DE60003123T2 - Entfernung von sauren Gasen durch ein mit Stickstoff regeneriertes Absorptionsmittel - Google Patents

Entfernung von sauren Gasen durch ein mit Stickstoff regeneriertes Absorptionsmittel Download PDF

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Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf die Verwendung von chemischem Lösungsmittel für die Entfernung von saurem Gas von einem Verfahrensstrom und die nachfolgende Regenerierung des chemischen Lösungsmittels, so dass es für eine weitere Entfernung von saurem Gas wieder verwendet werden kann.
  • Stand der Technik
  • Viele chemische Herstellungsverfahren benutzen regenerierbare chemische Lösungsmittel zur Entfernung saurer Gase von Produktströmen oder anderen Verfahrensströmen. Typischerweise werden solche chemischen Lösungsmittel unter Verwendung von Dampf als ein Strippmedium und als eine Wärmequelle für die endothermischen chemischen Reaktionen zwecks Wiederverwendung regeneriert. Derartige Regenerationssysteme sind, obgleich effizient, energieintensiv.
  • Andere Verfahren zum Entfernen von saurem Gas unter Verwendung eines regenerierten chemischen Lösungsmittels sind zum Beispiel aus GB-A-1 292 122 und US-A-4 282 194 bekannt.
  • Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines Systems zum Regenerieren chemischer Lösungsmittel, die zur Entfernung von saurem Gas aus einem Verfahrensstrom verwendet worden sind, wobei das System für eine solche Regenerierung energieeffizienter als konventionellerweise benutzte Systeme ausfällt.
  • Zusammenfassung der Endung, Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die in den Ansprüchen 1 und 7 charakterisiert ist.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kolonne" eine Destillations- oder Fraktionierkolonne oder -zone, d.h. eine Kontaktkolonne oder -zone, in der flüssige und dampfförmige Phasen im Gegenstrom in Kontakt gebracht werden, um eine Trennung eines Fluidgemisches zu bewirken, z.B. indem die dampfförmige und die flüssige Phase an einer Reihe von vertikal in Abstand innerhalb der Kolonne angebrachten Böden oder Platten und/oder an Packungselementen wie z.B. strukturierter oder Zufallspackung in Kontakt gebracht werden.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Absorptionskolonne" eine Kolonne, in der ein geeignetes chemisches Lösungsmittel selektiv saures Gas von einem Gasgemisch absorbiert.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Stripkolonne" eine Kolonne, in welcher der Stoffübergang zwischen Flüssig- und Gasphasen relativ zu chemischen Reaktionen dominiert und der zu einem selekti ven Stoffübergang einer flüchtigeren Komponente eines nach unten strömenden Flüssigkeitsgemisches in einen nach oben strömenden Dampf führt.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Regenerationskolonne" eine Kolonne, in der gleichzeitige Flüssigphasenreaktionen und der Stoffübergang zwischen Flüssigkeits- und Gasphasen zu der Regenerierung von mit saurem Gas beladenem chemischem Lösungsmittel führen.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Stickstoffgas" ein Fluid, das mindestens 95 Mol.% Stickstoff auf Trockenbasis aufweist.
  • Wie hier verwendet bezeichnen die Begriffe "oberer Abschnitt" und "unterer Abschnitt" diejenigen Abschnitte einer Kolonne, die über bzw. unter dem Mittelpunkt der Kolonne liegen.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "indirekter Wärmeaustausch" das Verbringen zweier Fluide in eine Wärmeaustauschbeziehung ohne jeden physikalischen Kontakt oder ein Vermischen der Fluide miteinander.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Aufkocher" eine Vorrichtung, die aus Kolonnenflüssigkeit in der Kolonne nach oben strömenden Dampf erzeugt.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "saures Gas" ein Gas, das sich in Wasser löst und eine säurehaltige Lösung erzeugt.
  • Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff. "chemisches Lösungsmittel" ein Lösungsmittel, das mittels Absorption mit einer Reaktion mit einer in dem Lösungsmittel vorliegenden chemischen Base selektiv Säure von einem gasförmigen Gemisch entfernt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des chemischen Lösungsmittel-Regenerationssystems dieser Erfindung.
  • 2 ist eine schematische Darstellung einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des chemischen Lösungsmittel-Regenerationssystems dieser Erfindung.
  • 3 ist eine schematische Darstellung einer zusätzlichen bevorzugten Ausführungsform des chemischen Lösungsmittel-Regenerationssystems dieser Endung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Im allgemeinen weist die Erfindung eine Anordnung auf, durch die Stickstoffgas effizient zum Abtrennen von saurem Gas aus einem chemischem Lösungsmittel verwendet werden kann, um sauberes chemisches Lösungsmittel zu erzeugen. Durch die Verwendung von Stickstoffgas auf diese Weise können energieintensive Schritte wie z.B. das Dampfstrippen und Erwärmen des mit saurem Gas beladenen Lösungsmittels reduziert oder beseitigt werden.
  • Die Erfindung wird mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben werden. Nun auf die 1 Bezug nehmend wird saures Gas aufweisendes Einsatzgas in einem Strom 1 in den unteren Abschnitt einer Absorptionskolonne 100 eingespeist. Typischerweise liegt dieses Einsatzgas bei einem Druck in dem Bereich von 3,4 bis 103,4 bar (50 bis 1500 psia) und bei einer Temperatur von Umgebungstempera tur, z.B. 21,1° C (70 °F), bis etwa 126,7 °C (260 °F) vor. Typischerweise weist das saure Gas von etwa 1 bis 30 Mol.% der Zusammensetzung des Gases in dem Strom 1 auf, der in die Kolonne 100 eingeleitet wird.
  • In den Herstellungsverfahren für Ethylenoxid und Vinylacetatmonomer enthält das Einsatzgas saures Gas mit Gemischen von Ethylen, Ethan, Methan, Sauerstoff, Stickstoff, Argon und Wasserdampf; und das saure Gas ist Kohlendioxid. In Erdölverarbeitungsverfahren weist das Einsatzgas saures Gas mit Gemischen von Kohlenwasserstoffen, Wasserstoff, Stickstoff und Wasserdampf auf; und das saure Gas ist Schwefelwasserstoff oder Kohlendioxid oder Gemische daraus. In Erdgasbehandlungsverfahren enthält das Einsatzgas saures Gas mit Gemischen von Kohlenwasserstoffen, Stickstoff und Wasserdampf; und das saure Gas ist Schwefelwasserstoff oder Kohlendioxid oder Gemische davon. Das Einsatzgas von der Vergasung von Kohle, Öl, Ölkoks und gasförmigen Brennstoffen weist saures Gas mit Gemischen von Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Stickstoff, Argon und Wasserdampf auf, und das saure Gas ist Kohlendioxid oder Schwefelwasserstoff oder Gemische davon.
  • Mit Bezug auf 1 wird dieses Einsatzgas mit einem chemischen Lösungsmittel behandelt, das in den oberen Abschnitt der Absorptionskolonne 100 in einem Strom 12 eingespeist wird. Unter den in der Praxis dieser Erfindung verwendbaren chemischen Lösungsmitteln können Alkalisalzlösungen wie z.B. Natriumcarbonatlösung und Kaliumcarbonatlösung, Ethanolamine wie z.B. Monoethanolamin (MEA), Diethanolamin (DEA), Methyldiethanolamin (MDEA) und ähnliches angeführt werden. Die chemischen Lösungsmittel könnten auch andere Chemikalien enthalten, die (a) als Katalysatoren zur Förderung der Absorptionsrate, (b) als Inhibitoren zur Vermeidung eines Zerfalls von chemischem Lösungsmittel, und (c) als Korrosionsinhibitoren dienen. Die optimale Auswahl des chemischen Lösungsmittels hängt von der Einsatzgaszusammensetzung, dem Einsatzgasdruck und den Anforderungen an die Konzentration des sauren Gases in dem behandelten Gas ab.
