Anlagenteil und Verfahren zur Zerlegung und Reinigung von Synthesegas Gegenstand der Erfindung ist ein Anlagenteil und ein Verfahren zur Zerlegung und Reinigung von Synthesegas, mit dem es möglich wird, zwei Verfahrens- schritte in einer einzigen Anlageneinheit durchzuführen. Insbesondere werden die partielle Kondensation von Synthesegas und die Wäsche des Synthesega- ses mit flüssigem Stickstoff einem einzigen Anlagenteil durchgeführt und dabei mehrere gereinigte, für weitere chemische Synthesen direkt einsetzbare Gase oder Gasgemische gewonnen.

Es ist bekannt, zur Zerlegung und Reinigung von Synthesegasen Produktions- anlagen zu verwenden, in denen in der Regel jeweils nur ein Bestandteil des durch partielle Oxidation von Erdgas gewonnenen Synthesegases abgetrennt werden kann. Bei diesen bekannten Verfahren wird Kohlenstoffmonoxid kälte- technisch in einer Anlageneinheit abgetrennt, die als Vorrichtung zur partiellen Gaskondensation bekannt ist (1). Kältetechnisch wird auch das zur Ammoniak- herstellung benötigte Synthesegas gewonnen, wobei eine Anlageneinheit ein- gesetzt wird, die als"Stickstoff-Wäsche" (1) bekannt ist. Beide Anlageneinhei- ten sind völlig unterschiedlich gestaltet. Gemeinsam ist beiden kältetechnischen Verfahren nur die Verwendung eines Vielweg-Plattenwärmeaustauschers zum Abkühlen und auch zum Wiedererwärmen der Gasströme. Jedes dieser Verfah- ren erfordert eine Kühlvorrichtung, was in einer partiellen Kondensationseinheit im allgemeinen durch Expansion von Kohlenmonoxid oder Wasserstoff erreicht werden kann, während eine Einheit zur Stickstoff-Wäsche flüssigen Stickstoff benötigt.

In der vorliegenden Erfindung werden zwei Reinigungsschritte in einem einzi- gen Verfahren miteinander kombiniert, wobei das rohe Synthesegas auf kryo- gene Temperaturen abgekühlt wird, bei denen das Kohlenmonoxid aus dem Synthesegas abgetrennt werden kann. Der zurückbleibende Wasserstoff wird in

einer Stickstoff-Waschkolonne gereinigt und kann dann gegebenenfalls mit wei- terem Stickstoff vermischt zur Ammoniaksynthese eingesetzt werden.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Anlagenteils gegenüber dem bisherigen Stand der Technik sind vor allem darin zu sehen, dass a) ein viel effizienterer Wärmeaustausch in den Platten-Wärmeaustau- schern erfolgt ; b) ein besonderes Kühlsystem in Form eines Expanders für die Reinigung des Kohlenmonoxids nicht benötigt wird, wodurch sich die Betriebssi- cherheit des gesamten Systems verbessert ; c) die Zuverlässigkeit der Gasversorgung dadurch verbessert wird, dass im Falle eines verringerten Bedarfs von entweder Kohlenmonoxid oder von Ammoniaksynthesegas das erfindungsgemäße Anlagenteil durch die fortgeführte Reinigung des anderen Synthesegases kühl gehalten und sehr schnell wieder auf volle Produktion beider Synthesegase gebracht werden kann ; d) das erfindungsgemäße Anlagenteil kostengünstiger errichtet werden kann als zwei separate kryogene Systeme.

Gegenstand der Erfindung ist somit ein Anlagenteil zur Zerlegung und Reini- gung von Synthesegas, welches aus einer Vorrichtung zur partiellen Kondensa- tion von Synthesegas und aus einer Vorrichtung zur Stickstoff-Wäsche besteht, wobei sich die Vorrichtung zur Stickstoff-Wäsche an die Vorrichtung zur partiel- len Kondensation anschließt.

Das erfindungsgemäße Anlagenteil ist in Fig. 1 schematisch dargestellt. Die Zusammensetzung der eingezeichneten Stoffströme ist der Tabelle t zu ent- nehmen.

