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Verfahren zur Entfernung von Russ aus Gasen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Entfernung von Russ aus Gasen, insbesondere aus Gasen, die nur einen geringen Prozentsatz an Russ enthalten.
Das Verfahren kann z. B. zur Entfernung von Russ aus Synthese-Gas angewendet werden, das man durch teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft, gegebenenfalls in Gegenwart von Dampf, erhält. Ein derartiges Synthese-Gas enthält zur Hauptsache Wasserstoff und Kohlenmonoxyd und einen geringeren Anteil an Russ.
Bekanntlich entfernt man Russ aus Gasmischungen durch Injektion von feinverteiltem Wasser in das Gas. Ein Zweistufen-Waschverfahren dieser Art ist z. B. in der österr. Patentschrift Nr. 205010 beschrieben.
Wenn die zu reinigenden Gasmischungen eine hohe Temperatur aufweisen, wird durch die Zugabe von Wasser vor allen Dingen das Gas abgekühlt, wobei das Wasser vollständig verdampft. Erst wenn der Taupunkt erreicht ist, entsteht durch weitere Zugabe von Wasser eine Suspension von Russ in Wasser. Es wurde jedoch festgestellt, dass die Zugabe von Wasser nach dem Erreichen des Taupunktes ein recht wirkungsloses Verfahren zur Entfernung von Russ aus Gasen darstellt, da man grosse Mengen von Wasser zur praktisch vollständigen Entfernung von Russ aus den Gasmischungen benötigt, wodurch ziemlich verdünnte Russsuspensionen anfallen.
Unter dem Taupunkt versteht man diejenige Temperatur, bei der sich der Wasserdampf in der Gasmischung zu kondensieren beginnt. Da die Menge an Wasserdampf in der Gasmischung infolge der Injektion von Kühlwasser ansteigt, während gleichzeitig das Abfallen der Temperatur der Gasmischung von der Temperatur des Kühlwassers abhängt, hängt die Temperatur, bei der die erste Kondensation des Wasserdampfes erfolgt, sowohl von der Temperatur als auch vom Wasserdampfgehalt der ursprünglichen Gasmischung wie auch von der Temperatur des Kühlwassers ab.
Überraschenderweise wurde nun festgestellt, dass man den Russ wirksamer und mit weniger Wasser entfernen kann, wenn man die Dampfinjektion nach der Waschbehandlung mit dem feinzerteilten Wasser anwendet. Die vorliegende Erfindung bezieht sich daher auf ein Verfahren zur Entfernung von Russ aus Gasen, wobei man Wasser in russhaltiges Gas bis zur Sättigung zusetzt, gleichzeitig das Gas auf eine Temperatur von weniger als 40 C unter dem Taupunkt abkühlt, hierauf eine praktisch vollständige Abtrennung der entstehenden wässerigen Russsuspension und mitgerissener Wassertröpfchen aus dem Gas bewirkt, worauf man dem Gas gesättigten Dampf zusetzt, im Anschluss daran das Gas durch direkten oder indirekten Wärmeaustausch weiter abkühlt. Durch Anwendung dieser Massnahmen wird das Gas praktisch vollständig vom Russ befreit.
Die günstigen Ergebnisse des erfindunggemässen Verfahrens lassen sich durch die Annahme erklären, dass die Entfernung von Russ vor allem darauf beruht, dass die Russteilchen als Kondensationskeime für den Wasserdampf wirken, so dass mit der Zeit jedes Russteilchen von einem Wasserfilm überzogen wird. Bei fortschreitendem Abkühlen und Kondensieren des Wasserdampfes wächst der Wasserüberzug auf den Russteilchen derartig, dass das Wasser leicht aus dem Gas entfernt werden kann. Es wurde jedoch festgestellt, dass nach dem Sättigen des Gases mit Wasserdampf eine weitere Injektion von feinzerteiltem Wasser nur von geringem Nutzen ist, da zur vollständigen Entfernung von Russ grosse Mengen an Wasser notwendig sind.