  • Illustrativer Zwecke halber wird die Erfindung mit Bezug auf 1 in Zusammenhang mit derjenigen Ausführungsform beschrieben werden, in der das Gas in dem Strom 1 Ethylen, Ethan, Methan, Sauerstoff Stickstoff und Wasserdampf aufweist und das saure Gas Kohlendioxid ist, wobei der Druck im allgemeinen in dem Bereich von 3,4 bis 34,5 bar (50 bis 500 pound pro inch2 absolut (psia)) und die Temperatur im allgemeinen in dem Bereich von Umgebungstemperatur bis 115,6° C (240° F) liegt.
  • Chemisches Lösungsmittel wird in dem Strom 12 in den oberen Abschnitt der Absorptionskolonne 100 eingespeist. In der in Zusammenhang mit 1 erläuterten spezifischen Ausführungsform ist das chemische Lösungsmittel in dem Strom 12 Kaliumcarbonat in Lösung, im allgemeinen von 15 bis 40 Gew.-% und typischer von 20 bis 30 Gew.-%, sowie bei einer erhöhten Temperatur, die im allgemeinen in dem Bereich von 26,7° C bis 126,7° C (80° F bis 260 F) und vorzugsweise von 37,8° C bis 93,3° C (100° F bis 200° F) liegt.
  • Von dem Strom 1 stammendes Gas strömt im Gegenstromstoffaustausch mit nach unten strömendem chemischem Lösungsmittel nach oben durch die Kolonne 100 und in dem Verfahren wird saures Gas von dem Einsatzgas zu dem chemischen Lösungsmittel übertragen, um sauberes Einsatzgas und beladenes chemisches Lösungsmittel zu erzeugen. Das gereinigte Einsatzgas wird zur Gewinnung in einem Strom 2 von dem oberen Abschnitt der Absorptionskolonne 100 abgezogen. In dem illustrativen Beispiel löst sich Kohlendioxid in der Kaliumcarbonatlösung, während der Durchfluss im Gegenstrom innerhalb der Kolonne 100 Kohlensäure ausbildet, die anschließend mit dem Kaliumcarbonat zur Ausbildung von Kaliumbicarbonat reagiert. Das Ausmaß der Umwandlung von Kaliumcarbonat zu Kaliumbicarbonat wird durch das chemische Gleichgewicht der ionischen Reaktionen bestimmt. Die sich ergebende an Kaliumbicarbonat reiche Lösung ist das beladene chemische Lösungsmittel. Dieser Prozess ist exotherm und führt zu einem Temperaturanstieg innerhalb der Absorptionskolonne 100. Die resultierende heiße kaliumbicarbonatreiche Lösung wird von dem unteren Abschnitt der Absorptionskolonne 100 in einem Strom 3 abgezogen, im Druck mittels Durchleiten durch ein Druckablassventil 101 reduziert und anschließend in einem Strom 4 in den oberen Abschnitt der Regenerationskolonne 102 eingespeist.
  • Die Regenerationskolonne 102 wird bei einem Druck betrieben, der im allgemeinen in dem Bereich von 0,14 bis 3,4 barg (2 bis 50 pound pro inch2 gauge (psig)) und vorzugsweise in dem Bereich von 0,34 bis 0,7 barg (5 bis 10 psig) liegt. Beim Eintritt des beladenen chemischen Lösungsmittels in den Strom 4 in die Regenerationskolonne 102 wird ein Teil einer Flash-Verdampfung unterzogen und setzt saures Gas, z.B. Kohlendioxid, und Wasserdampf frei, um nach oben zu strömen und teilweise beladenes chemisches Lösungsmittel, z.B. kaliumbicarbonatreiche Lösung, für eine Abwärtsströmung im Gegenstrom mit aufsteigenden Dämpfen innerhalb der Regenerationskolonne 102 zu hinterlassen, was nachstehend ausführlicher beschrieben werden wird.
