert an dem Kohlenwasserstoff angereichert und jeder Restgasstrom wird gegenüber dem Einsatzstrom an Wasserstoff angereichert und an dem Kohlenwasserstoff abgereichert. Ein flüssiger, überwiegend aus dem Kohlenwasserstoff bestehender C3-Produktstrom wird aus den Kondensatströmen gebildet und ein gasförmiger, überwiegend aus dem Wasserstoff bestehender Gasproduktstrom wird unter Verwendung zumindest eines der Restgasströme gebildet. Ein Teil zumindest eines der Kondensatströme wird mit einem Teil zumindest eines der Restgasströme zusammengeführt und unter Entspannung als internes Kältemittel für zumindest einen der Kühlschritte (bzw. Kühler) verwendet. Die Entspannung kann dabei vor und/oder nach der Zusammenführung erfolgen.
Analog dem eingangs geschilderten Verfahren, wird auch in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Rohstoffstrom in zumindest einem der Kühler unterkühlt, mit einem Teil des Gasproduktstromes vereinigt, entspannt und als Kältemittel für den Kühler verwendet. Der Vorteil der Erfindung gegenüber dem herkömmlichen Verfahren besteht darin, dass unabhängig von der Menge, des Druckes und der Zusammensetzung des Rohstoffstroms die Trennung des Einsatzstromes durchgeführt werden kann, da die Energiebilanz über eine Verdichtung des Einsatzstromes stromauf des Kühlers und eine Abkühlung auf ein natürliches Umgebungstemperaturniveau geschlossen werden kann. Das entspannte interne Kältemittel kann vorteilhafterweise - gegebenenfalls mit weiteren gasförmigen Entnahmeströmen - wieder in den Einsatzstrom zurückgeführt werden, bevor dieser verdichtet wird. Dadurch ist das Verfahren deutlich flexibler steuerbar als herkömmliche Verfahren und kann beispielsweise auf schwankende Mengen hinsichtlich gasförmigem Einsatzstrom und/oder flüssigem Rohstoffstrom sowie andere schwankende Prozessbedingungen wie z.B. ungünstige Druck- und/oder Temperaturniveaus, die den Wärmeaustausch zwischen kondensierendem Einsatzstrom und verdampfendem Rohstoffstrom erschweren, angepasst werden.
Bevorzugt erfolgen zumindest ein erster Kühlschritt von einem hohen Eingangstemperaturniveau (beispielsweise Temperatur der natürlichen Atmosphäre bzw. Umgebung, z.B. 10 ℃ bis 50 ℃) auf ein mittle res Temperaturniveau, das in einem Bereich von -40 ℃ bis +10 ℃, vorzugsweise v on -40 ℃ bis -10 ℃, liegt und zumindest ein zweiter Kühlschritt auf ein niedriges Temperaturniveau, das in einem Bereich von -130 ℃ bis -80 ℃, vorzugsweise von -1 10 ℃ bis -90 ℃, liegt. Dies ermöglicht eine weitgehende Abtrennung des Kohlenwasserstoffs von dem Wasserstoff bereits auf dem mittleren Temperaturniveau, beispielsweise im ersten Kondensatstrom.
In einigen Ausgestaltungen der Erfindung werden zur Erreichung des niedrigen Temperaturniveaus nur Stoffströme, die aus dem flüssigen Rohstoffstrom gebildet werden, verwendet. Zur Erreichung des mittleren Temperaturniveaus kann zusätzlich ein extern erzeugtes bzw. von extern zugeführtes Kältemittel verwendet werden. Dadurch kann gegebenenfalls vorhandene Prozesskälte vorteilhaft integriert werden und die Energiebilanz auf einfache Weise geschlossen werden, ohne Kältemittel auf dem niedrigen Temperaturniveau zu benötigen.
Vorteilhafterweise erfolgen der erste und der zweite Kühlschritt durch Gegenstromwärmetausch, insbesondere des kondensierenden Einsatzstroms und des verdampfenden Rohstoffstroms. Dadurch kann die Energiebilanz weitgehend verfahrensintern geschlossen werden.
Bevorzugt wird der zweite Restgasstrom des zweiten Kühlschrittes unter Erhalt weiterer Kondensat- und Restgasströme zumindest einer Expansion unterworfen. Dadurch kann dem Verfahren Energie entzogen und diese in Form von mechanischer Energie genutzt werden, beispielsweise um Pumpen oder Verdichter anzutreiben.