Es bestehen Gründe zu der Annahme, dass bei der weiteren Injektion von Wasser über den Taupunkt hinaus der Wasserdampf sich vorwiegend an den Wassertröpfchen kondensiert, die im Vergleich zu den Russteilchen kühl sind, mit dem Ergebnis, dass diejenigen Teilchen, an denen sich anfänglich kein Wasser kondensiert hat, wenn der Taupunkt erreicht ist, im allgemeinen nur mit Hilfe sehr grosser Wassermengen entfernt werden können. Aus diesem Grunde ist es beim erfindungsgemässen Verfahren wesentlich, dass alle Flüssigkeitströpfchen, die im Gas vorliegen, nach Beendigung der anfänglichen
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Wasserwäsche praktisch vollständig entfernt wer- den. Durch die Entfernung der Wassertröpfchen vor der Injektion des gesättigten Dampfes wird sich dieser Dampf anfänglich gleichmässig auf allen Russteilchen kondensieren.
Infolge dieser anfänglich gleichmässigen Kondensation auf den Russteilchen ist es möglich, das Gas einer zweiten Wasserwäsche zu unterwerfen, ohne Gefahr zu laufen, dass der Wasserdampf, anstatt auf den Russteilchen, vorwiegend auf den Wassertröpfchen des Sprays kondensiert, wodurch wieder sehr grosse Wassermengen zur vollständigen Entfernung des Russes notwendig wären. Diese zu Beginn recht gleichmässige Kondensation des Wasserdampfes auf allen Russteilchen ermöglicht die Entfernung von Russ mit viel weniger Wasser, als es bisher der Fall war.
Gemäss einer andern Ausführungsform der Erfindung wird das Gas nach der Dampfinjektion indirekt mit Hilfe eines zweiten Wassersprays abgekühlt. Da in diesem Falle zu Beginn eine gleichmässige Kondensation auf den Russteilchen erfolgt, bewirkt die weitere Abkühlung des Gases einen allmählichen Aufbau von Wasserfilmen um die einzelnen Russteilchen, so lange, bis benachbarte Russteilchen "zusammenfliessen" und sich aus dem Gas abscheiden.
Um eine innige Berührung des Wassers mit dem russhaltigen Gas zu erzielen, wird das Wasser vorzugsweise in das Gas versprüht.
Das Zusammenbringen des frischen Gases mit Wasser in der ersten Stufe kann im Gegenstrom in einer senkrecht stehenden Waschzone vorgenommen werden, in die von oben Wasser feinzerteilt versprüht wird und die gebildete wässerige Russsuspension vom Boden abgezogen wird. Die Gase, die die Waschzone im oberen Teil oder in der Nähe des oberen Teiles verlassen, reissen im allgemeinen Wassertröpfchen mit sich, die gegebenenfalls Russ suspendiert enthalten. Wie bereits oben erwähnt, sollten diese Tröpfchen in einer geeigneten Abtrennzone praktisch vollständig entfernt werden. Zweckmässigerweise kann die Abtrennzone, die der Dampfinjektion vorhergeht, aus einer Reihe von Prallplatten bestehen, die im Strömungswege des mit Wasser gewaschenen Gases angeordnet sind, z. B. im oberen Teil des Turmes der Waschzone.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, das gewaschene Gas durch einen Zyklon zu leiten.
Das Zusammenbringen des Wassers mit dem Gas kann auch im Gleichstrom vorgenommen werden, z. B. indem man Wasser in das Gas durch eine oder mehrere Sprühdüsen einspritzt und die entstehende Mischung von Gas, Flüssigkeit und Russ durch einen Abscheider, z. B. einen Zyklon oder eine Kombination von Zyklonen leitet, um sowohl die wässerige tröpfchenförmige Russsuspension als auch russfreie Wassertröpfchen aus dem Gas abzutrennen.
Mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens ist es möglich, den Russgehalt von russhaltigem Gas auf einen Wert zu erniedrigen, der sonst nur mit ausserordentlich grossen Mengen von Waschwasser zu erreichen wäre. Auf diese Weise erhält man Russ in Form von viel höher kondensierten Russsuspensionen, als es bisher der Fall war.