Das erfindungsgemäße Anlagenteil weist die folgenden miteinander verbunde- nen Vorrichtungen auf : einen Wärmeaustauscher A zur Abkühlung des dem Anlagenteil zuge- führten Synthesegases ; einen mit dem Wärmeaustauscher A verbundenen Abscheider B zur Auf- trennung des Synthesegases 2 in eine Gasfraktion 4, bestehend im We- sentlichen aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid, und in eine Flüssigfrak- tion, bestehend im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Methan ; einen Abscheider C zur weiteren Auftrennung der aus dem Abscheider B zugeleiteten Gasfraktion 4 in eine überwiegend aus Wasserstoff beste- hende Gasfraktion 6 und eine überwiegend aus Kohlenmonoxid beste- hende Flüssigkeit 7 ; einen Verdampfer D, in dem der in der Flüssigkeit 7 absorbierte Wasser- stoff verdampft und die verbleibende, im Wesentlichen Kohlenmonoxid enthaltende Flüssigkeit 8 in eine Destillationskolonne F geleitet werden kann ; einen weiteren Verdampfer E, in dem der in der Flüssigkeitsfraktion 5 des Abscheiders B noch absorbierte Wasserstoff durch Verdampfen ent- fernt und die im Wesentlichen Kohlenmonoxid und Methan enthaltende Flüssigkeit 9 in die Destillationskolonne F eingespeist werden kann ; eine Destillationskolonne F zur Abtrennung von gasförmigen Kohlenmo- noxid und zur Gewinnung von Methan aus der sich am Boden der Kolon- ne abscheidende Flüssigkeit ; und eine Waschkolonne G zur Abtrennung von Verunreinigungen aus der im Wesentlichen Wasserstoff enthaltenden Gasfraktion 6 des Abscheiders

C mit flüssigem Stickstoff und Verwertung der Verunreinigungen als Brenngas 12.

Der Wärmeaustauscher A ist vorzugsweise ein Vielweg-Platten- Wärmeaustauscher, in dem die Austauscherplatten im Allgemeinen aus Alumi- nium bestehen. Der Wärmeaustauscher A kann eine Vielzahl von Gas-und Flüssigkeitszuleitungen aufnehmen und sie auf vorgegebenen Temperaturen abkühlen oder erwärmen.

Das über den Wärmeaustauscher A in das erfindungsgemäße Anlagenteil ein- geleitete Synthesegas 2 wird im Abscheider B in eine wasserstoffreiche Gas- fraktion 4 und eine flüssige Phase 5 zerlegt, die reich an Kohlenmonoxid und Methan ist. Diese Trennung wird bei einem Druck von etwa 78 bar und bei einer Temperatur von-171 10°C durchgeführt. Die Gasfraktion 4 wird im Wärme- austauscher A weiter abgekühlt und dann in den Abscheider C eingeleitet. Die Flüssigkeit 5 wird auf einen Druck von etwa 6 bar entspannt und in den Ver- dampfer E eingeleitet.

Der Entspannungsverdampfer C ist eine Vorrichtung, in der das wasserstoffrei- che Gas 4, das aus dem Abscheider B zugeleitet wird, weiter aufgetrennt wird, und zwar einerseits in ein Gas (6), welches vorwiegend aus Wasserstoff be- steht und in eine Flüssigkeit 7, welche vorwiegend aus Kohlenmonoxid besteht.

Diese Trennung wird bei einem Druck von etwa 78 bar und bei einer Tempera- tur von-195 i 10°C durchgeführt. Das Gas 6, welches noch mit Kohlenmonoxid ver-unreinigt ist, wird in den unteren Teil der Waschkolonne G eingespeist. Die Flüssigkeit 7 wird in zwei Ströme aufgespalten, einen für die weitere Reinigung und den anderen mit überschüssigen Kohlenmonoxid, das noch etwas Wasser- stoff enthält. Es kann als Synthesegas zur Bildung von Produkten wie Methanol, die aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff hergestellt werden, mitverwendet wer- den.

Das zur weiteren Reinigung vorgesehene Kohlenmonoxid 7 wird auf einen Druck von etwa 6 bar entspannt und in den Entspannungsverdampfer D einge- leitet.

Im Gefäß D wird durch Entspannungsverdampfung der im Kohlenmonoxid ab- sorbierte Wasserstoff verdampft. Es kann dann nach Durchleiten durch den Wärmeaustauscher A als Brenngas 15 verwendet werden. Die Entspannungs- verdampfung wird bei einem Druck von etwa 6 bar und einer Temperatur von - 195 10°C durchgeführt. Die dabei entstehende Flüssigkeit 8 wird in die Des- tillationskolonne F eingeleitet.