Das interne Kältemittel wird bevorzugt aus einem Teil des zweiten Kondensatstroms und einem Teil des Restgasstroms, der expandiert wurde, gebildet. Dadurch weist das gebildete interne Kältemittel besonders vorteilhafte Prozessbedingungen hinsichtlich Temperatur und Zusammensetzung auf und kann optimal für die unterstützende Kühlung des zweiten Kondensatstroms verwendet werden.
Vorteilhafterweise werden mehrere oder alle Kondensatströme zu einem Sammelstrom zusammengefasst, und der Sammelstrom unter Bildung eines Flash-Gases und des C3-Produktstromes einer Gasabscheidung unterworfen. Dadurch ergeben sich Synergieeffekte und Einsparpotentiale in Bezug auf benötigte Rohrleitungen, Isolierungen und dergleichen.
Insbesondere werden der C3-Produktstrom, der Gasproduktstrom und das Flash-Gas auf ein Temperaturniveau erwärmt, das dem Temperaturniveau des Einsatzstromes entspricht. Dadurch geht keine Kälte verloren, was energetisch besonders günstig ist.
Da es sowohl für das Flash-Gas als auch für das interne Kältemittel gewünscht ist, das Fluid wieder in den Einsatzstrom zurückzuführen, um die Ausbeute des Verfahrens zu erhöhen, können diese beiden Ströme an geeigneter Stelle zusammengeführt werden und gemeinsam zum Einsatzstrom zurückgeführt werden, bevor dieser verdichtet wird.
Der Gasproduktstrom wird bevorzugt zumindest teilweise für die Bereitstellung des Einsatzstromes verwendet, insbesondere indem der Gasproduktstrom zumindest teilweise in den Rohstoffstrom gemischt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn für die Erzeugung des Einsatzstroms aus dem Rohstoffstrom im Zuge des Dehydrierprozesses Wasserstoff als Verdünnungsmedium benötigt wird. Dieser Wasserstoff muss nicht aus einer separaten Quelle zugeführt werden, sondern kann aus dem ohnehin anfallenden Gasprodukt bereitgestellt werden. Durch das Einmischen eines Teils des Gasproduktstroms in den Rohstoffstrom auf dem niedrigsten Temperaturniveau (nach Unterkühlung des Rohstoffstroms) kann der Rohstoffstrom im Übrigen effizienter für die Kühlung des Einsatzstromes verwendet werden.
Eine erfindungsgemäße Anlage zur Auftrennung eines zumindest Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff mit drei Kohlenstoffatomen pro Molekül enthaltenden Einsatzstromes weist zumindest zwei Wärmetauscher auf, von denen zumindest einer auf einem mittleren und zumindest einer auf einem niedrigen Temperaturniveau betreibbar ist, und die dazu eingerichtet sind, den Einsatzstrom nach dem Gegenstromprinzip zu kühlen. Zudem umfasst sie zumindest zwei Phasentrennvorrichtungen, die jeweils dazu eingerichtet sind, einen teilweise verflüssigten Strom in einen Kondensatstrom und einen Restgasstrom aufzuspalten, sowie Mittel, die dazu eingerichtet sind, einen Teil zumindest eines der Kondensatströme mit einem Teil zumindest eines der Restgasströme zu einem internen Kältemittel zu vereinigen und das interne Kältemittel nach Entspannung zumindest einem der Wärmetauscher zuzuführen. Die Entspannung erfolgt vor oder nach der Zusammenführung bzw. Vereinigung von jeweiligem Kondensat- und Restgasstrom. Damit ist die Anlage im Wesentlichen dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausgestaltungen sowie weitere Aspekte der Erfindung und deren Vorteile mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Figurenliste

1 zeigt eine vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Anlage.

Ausgestaltungen der Erfindung
In 1 ist eine Anlage 100, die zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet ist, schematisch dargestellt. Die Anlage 100 weist unter anderem einen warmen Wärmetauscher 120, einen kalten Wärmetauscher 130 sowie mehrere Gasabscheider 142, 144, 146, 148 auf.