  • Das sich in dem Sumpf der Kolonne 102 ansammelnde teilweise beladene chemische Lösungsmittel wird in einer Leitung 20 zu einem Aufkocher 6 geleitet, wo es mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem Verfahrensfluid wie z.B. Dampf bei einem Druck von weniger als 10,3 barg (150 psig) und vorzugsweise bei einem Druck von etwa 2,1 barg (30 psig) erwärmt wird. Das erwärmte teilweise beladene chemische Lösungsmittel wird anschließend in einem Strom 21 zu der Kolonne 102 zurückgeführt, wodurch dem unteren Abschnitt der Kolonne 102 Wärme bereitgestellt wird. In dem illustrativen Beispiel führt das Erwärmen der Kaliumbicarbonat-Lösung zu der Umwandlung des Kaliumbicarbonats zu Kaliumcarbonat und ebenfalls zu dem Aufsieden eines Teils des flüssigen Wassers zu Wasserdampf, um durch die Kolonne 102 als aufsteigender Dampf nach oben zu strömen.
  • Das erwärmte teilweise beladene chemische Lösungsmittel, z.B. Kaliumcarbonat und Kaliumbicarbonatlösung mit darin gelöstem Kohlendioxid, wird von dem unteren Abschnitt, vorzugsweise dem Sumpf der Regenerationskolonne 102 in einem Strom 5 in eine Stripkolonne 107 geleitet, die typischerweise 2 bis 10 theoretische Gleichgewichtsstufen und vorzugsweise 2 bis 5 theoretische Gleichgewichtsstufen aufweist. Stickstoffgas wird in einem Strom 7 in den unteren Abschnitt der Stripkolonne 107 eingeführt. Das Stickstoffgas weist typischerweise eine Temperatur in dem Bereich von 21,1°C bis 121,1°C (70 bis 250° F) und einen Druck auf, der typischerweise in dem Bereich von 0,34 bis 3,4 barg (5 bis 50 psig) und vorzugsweise von 0,7 bis 2,1 barg (10 bis 30 psig) liegt. Die Durchflussrate des Stickstoffgases entspricht 0,5 bis 3 pound Mol und vorzugsweise 1 bis 2 pound Mol an Stickstoff pro pound Mol von Kohlendioxid in dem Einsatzgas. Das Stickstoffgas kann von einer Luftzerlegungsanlage wie z.B. einer kryogenen Luftzerlegungsanlage oder von einer Luftzerlegungsanlage stammen, die eine Adsorptions- oder Membrantechnologie benutzt. Vorzugsweise stammt das Stickstoffgas von einer kryogenen Luftzerlegungsanlage, die ebenfalls Sauerstoff erzeugt, der in einem anderen Vorgang der gesamten Anlage wie z.B. für eine chemische Oxidation oder für Verbrennungszwecke verwendet wird.
  • Innerhalb der Stripkolonne 107 fließt das nach unten strömende erwärmte und teilweise beladene chemische Lösungsmittel in einem Gegenstromstoffaustausch mit nach oben fließendem Stickstoffgas, wodurch saures Gas, z.B. Kohlendioxid, von dem Lösungsmittel in dem Stickstoffgas herausgestrippt wird, um angesäuertes Stripgas in dem oberen Abschnitt der Stripkolonne 107 und regeneriertes chemisches Lösungsmittel in dem unteren Abschnitt der Stripkolonne 107 zu erzeugen. Das regenerierte chemische Lösungsmittel wird von dem unteren Abschnitt der Stripkolonne 107 in einem Strom 22 abgezogen und gewonnen. In der in 1 illustrierten Ausführungsform der Endung wird zusätzliches chemisches Lösungsmittel, chemisches Zusatzlösungsmittel, in dem Strom 11 mit dem gesamten Strom 22 oder einem Teil davon zur Ausbildung eines Stroms 23 kombiniert, der durch eine Pumpe 105 gepumpt wird, um den Strom 12 auszubilden, der in die Absorptionskolonne 100 eingespeist wird, um dort wie oben beschrieben angewendet zu werden. Auf diese Weise wird das durch die Erfindung erzeugte regenerierte chemische Lösungsmittel direkt innerhalb des Systems wieder verwendet.