Dies ist besonders wichtig im Fall der Entfernung von Russ aus Synthese-Gas, das durch teilweise Verbrennung von normalerweise gasförmigen Kohlenwasserstoffen erhalten wird, z. B. Erdgas, bei dem nur ein sehr geringer Anteil an Russ erzeugt wird. Gegen alle Erwartung wurde festgestellt, dass es sehr schwierig ist, den geringen Anteil an Russ durch Anwendung der üblichen Wasserwäschemassnahmen praktisch vollständig zu entfernen, dass jedoch das vorliegende Verfahren bei der Verarbeitung dieser Gase wesentlich überlegene Ergebnisse liefert.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist zwar vor allen Dingen von Bedeutung bei seiner Anwendung auf russhaltige Gasmischungen, die durch teilweise Verbrennung von normalerweise gasförmigen, flüssigen oder festen Kohlenwasserstoffen erhalten werden, jedoch ist es selbstverständlich, dass dieses Verfahren auch auf Gasmischungen angewendet werden kann, die nach andern Methoden erhalten wurden. Beispielsweise erhält man derartige Gasmischungen bei der katalytischen oder nicht-katalytischen Umwandlung von Erdgas oder Raffineriegas mit Dampf, beim Cracken höherer Kohlenwasserstoffe, insbesondere bei der Herstellung von Äthylen.
Das erfindungsgemässe Verfahren lässt sich sowohl bei Atmosphärendruck als auch bei erhöhtem Druck durchführen. Der bevorzugt angewendete Druck liegt bei mindestens 5 atm, insbesondere bei 10-30 atm. Die Anwendung von erhöhtem Druck ist besonders vorteilhaft, wenn die zu behandelnde Gasmischung durch teilweise Verbrennung von Kohlenwasserstoffen erhalten wurde. Derartige Verfahren der partiellen Verbrennung werden vorzugsweise bei erhöhtem Druck vorgenommen, so dass es günstig ist, den gleichen Druck anzuwenden, wenn man die entstehenden Gase zur Entfernung des gebildeten Russes nach dem erfindungsgemässen Verfahren weiterbehandelt.
Wenn die zu verarbeitenden Gase eine sehr hohe Temperatur aufweisen, kann man sie zunächst vor der ersten Wasserwäsche durch indirekten Wärmeaustausch auf etwa 150-500 C, vorzugsweise auf etwa 200-3500 C abkühlen, Dieses Abkühlen wird am besten dadurch erreicht, dass man die Verbrennungsgase durch einen Dampfkessel leitet. Durch Erniedrigung der Temperatur der heissen Gase vor der Wäsche ist zur Entfernung der Gase vom Russ in der Wäsche noch weniger Wasser notwendig. Die bei der anfänglichen Wasserzugabe einzuhaltende Temperatur sollte weniger als 400 C unter dem Taupunkt, vorzugsweise weniger als 10 C unter diesem Punkt liegen.
Die Menge an Sattdampf zur Erzielung einer gleichmässigen Kondensation von Dampf auf den Russteilchen variiert beträchtlich. Dies hängt
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von verschiedenen Faktoren ab, z. B. dem Russgehalt und dem Betriebsdruck. Im allgemeinen genügt etwa 10-200 kg Dampf je 100 kg trockenes Gas mit normalem Russgehalt.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Ein geeigneter Kohlenwasserstoff wird durch das Rohr 10 in die Verbrennungskammer eines Synthesegas-Generators 12 eingeführt. Der Kohlenwasserstoff wird im Generator mit einem gasförmigen Oxydationsmittel, wie Luft oder Sauerstoff, die durch das Rohr 14 zugeführt werden, innig vermischt und verbrannt. Es kann auch erwünscht sein, Dampf zuzuführen, und in diesem Falle kann man den Dampf durch das Sauerstoffzufuhrrohr zugeben.
Die Verbrennungsgase, die eine Temperatur von etwa 1300 C aufweisen, gelangen durch die Leitung 16 in den Wärmeaustauscher 17, der ein Dampfkessel sein kann. Hier werden die heissen Gase auf eine Temperatur von z. B. 250 C abgekühlt. Die abgekühlten Gase verlassen den Dampfkessel und treten durch eine Leitung 19 in den unteren Teil eines Waschturmes 20 ein.