Ferner umfasst die Anlage 100 in dem dargestellten Beispiel eine Bereitstellungseinheit 110, die dazu eingerichtet ist, einen Einsatzstrom 1 zu erzeugen, der zumindest Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff mit drei oder vier Kohlenstoffatomen pro Molekül (hier und nachfolgend wird dieser beispielhaft in Bezug auf drei Kohlenstoffatome pro Molekül auch als C3 bezeichnet) enthält. Insbesondere handelt es sich bei dem Kohlenstoff um Propen. Die Bereitstellungseinheit 110 kann beispielsweise als Reaktor ausgeführt sein, der zur Durchführung einer Propan-Dehydrierungsreaktion eingerichtet ist. Dazu ist der Reaktor 110 mit einem Katalysator bestückt und wird mit einem oder mehreren Rohstoffströmen 18, 19, die dem Reaktor zumindest Propan zuführen, beschickt.
Die Dehydrierungsreaktion erfolgt in der Bereitstellungseinheit 110 typischerweise bei geringem Druck wie z.B. 50 kPa bis -500 kPa. Der Einsatzstrom 1 wird stromauf des Wärmetauschers 120 mit einem Verdichter, der Teil der Bereitstellungsanlage 110 sein kann, auf einen Enddruck von 1 MPa bis 1,8 MPa verdichtet. Es erfolgen ggf. außerdem einige Feinreinigungsschritte des Gases, wie zum Beispiel die Entfernung von H2S, Wasser und Chlor.
Unabhängig von dessen Ursprung wird der zumindest Wasserstoff und C3 enthaltende Einsatzstrom 1 dem warmen Wärmetauscher 120 zugeführt und in diesem gegen andere Stoffströme gekühlt. Beispielsweise wird der Einsatzstrom 1 auf einem hohen Temperaturniveau, das im Wesentlichen einer natürlichen Umgebungstemperatur von beispielsweise zwischen 10 ℃ und 40 ℃, insbesonde re zwischen 15 ℃ und 25 ℃, entspricht, in den warmen Wärmetauscher 120 eingespeist und diesem bei einem mittleren Temperaturniveau in einem Bereich von -10 ℃ bis -40 ℃, beispielsweise bei einem mittleren Temperaturniveau von -15 ℃, -25 ℃ oder -35 ℃, als gekühlter Einsatzstrom 2 entnommen. Durch die Abkühlung in dem Wärmetauscher 120 kondensiert ein Teil der Komponenten des Einsatzstromes 1, so dass der gekühlte Einsatzstrom ein Gemisch aus zumindest einer Flüssigkeit und einem Gas ist. Der gekühlte Einsatz 2 wird einem Gasabscheider 142 zugeführt und dort in einen ersten Restgasstrom 3 und einen ersten Kondensatstrom 7 getrennt. Der erste Restgasstrom 3 ist aufgrund der unterschiedlichen Dampfdrücke von Wasserstoff und C3 gegenüber dem Einsatzstrom 1 an Wasserstoff angereichert und an C3 abgereichert, während es sich bei dem ersten Kondensatstrom 7 genau anders herum verhält. Der erste Restgasstrom 3 wird dem kalten Wärmetauscher 130 zugeführt und dort von dem mittleren Temperaturniveau auf ein Tieftemperaturniveau (im Rahmen der Offenbarung auch als niedriges Temperaturniveau bezeichnet), das beispielsweise in einem Bereich von -80 ℃ bis -140 ℃ liegt, abgekühlt. Dabei wird wiederum ein Teil der Komponenten des ersten Restgasstromes 3 kondensiert und dem kalten Wärmetauscher 130 somit ein unterkühlter Restgasstrom 4 entnommen, der zumindest eine Flüssigphase und eine Gasphase enthält.
Der unterkühlte Restgasstrom 4 wird in einem zweiten Gasabscheider 144 in einen zweiten Restgasstrom 5 und einen zweiten Kondensatstrom 8 aufgetrennt. Der zweite Restgasstrom 5 ist gegenüber dem ersten Restgasstrom 3 an Wasserstoff angereichert und an C3 abgereichert, während der zweite Kondensatstrom 8 gegenüber dem ersten Restgasstrom 3 an Wasserstoff abgereichert und an C3 angereichert ist.