Die in dem Abscheider B gewonnene Flüssigkeit 5 wird in den Entspannungs- verdampfer E geleitet und der im flüssigen Kohlenmonoxid absorbierte Wasser- stoff verdampft und kann dann über den Wärmeaustauscher A abgeleitet und als Brenngas verwertet werden. Diese Flash-Verdampfung wird bei einem Druck von etwa 6 bar und einer Temperatur von-171 10°C durchgeführt. Die im Gefäß E gewonnene Flüssigkeit 9 wird in die Destillationskolonne F eingelei- tet.

Die Destillationskolonne 11 dient zur Herstellung von hochreinem Kohlenmono- xid mit einer Reinheit über 98 Volumenprozent. Die Destillationskolonne steht unter einem Druck von etwa 5 bar und weist im oberen Teil Temperaturen von etwa-175°C und im unteren Teil von etwa-155°C auf. In diese Kolonne ist eine Mischung von Kohlenmonoxid und Methan aus dem Entspannungsverdampfer E (9) und die im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid bestehende Flüssigkeit aus dem Entspannungsverdampfer D eingeleitet worden. Die Destillation in dieser Kolonne F erfolgt durch Erhitzung mittels eines durch ein Synthesegas beliebi- ger Zusammensetzung durchströmten Wärmeaustauschers oder durch eine am Boden der Kolonne vorhandene Ableitung für die sich dort ansammelnde Flüs- sigkeit, welche nach Durchleitung durch den Wärmeaustauscher A in die Destil- lationskolonne zurückgeführt werden kann (nicht zeichnerisch dargestellt). Das sich in der Destillationskolonne oben abscheidende Gas ist fast vollständig rei- nes Kohlenmonoxid und wird in den Wärmeaustauscher A zurückgeleitet. Es

steht dann für Synthesen zur Verfügung, in denen hochreines Kohlenmonoxid benötigt wird.

Die sich am Boden der Destillationskolonne F abscheidende Flüssigkeit ist fast reines flüssiges Methan, das auf einem Druck von etwa 1,3 bar entspannt und nach Durchleitung durch den Wärmeaustauscher A als Brenngas zur Verfügung steht.

Die Waschkolonne G dient der Reinigung von Wasserstoff mit flüssigem Stick- stoff und zur gleichzeitigen Herstellung einer Wasserstoff/Stickstoff-Mischung.

Die Waschkolonne steht unter einem Druck von etwa 77 bar und einer Tempe- ratur von-185 10°C. Nahezu reiner gasförmiger Wasserstoff aus dem Ent- spannungsverdampfer C wird über die Leitung 6 in den unteren Teil der Waschkolonne eingeleitet. Flüssiger Stickstoff wird in die Waschkolonne einge- leitet, wodurch sich in der Waschkolonne G eine Mischung von Wasserstoff und Stickstoff bildet, die Restkonzentrationen von Kohlenmonoxid und Argon von weniger als 5 ppm bzw. 150 ppm aufweist. Das oben aus der Waschkolonne abgezogene Produkt kann dann mit weiteren gasförmigen Stickstoff vermischt und auf ein molares Verhältnis Wasserstoff/Stickstoff von etwa 3 : 1, im allge- meinen auf ein Molverhältnis von 2,995 eingestellt und über den Wärmeaustau- scher A als Synthesegas für die Ammoniaksynthese zur Verfügung gestellt werden. Auf dem Boden der Waschkolonne G bildet sich eine Mischung aus flüssigem Kohlenmonoxid, Argon und Stickstoff, die auf einen Druck von 1,3 bar entspannt und über den Wärmeaustauscher A als Brenngas verwendet wird.

Der in der Waschkolonne verwendete flüssige Stickstoff mit einer Reinheit von 99,995% wird im Wärmeaustauscher A verflüssigt und als ein unter hohem Druck stehendes Stickstoffgas in die Waschkolonne G eingespeist. Dieser Strom von Stickstoff kann auch aus mehreren Stickstoffströmen bestehen, die bei unterschiedlichen Drucken in die Waschkolonne eingespeist werden. Die Mischung der verschiedenen Stickstoffströme kann dann auf den erforderlichen Verfahrensdruck gepumpt werden.