Die Gase kommen bei ihrem Weg aufwärts mit dem abwärts gerichteten Wasserspray in Berührung, der durch eine Reihe von Düsen 22 erzeugt wird. Das Wasser wird den Düsen durch eine Leitung 24 zugeführt. Ein grösserer Anteil des Russes wird aus dem aufsteigenden Synthesegas ausgewaschen und in Form einer wässerigen Russsuspension vom Boden des Waschturmes durch ein Rohr 26 abgeführt. Der Gasstrom trifft oberhalb der Sprühdüsen im Waschturm auf verschiedene Prallplatten 28, durch die praktisch der letzte Rest der Wassertröpfchen entfernt wird. Man erhält einen mit Wasserdampf gesättigten Gasstrom, der den oberen Teil des Turmes durch das Rohr 30 verlässt, das in einen zweiten Wäscher 33 führt. Entlang dem Rohr 30 sind Einrichtungen zur Einführung von Sattdampf durch das Rohr 34 in den Gasstrom vorgesehen.
Der mit Dampf beladene Gasstrom tritt in die zweite Waschanlage von unten ein und strömt aufwärts dem herabsprühenden Wasser entgegen, das aus einer Reihe von Düsen 36 austritt. Dieser zweite Wasserspray kühlt die Gasmischung weiter ab und fördert dadurch die Kondensation des Wasserdampfes auf den Russteilchen derart, dass die Russteilchen nun durch das Waschwasser leicht entfernt werden können. Gegebenenfalls kann ein Teil der erhaltenen wässerigen Russsuspension im Kreislauf dem ersten oder dem zweiten Waschturm wieder zugeführt werden.
In einer andern Ausführungsform wird der zweite Wäscher durch einen indirekten Wärmeaustauscher ersetzt, in dem das mit Dampf beladene Synthesegas ohne direkte Zugabe von Wasser abgekühlt wird, wobei beim Abkühlen der Wasserdampf sich auf den Russteilchen niederschlägt, so dass sie schliesslich zusammen- fliessen" und sich aus dem Gas abscheiden.
Beispiel : In diesem Beispiel wird die Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens zur Entfernung von Russ aus einer Gasmischung von Wasserstoff und Kohlenmonoxyd beschrieben, die durch teilweise Verbrennung eines Kohlenwasserstofföls mit reinem Sauerstoff erhalten wurde.
Das aus dem Gasgenerator unter einem Druck
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abgekühlt. Der Gasstrom enthält 130 kg Wasserdampf je 1000 kg trockenes Gas zusammen mit etwa 6 kg Russ.
Das aus dem Wärmeaustauscher austretende Gas wird in einem senkrecht stehenden Waschturm mit 320 kg Wasser von 30 C je 1000 kg trockenes Gas gewaschen. 32 kg des Wassers verdampfen in das Gas, während 288 kg Wasser in Form einer wässerigen Russsuspension vom Boden des Waschturmes abgezogen werden. In der Russsuspension sind 5, 970 g Russ enthalten. Das aus dem Waschturm austretende Gas weist eine Temperatur von etwa 1400 C auf, die etwa 8 C unterhalb des Taupunktes liegt (1480 C).
Gesättigter Dampf bei einer Temperatur von 235 C, entsprechend einem Druck von 31 I kgf cm 2, wird dem mit Wasser gewaschenen Gas in einer Menge von 80 kg Dampf je 1000 kg trockenes Gas zugesetzt. Das Gas wird nach der Wasserwäsche und vor der Dampfinjektion durch eine Abtrennzone geleitet, um praktisch alle mitgerissenen Wassertröpfchen aus dem Gas zu entfernen.
Nach der Injektion des Dampfes wird das Gas durch indirekten Wärmeaustausch auf 200 C abgekühlt. Bei der Abkühlung kondensieren 241 kg Wasser zusammen mit 29 g Russ, bezogen auf 1000 kg trockenes Gas. Das hiebei erhaltene Gas enthielt noch etwa l g Russ je 1000 kg trockenes Gas.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Entfernung von Russ aus Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass man russhaltiges Gas bis zur Sättigung mit Wasser versetzt und gleichzeitig das Gas auf eine Temperatur von weniger als 400 C unter dem Taupunkt abkühlt, die entstehende wässerige Russsuspension und mitgerissene Wassertröpfchen praktisch vollständig vom Gas abtrennt, hierauf dem Gas gesättigten Dampf zusetzt und dann das Gas durch direkten oder indirekten Wärmeaustausch weiter abkühlt.