In dem gezeigten Beispiel wird der zweite Restgasstrom 5 einem Expander bzw. einer Turbine zugeführt, hier beispielsweise als Turbine 150 ausgeführt. Der Turbine 150 wird ein entspannter Restgasstrom 6 entnommen, der aufgrund der in der Turbine 150 abgegebenen Energie wiederum teilweise verflüssigt ist. Der entspannte Restgasstrom 6 wird in einem dritten Gasabscheider 146 wiederum in einen dritten Restgasstrom 11 und einen dritten Kondensatstrom 9 aufgetrennt. Der dritte Kondensatstrom 9 ist wiederum gegenüber dem zweiten Restgasstrom 5 an Wasserstoff abgereichert und an C3 angereichert, der dritte Restgasstrom 11 ist dementsprechend gegenüber dem zweiten Restgasstrom 5 an Wasserstoff angereichert und an C3 abgereichert. Im Sinne der Erfindung ist der Einsatz des Expanders jedoch optional. Alternativ entfallen Turbine 150, Gasabscheider 146 und Kondensatstrom 9. Entsprechend wären Restgasstrom 5 und 11 identisch. Als weitere Alternative könnte der Expander 150 lediglich als Drosselventil ausgeführt werden.
Die drei verschiedenen Kondensatströme 7, 8 und 9 werden, gegebenenfalls unter Erwärmung in dem kalten Wärmetauscher 130 auf das mittlere Temperaturniveau zusammen in einen vierten Gasabscheider 148 geführt, in dem ein bei den eingestellten Bedingungen verdampfender vierter Restgasstrom, der hier als Flash-Gas Strom 12 bezeichnet wird, abgetrennt wird. Auf Seite der Flüssigphase wird ein Flüssigproduktstrom 10, der im Wesentlichen aus C3 besteht, entnommen und über eine Pumpe 149 zumindest durch den warmen Wärmetauscher 120 befördert.
Ein Teil des dritten Restgasstromes 11, der hauptsächlich aus Wasserstoff besteht, wird durch den kalten und warmen Wärmetauscher 130, 120 erwärmt und als Gasprodukt 20 entnommen. In einigen Ausgestaltungen kann ein Teil des Gasprodukts 20 zu der Bereitstellungseinheit zurückgeführt werden, insbesondere für Spülzwecke, beispielsweise während einer Katalysatorregeneration. Ein weiterer Teil 14 des dritten Restgasstromes 11 wird mit einem Teil 13 des zweiten Kondensatstromes 8 unter Entspannung beider Ströme rückvermischt, als internes Kältemittel 15 über den kalten Wärmetauscher 130 erwärmt/verdampft und stromauf des warmen Wärmetauschers 120 mit dem Flash-Gas 12 rückvermischt und als Mischstrom 17 in dem warmen Wärmetauscher 120 weiter erwärmt. Der Mischstrom 17 wird vorzugsweise in den Einsatzstrom 1 zurückgeführt, um die Ausbeute an C3 im Flüssigproduktstrom 10 insgesamt zu erhöhen.
Der Reaktor 110 benötigt, wie bereits erwähnt einen Rohstoffstrom 19, der Propan enthält. Dieser Rohstoffstrom wird in dem gezeigten Beispiel zunächst als flüssiger Rohstoffstrom 18 bereitgestellt. Der flüssige Rohstoffstrom 18 wird in dem warmen Wärmetauscher 120 und optional auch in dem kalten Wärmetauscher 130 unterkühlt und mit einem dritten Teil 16 des dritten Restgasstromes 11 vermischt, bevor er als gemischter Rohstoffstrom 19 wieder über den warmen 120 bzw. beide Wärmetauscher 130 und 120 erwärmt und in den Reaktor 110 eingespeist wird. Insbesondere wird der flüssige Rohstoffstrom 18 dabei nach der Unterkühlung in dem warmen Wärmetauscher 120 und/oder dem kalten Wärmetauscher 130 entspannt, beispielsweise über ein oder mehrere Drosselventile. Durch die Entspannung des unterkühlten flüssigen Rohstoffstroms 18 sowie die Hinzumischung von Restgasstrom (16) bei niedriger Temperatur wird thermische Energie aus dem flüssigen Rohstoffstrom 18 in Volumenarbeit umgesetzt, so dass der gemischte Rohstoffstrom 19 vor der Erwärmung in dem jeweiligen Wärmetauscher 120, 130 auf einem Temperaturniveau liegt, das wesentlich niedriger ist als das des entsprechenden unterkühlten flüssigen Rohstoffstroms 18. Somit wird die Verdampfungswärme des flüssigen Rohstoffstroms 18 als Hauptkältequelle für die Teilkondensation des Einsatzstroms 1 sowie des ersten Restgasstromes 3 genutzt. Für den kalten Wärmetauscher 130 ist die zusätzliche Nutzkälte des internen Kältemittels 15 entscheidend, jedoch kann auch hier Verdampfungswärme durch den unterkühlten flüssigen Rohstoffstrom 18 entzogen werden.
