Verfahren und Vorrichtung zur Abkühlung von Gasen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abkühlung von heißem Prozessgas, wobei entmineralisiertes und entgastes Wasser in indirektem Wärmetausch gegen heißes Prozessgas angewärmt wird.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des

erfindungsgemäßen Verfahrens. Unter Prozessgas ist ein Gas zu verstehen, das in einem industriellen Prozess als Zwischen- oder Endprodukt erzeugt wird. Häufig müssen diese Gase vor ihrer

Weiterverarbeitung abgekühlt werden. Beispiele für Prozessgase sind

Syntheserohgase, die bei der Vergasung von Kohlenstoff enthaltenden Einsatzstoffen entstehen, oder Spaltgase, die durch thermische Spaltung von langkettigen

Kohlenwasserstoffen gewonnen werden.

Wasserstoff und Kohlenmonoxid werden heute im großtechnischem Maßstab in erster Linie durch Dampfreformierung oder Partielle Oxidation gewonnen. Hierbei werden kohlenstoffhaltige Einsatzstoffe gemeinsam mit Wasserdampf in einen Reaktor eingeleitet und zu einem Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie Wasser enthaltenden Syntheserohgas umgesetzt, das mit einer Temperatur aus dem Reaktor abgezogen wird, die typischerweise zwischen 200 und 400°C liegt. Die im Syntheserohgas enthaltene Wärme wird zur Erzeugung von Reindampf genutzt, der im Prozess - beispielsweise als Einsatz zum Reaktor - genutzt oder als Exportdampf an den Anlagengrenzen abgegeben wird.

Um Reindampf zu erzeugen, wird gewöhnlich entmineralisiertes Wasser importiert, das zwar weitgehend von mineralischen Verunreinigungen befreit ist, jedoch gelöste Gase enthält. Da insbesondere Sauerstoff in den mit Reindampf in Berührung kommenden Anlagenteilen, wie beispielsweise Dampfkesseln, zu Korrosion führen würde, werden die gelösten Gase aus dem entmineralisierten Wasser entfernt, bevor es als sog. Kesselspeisewasser der Verdampfung zugeführt wird. Nach dem Stand der Technik wird das entmineralisierte Wasser in einem Wärmetauscher gegen abzukühlendes Syntheserohgas bis nahe an seine Verdampfungstemperatur angewärmt und anschließend einer thermischen Entgasungseinrichtung zugeleitet, um gelöste Gase mit Hilfe von Dampf auszutreiben. Die Nutzung der im Syntheserohgas enthaltenen Wärme wird durch die maximal mögliche Vorwärmung des entmineralisierten Wassers begrenzt, die ihrerseits von dem Druck abhängt, mit dem das entmineralisierte Wasser der thermischen Entgasungseinrichtung zuführbar ist. Typischerweise wird die thermische Entgasungseinrichtung bei einem Druck von ca. 1 ,3 bar betrieben, so dass das entmineralisierte Wasser auf nicht mehr als ca. 98 °C angewärmt werden kann, wobei das Syntheserohgas auf ca. 160 °C abgekühlt wird. Um das Syntheserohgas weiter abzukühlen und um insbesondere Wasser auszukondensieren, wird ihm in nachfolgenden Verfahrensschritten beispielsweise in Luftwärmetauschern Wärme entzogen. Wegen ihres geringen Temperaturniveaus ist eine wirtschaftliche Nutzung dieser Wärme gewöhnlich nicht möglich, so dass sie mit der Kühlluft an die

Atmosphäre abgegeben wird und dem Prozess verloren geht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die es erlauben, einen größeren Teil der im heißen Prozessgas enthaltenen Wärme wirtschaftlich zu nutzen, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist.

Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das entmineralisierte Wasser vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas durch Membranentgasung von gelöstem Gas befreit wird. Unter Membranentgasung ist ein Verfahren zur Abtrennung von gelösten Gasen aus Flüssigkeiten, insbesondere aus Wasser, unter Einsatz von Membrankontaktoren zu verstehen. Dieses Verfahren wird seit Jahren beispielsweise in der Getränkeindustrie eingesetzt, um Sauerstoff und/oder Kohlendioxid aus Flüssigkeiten zu entfernen. Die Membrankontaktoren weisen hydrophobe Membranen auf, auf deren einen Seite die zu entgasende Flüssigkeit geführt werden kann. Durch mikroskopisch kleine Poren gelangen die in der Flüssigkeit gelösten Gase auf die andere Seite der Membran, von wo sie, beispielsweise mit Hilfe einer Pumpe, abgezogen werden können. Durch Membranentgasung ist es möglich, Flüssigkeiten auch bei niedrigen Temperaturen bis auf Restgehalte von wenigen ppb zu entgasen; auf eine Anwärmung der zu

entgasenden Flüssigkeit kann daher im Allgemeinen verzichtet werden. Eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das entmineralisierte Wasser vor der Membranentgasung nicht angewärmt wird.

In erster Linie wird die Membranentgasung zur Entfernung von gelöstem Sauerstoff aus dem entmineralisierten Wasser eingesetzt. Sinnvollerweise werden jedoch auch andere gelöste Gase, wie Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffe durch die Membranentgasung entfernt.