  • Das angesäuerte Stripgas, das hauptsächlich Stickstoff und saures Gas aufweist, wird von dem oberen Abschnitt der Stripkolonne 107 in einem Strom 24 in den unteren Abschnitt der Regenerationskolonne 102 und anschließend in der Kolonne 102 als aufsteigender Dampf in Kontakt mit nach unten strömendem, teilweise beladenem chemischem Lösungsmittel geführt. Die aufsteigenden Dämpfe innerhalb der Kolonne 102 sammeln sich in dem oberen Abschnitt der Kolonne 102 an und werden von dort in einem Strom 9 abgezogen, der hauptsächlich Stickstoff, Wasserdampf und saures Gas aufweist. Der Strom 9 wird in einem Kühler 25 mittels indirektem Wärmeaustausch mit einem Kühlfluid, z.B. Kühlwasser, gekühlt, und mindestens ein Teil des Wasserdampfs wird kondensiert. Ein sich ergebender zweiphasiger Strom 26 wird in einen Phasenseparator 27 eingespeist, wo er in einen von dem System in dem Strom 10 entfernten Dampfteil und in einen flüssigen Teil getrennt wird, der in einem Strom 28 zu der Kolonne 102 zurückgeführt wird.
  • 2 illustriert eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, in der die Stripkolonne und die Regenerationskolonne in einer einzigen Anlagenbaugruppe kombiniert und umschlossen sind. Das Verfahren des Betriebs der in 2 dargestellten Ausführungsform ist ähnlich wie das in der Ausführungsform von 1 dargestellte Verfahren und wird nicht erneut ausführlich beschrieben werden. Die Bezugszeichen sind für die allgemeinen Elemente in 2 die Gleichen wie diejenigen in 1.
  • Die in 2 illustrierte Ausführungsform stellt einen Verfahrensunterschied gegenüber dem in 1 dargestellten Verfahren dar, als dass wahlweise ein Teil 30 des Stroms 20 aus teilweise beladenem chemischem Lösungsmittel nicht zu dem Aufkocher 6 geleitet wird, sondern stattdessen mittels Durchleiten durch eine Pumpe 106 auf einen höheren Druck gepumpt und anschließend als ein Strom 13 bei einem Zwischenpegel in die Absorptionskolonne 100 eingespeist wird, um dort nach unten zu strömen, was zu einer zusätzlichen Stoffübergangsströmung im Gegenstrom mit nach oben strömendem saurem Gas führt, das Einsatzgas aufweist.
  • 3 illustriert eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, in der durch die Leitung 7 zugeführter Stickstoff zuerst als Treibfluid für einen Ejektor 104 verwendet wird, der in Kontakt mit einer Flash-Trommel 103 steht. Das Verfahren des Betriebs der in 3 illustrierten Ausführungsform zum Regenerieren von schmutzigem zu sauberem Lösungsmittel ist ähnlich wie das Verfahren der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen und wird nicht erneut ausführlich beschrieben werden.