Der flüssige Rohstoffstrom kann beispielsweise bei einem Druckniveau in einem Bereich von 1,5 MPa bis 2,5 MPa bereitgestellt werden. Stromab des bzw. der Wärmetauscher(s) weist der gasförmige Rohstoffstrom 19 beispielsweise ein Druckniveau im Bereich von 200 kPa bis 500 kPa auf.
Stromab des Reaktors und stromauf des Verdichters der Bereitstellungseinheit 110 liegt der Einsatzstrom 1 beispielsweise auf einem Druckniveau im Bereich von ca. 100 kPa bis 200 kPa, stromab des Verdichters und stromauf des warmen Wärmetauschers 120 auf einem Druckniveau im Bereich von beispielsweise 1 MPa bis 1,8 MPa vor.
Alle Ströme weisen grundsätzlich stromauf von Ventilen aufgrund von Druckverlusten über das jeweilige Ventil einen entsprechend höheren Druck auf, als die jeweiligen Ströme stromab des jeweiligen Ventils. Insbesondere wird ein explizit beschriebener Druckabfall bzw. ein sich aus den unterschiedlichen Druckniveaus von ineinander übergeleiteten Strömen ergebender Druckabfall durch das jeweilige Ventil realisiert.
Insgesamt kommt zumindest der kalte Wärmetauscher 130 ohne extern gekühltes Kältemittel aus. Die hier benötigte Kühlleistung wird somit über den Druckunterschied zwischen dem Einsatzstrom 1 (bzw. der daraus übrigbleibende Restgasstrom 3) auf der einen Seite und dem gemischten Rohstoffstrom 19 sowie dem internen Kältemittel 15 auf der anderen Seite bereitgestellt. Zur Druckerhöhung von Einsatzstrom 1 können ein oder mehrere Verdichter stromauf des warmen Wärmetauschers 120 vorgesehen sein ().
Auf dem mittleren Temperaturniveau kann bei Bedarf ein externes Kältemittel 21 verwendet werden. Dadurch können variable Mengen und/oder Temperaturen des Einsatzstromes 1 bzw. des flüssigen Rohstoffstroms 18 kompensiert werden.
Wie bereits erwähnt, kann die Anlage 100 auch zur Auftrennung eines Einsatzstromes, der zumindest Wasserstoff und einen vier Kohlenstoffatome pro Molekül enthaltenden Kohlenwasserstoff (C4), insbesondere 1-Buten, 2-Buten, 1,3-Butadien und/oder Butan, enthält, verwendet werden. Die zuvor geschilderten Merkmale und Vorteile der Anlage 100, die zur Auftrennung eines C3 umfassenden Einsatzstromes 1 gelten für C4 entsprechend. Die dazu eingestellten Temperaturniveaus können sich dabei jedoch unterscheiden.
Es ist zu erwähnen, dass bei jedem Kühlschritt auch, je nach Energiebilanz und - bedarf, mehrere Tauscher eingesetzt werden können, d.h., dass die jeweiligen abzukühlenden und anzuwärmenden Ströme auch auf 2, 3, 4 oder mehr Tauscher verteilt werden können.