Die auf das entmineralisierte Wasser übertragbare Wärmemenge ist abhängig von der Verdampfungstemperatur des Wassers: je höher die Verdampfungstemperatur, umso mehr Wärme kann dem heißen Prozessgas entnommen und zu umso tieferen

Temperaturen kann das Prozessgas abgekühlt werden. Da die

Verdampfungstemperatur des entmineralisierten Wassers mit seinem Druck ansteigt, wird vorgeschlagen, im Anschluss an die Membranentgasung, die im Allgemeinen bei niedrigen Drücken durchgeführt wird, und noch vor seiner Anwärmung gegen das abzukühlende Prozessgas, den Druck des entmineralisierten Wassers anzuheben. Häufig wird das gegen heißes Prozessgas angewärmte entmineralisierte Wasser als sog. Kesselspeisewasser einem Dampferzeuger zugeführt und dort verdampft und ggf. überhitzt. Der dabei erzeugte sog. Reindampf wird als Exportdampf an einen externen Verbraucher abgegeben und/oder im Prozess selbst genutzt. In einem solchen Fall wird der Druck des entmineralisierten Wassers vor seiner Anwärmung gegen heißes Prozessgas zweckmäßigerweise auf den maximal möglichen Druck des

Kesselspeisewassers angehoben. Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das entgaste entmineralisierte Wasser vor der Druckanhebung in einen als Vorlage für die zur Druckerhöhung eingesetzte Pumpe dienenden Behälter eingeleitet und dort zwischengespeichert wird. Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass im Prozess anfallendes Reindampfkondensat in diesen Behälter entspannt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Abkühlung von heißen Prozessgasen aller Arten. Mit besonderem Vorzug wird es jedoch zur Abkühlung von heißem

Syntheserohgas, das durch Dampfreformierung oder partielle Oxidation aus kohlenstoffhaltigen Einsätzen gewonnen wird, oder heißem Spaltgas, das durch thermische Spaltung von langkettigen Kohlenwasserstoffen gewonnen wird, eingesetzt.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Abkühlung von heißem

Prozessgas, aufweisend eine Wärmeübertragungseinrichtung, in der entmineralisiertes Wasser in indirektem Wärmetausch gegen heißes Prozessgas angewärmt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie einen stromaufwärts der Wärmeübertragungseinrichtung angeordneten

Membrankontaktor aufweist, in dem das entmineralisierte Wasser von gelöstem Gas befreit werden kann.

Eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der

Membrankontaktor zur Abtrennung von gelöstem Sauerstoff und/oder Kohlendioxid und/oder Kohlenwasserstoffen aus dem Kesselspeisewasser ausgelegt ist.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie eine stromabwärts des Membrankontaktors und stromaufwärts der

Wärmeübertragungseinrichtung angeordnete Pumpe aufweist, mit deren Hilfe der Druck des im Membrankontaktor entgasten entmineralisierten Wassers angehoben werden kann.

Eine andere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass sie einen als Pumpenvorlage dienenden Behälter aufweist, in dem entgastes

entmineralisiertes Wasser zwischengespeichert werden kann. Zweckmäßigerweise ist der Behälter als Entspannungsgefäß ausgeführt, in den im Prozess anfallendes Kondensat entspannt werden kann. Durch die Erfindung kann heißes Prozessgas auf tiefere Temperaturen abgekühlt werden, als dies nach dem Stand der Technik möglich ist. Dies ist mit wirtschaftlichen Vorteilen verbunden, da einerseits die im Prozessgas enthaltene Wärme effektiver genutzt werden kann und andererseits ein geringerer Aufwand erforderlich ist, um das Prozessgas auf seine Endtemperatur abzukühlen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Die Figur 1 zeigt eine Einrichtung in der heißes Prozessgas, wie beispielsweise heißes Syntheserohgas, unter Erzeugung von Kesselspeisewasser abgekühlt wird.

Über Leitung 1 wird entmineralisiertes Wasser drucklos und mit einer Temperatur von typischerweise 20°C dem Membrankontaktor MK zugeführt. Das Wasser 1 ist zwar frei von mineralischen Stoffen, enthält jedoch Gase wie Sauerstoff, Kohlendioxid oder Kohlenwasserstoffe in gelöster Form. Der Membrankontaktor MK umfasst eine hydrophobe Membran M, an deren einen Seite das entmineralisierte Wasser geführt wird. Durch Mikroporen diffundieren vorwiegend die im Wasser gelösten Gase auf die andere Seite der Membran M, so dass über Leitung 2 aus dem Wasser 1 abgetrenntes Gas und über Leitung 3 entmineralisiertes und entgastes Wasser abgezogen werden können. Das entgaste Wasser 3, dessen Temperatur sich im Membrankontaktor MK allenfalls unwesentlich geändert hat, wird in den Behälter B eingeleitet und dort zwischengespeichert. Der Behälter B dient als Vorlage für die Pumpe P, mit deren Hilfe der Druck des entgasten Wassers 4 angehoben wird. Das mit erhöhtem Druck aus der Pumpe P austretende entgaste Wasser 5 wird im Wärmetauscher E gegen heißes Prozessgas 6 angewärmt und nachfolgend als Kesselspeisewasser 7 einem nicht dargestellten Dampferzeuger zugeführt, wo es zu Reindampf umgesetzt wird.