  • Die Bezugszeichen in 3 sind für die allgemeinen Elemente die Gleichen wie diejenigen in den 1 und 2. Die in 3 illustrierte Ausführungsform führt zu einer Verdampfung eines Teils des Wassers in dem regenerierten chemischen Lösungsmittel und einem Zuwachs der Durchflussrate von Stripgas, wodurch eine gründlichere Desorption von saurem Gas von dem nach unten strömenden Flüssigkeitsgemisch ermöglicht wird. Das Lösungsmittel in dem Strom 22 wird zuerst zu der Trommel 103 und anschließend von der Trommel 103 in einem Strom 40 geführt, um sich mit dem Strom 11 zu kombinieren.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Entfernen eines sauren Gases aus einem gasförmigen Strom, wobei im Zuge des Verfahrens: (A) in einer Absorptionskolonne saures Gas enthaltendes Einsatzgas mit einem chemischen Lösungsmittel in Kontakt gebracht wird und saures Gas von dem Einsatzgas in das chemische Lösungsmittel gebracht wird, um beladenes chemisches Lösungsmittel zu erzeugen; (B) ein Teil des sauren Gases aus dem beladenen chemischen Lösungsmittel innerhalb einer Regenerationskolonne, die bei einem niedrigeren Druck als die Absorptionskolonne arbeitet, einer Flash-Verdampfung unterzogen wird, um teilweise beladenes chemisches Lösungsmittel zu erzeugen, und das teilweise beladene chemische Lösungsmittel mittels eines Wiederaufkochers erwärmt wird, um erwärmtes teilweise beladenes chemisches Lösungsmittel zu erzeugen; (C) das erwärmte teilweise beladene chemische Lösungsmittel in Gegenstromstoffaustausch mit Stickstoffgas innerhalb einer Stripkolonne geleitet wird und saures Gas aus dem erwärmten teilweise beladenen chemischen Lösungsmittel in das Stickstoffgas gestrippt wird, um angesäuertes Stripgas und regeneriertes chemisches Lösungsmittel zu erzeugen; (D) angesäuertes Stripgas mit dem teilweise beladenen chemischen Lösungsmittel innerhalb der Regenerationskolonne in Kontakt gebracht wird; und (E) regeneriertes chemisches Lösungsmittel gewonnen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner gewonnenes regeneriertes chemisches Lösungsmittel mit Einsatzgas, welches saures Gas enthält, in Kontakt gebracht wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ferner teilweise beladenes chemisches Lösungsmittel mit Einsatzgas, welches saures Gas enthält, in Kontakt gebracht wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das teilweise beladene chemische Lösungsmittel mittels indirektem Wärmeaustausch mit Dampf erwärmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das saure Gas Kohlendioxid aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das chemische Lösungsmittel eine Lösung aus Kaliumcarbonat und Wasser aufweist.
  7. Vorrichtung zum Entfernen von saurem Gas aus einem gasförmigen Strom mit: (A) einer Absorptionskolonne (100), Mitteln zum Einleiten von Einsatzgas (1), welches saures Gas enthält, in den unteren Abschnitt der Absorptionskolonne, und Mitteln zum Einleiten von chemischem Lösungsmittel in den oberen Abschnitt der Absorptionskolonne; (B) einer Regenerationskolonne (102), Mitteln zum Überleiten von Fluid von dem unteren Abschnitt der Absorptionskolonne (100) in den oberen Abschnitt der Regenerationskolonne, und einem Lösungsmittelwiederaufkocher (6), um der Regenerationskolonne Wärme zuzuführen; (C) einer Stripkolonne (107), Mitteln zum Einleiten von Stickstoffgas (7) in die Stripkolonne, und Mitteln zum Einleiten von Fluid von dem unteren Abschnitt der Regenerationskolonne (102) in die Stripkolonne in Gegenstromstoffübergangskontakt mit dem Stickstoffgas; (D) Mitteln zum Einleiten von Fluid aus dem oberen Abschnitt der Stripkolonne (107) in die Regenerationskolonne (102); und (E) Mitteln zum Rückgewinnen von regeneriertem chemischen Lösungsmittel (22) von dem unteren Abschnitt der Stripkolonne (107).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner versehen mit Mitteln zum Überleiten von Fluid (22) von dem unteren Teil der Stripkolonne (107) zu der Absorptionskolonne (100).
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, ferner versehen mit Mitteln zum Überleiten von Fluid (5) von der Regenerationskolonne (102) zu der Absorptionskolonne (100).
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Stripkolonne (107) und die Regenerationskolonne (102) gemeinsam in einem einheitlichen Element untergebracht sind.
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