Aufgabe des flüssigen Stickstoffes ist es, die unter niedrigen Druck stehenden Flüssigkeitsströme auf dem Boden der Waschkolonne G abzukühlen.

Der erfindungsgemäße Anlagenteil ist eine zentrale Einheit in der Anlage zur Zerlegung von Synthesegas, die in der gleichzeitig eingereichten deutschen Patentanmeldung... (L1P12)...... beschrieben ist. Dort ist das Gesamtverfahren zur Zerlegung von Synthesegas beschrieben. Dabei wird zunächst das im Syn- thesegas enthaltene Kohlendioxyd abgeschieden. Das verbleibende Gasge- misch, das im Wesentlichen aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff besteht, ist der Strom des Synthesegases 2, dessen Zerlegung mit dem erfindungsgemä- ßen Anlagenteil beschrieben worden ist.

Literaturverzeichnis : <BR> <BR> 1. "Gas Production", Ullman's Encyclopedia of Industrial Chemistry, vol.

A12, VCH Verlagsgesellschaft mbH (1989).

Bezugszeichenliste : A Wärmetauscher B Abscheider C Abscheider D Entspannungsvorrichtung E Entspannungsvorrichtung F Destillations-oder Rektifikationsvorrichtung G Stickstoff-Wäsche-Vorrichtung 1 Stickstoff unter erhöhtem Druck 2 Synthesegas 3 Flüssiger Stickstoff 4 Gasfraktion, bestehend aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und Spuren an Methan 5 Flüssigfraktion, bestehend aus Kohlenmonoxid, Methan und Wasserstoff 6 Gasfraktion, bestehend aus Wasserstoff und wenig Kohlenmonoxid 7. Flüssigfraktion, bestehend aus Kohlenmonoxid, wenig Methan und Spu- ren an Wasserstoff 8 Flüssigfraktion, bestehend aus Kohlenmonoxid, wenig Methan und Spu- ren von Wasserstoff 9 Flüssigfraktion, bestehend aus Kohlenmonoxid und Methan 10 Flüssigfraktion, bestehend aus Methan und wenig Kohlenmonoxid 11 Flüssiger Stickstoff 12 Flüssigfraktion, bestehend aus Kohlenmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff und wenig Spuren an Argon 13 Gasfraktion, bestehend aus Kohlenmonoxid, wenig Wasserstoff und we- nig Methan 14 Gasfraktion, bestehend aus Kohlenmonoxid 15 Gasfraktion, bestehend aus Kohlenmonoxid, Stickstoff, Wasserstoff, Me- than und Spuren an Argon 16 Gasfraktion, bestehend aus Wasserstoff und Stickstoff

Tabelle I Gasstrom 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Zusammensetzung (% Vol Methan 2. 59 1. 00 23.04 0.03 6.34 7.22 29.80 Kohlenmonoxid 19. 94 16. 46 64.16 4.81 82.04 91.43 69.23 Argon 0. 10 0. 07 0.42 0.01 0.40 0.45 0.48 Wasserstoff 77. 38 82. 49 12.39 95.15 11.22 0.90 0.48 Stickstoff 99. 99 99. 99 Temp. (°C) 40 36-195-171-171-195-195-193-178 Druck (bar abs) 80 77 2 77 77 77 77 5.8 5.8 Dampfanteil 1 1 0 1 0 1 0 0 0 Durchfluss-142 149 6 118 32 51 67 41 27 menge (t/h) Tabelle I (Fortsetzung) Gasstrom 10 11 12 13 14 15 16 Zusammensetzung (% Vol) Methan 91. 69 0. 41 6.34 0.70 16.97 Kohlenmonoxid 7.66 69.00 82.04 98.14 46.89 2.57 pmm Argon 0. 65 0. 19 0.40 0.41 0. 25 Wasserstoff 13. 31 11.22 0.75 16.69 74.97 Stickstoff 99. 99 17. 08 19. 20 25.03 Temp. (°C)-143-185-196 31 31 31 31 Druck (bar abs) 5.8 77 76 76 50 1.2 75 Dam fanteil 0 0 0 1 1 1 1 Durchfluss-6. 2 39 26 63 25 43 166 menge (t/h)