Ferner ist anzumerken, dass das Verfahren nicht auf die hier erläuterten zwei Kühlschritte beschränkt ist. d.h., es können auch zusätzlich dazu noch ein, zwei oder mehr Zwischentemperaturniveaus (beispielsweise bei ca. -50 ℃ bis -90 ℃) und ein, zwei oder mehr weitere Wärmetauscher und entsprechende Abscheidevorrichtungen zum Einsatz kommen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6333445 B1 [0004]

Claims

Verfahren zur Auftrennung eines zumindest Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff mit drei bis vier Kohlenstoffatomen pro Molekül enthaltenden Einsatzstromes (1), der aus einem Rohstoffstrom (18) gebildet wird, wobei der Einsatzstrom (1) in verdichtetem Zustand unter Verwendung zumindest zweier Kühler (120, 130), die auf zueinander unterschiedlichen Temperaturniveaus betrieben werden, über zumindest zwei Kühlschritte unter Erhalt zumindest zweier Kondensatströme (7, 8, 9) und zumindest zweier Restgasströme (3, 5, 11) teilweise verflüssigt wird, wobei der Restgasstrom (3, 5) eines Kühlschrittes jeweils in den darauffolgenden Kühlschritt eingespeist wird, und wobei jeder Kondensatstrom (7, 8, 9) gegenüber dem Einsatzstrom (1) an Wasserstoff abgereichert und an dem Kohlenwasserstoff angereichert wird und jeder Restgasstrom (3, 5, 11) gegenüber dem Einsatzstrom (1) an Wasserstoff angereichert und an dem Kohlenwasserstoff abgereichert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (13) zumindest eines der Kondensatströme (7, 8, 9) mit einem Teil (14) zumindest eines der Restgasströme (11) unter Entspannung zusammengeführt und als internes Kältemittel (15) für zumindest einen der Kühlschritte bzw. Kühler (120, 130) verwendet und zumindest teilweise zu dem Einsatzstrom (1) zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei zumindest ein erster Kühlschritt auf ein mittleres Temperaturniveau, das in einem Bereich von -40 ℃ bis +10 ℃, vorzugsweise von -40 ℃ bis -10 ℃, liegt und zumin dest ein zweiter Kühlschritt auf ein niedriges Temperaturniveau, das in einem Bereich von -130 ℃ bis - 80 ℃, vorzugsweise von -110 ℃ bis -90 ℃, liegt, erfolgen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei zur Erreichung zumindest des niedrigen Temperaturniveaus nur aus dem Rohstoffstrom (18) gebildete Stoffströme (11, 13, 14, 15, 16, 18), verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 wobei zur Erreichung des mittleren Temperaturniveaus ein nicht verfahrensintern bereitgestelltes Kältemittel (21) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der erste und der zweite Kühlschritt durch Gegenstromwärmetausch erfolgen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der Restgasstrom (5) des zweiten Kühlschrittes unter Erhalt weiterer Kondensat- (9) und Restgasströme (11) zumindest einer Expansion unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das interne Kältemittel (15) aus einem Teil (13) zumindest eines der Kondensatströme (8) und einem Teil (14) zumindest eines der Restgasströme (11) gebildet wird, wobei der Kondensatstrom (8) in einem Verfahrensschritt gebildet wird, der stromauf des Verfahrensschrittes erfolgt, in dem der Restgasstrom (11) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei mehrere oder alle Kondensatströme (7, 8, 9) jeweils zumindest teilweise zu einem Sammelstrom zusammengefasst werden, und der Sammelstrom unter Bildung eines Flash-Gases (12) und eines Flüssigproduktstromes (10) einer Gasabscheidung unterworfen wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Flüssigproduktstrom (10), ein überwiegend Wasserstoff enthaltender Gasproduktstrom (20), der aus einem Teil zumindest eines der Restgasströme gebildet wird, und das Flash-Gas (12) auf ein Temperaturniveau erwärmt werden, das dem Temperaturniveau des Einsatzstromes (1) entspricht.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Flash-Gas (12) zumindest teilweise in den Einsatzstrom (1) zurückgeführt wird.
Anlage (100) zur Auftrennung eines zumindest Wasserstoff und einen Kohlenwasserstoff mit drei bis vier Kohlenstoffatomen pro Molekül enthaltenden Einsatzstromes (1) mit zumindest zwei Wärmetauschern (120, 130), von denen zumindest einer (120) auf einem mittleren und zumindest einer (130) auf einem niedrigen Temperaturniveau betreibbar ist, und die dazu eingerichtet sind, den Einsatzstrom (1) nach dem Gegenstromprinzip zu kühlen, und mit zumindest zwei Phasentrennvorrichtungen (142, 144, 146, 148), die jeweils dazu eingerichtet sind, einen teilweise verflüssigten Strom (2, 4, 6) in einen Kondensatstrom (7, 8, 9) und einen Restgasstrom (3, 5, 11) aufzuspalten, gekennzeichnet durch Mittel, die dazu eingerichtet sind, einen Teil (13) zumindest eines der Kondensatströme (7, 8, 9) mit einem Teil (14) zumindest eines der Restgasströme (5, 11, zu einem internen Kältemittel (15) unter Entspannung zu vereinigen und das interne Kältemittel (15) zumindest einem der Wärmetauscher (120, 130) zuzuführen.
Anlage (100) nach Anspruch 11, die ferner Mittel aufweist, die die Anlage (100) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 ertüchtigen.