DE60117265T2

DE60117265T2 - Vorrichtung und verfahren zum mischen von fluiden

Info

Publication number: DE60117265T2
Application number: DE60117265T
Authority: DE
Inventors: Patrick Finn NILSEN; Harald Linga; Rune Fantoft; Sverre Inge NILSEN; Inge Geir EIDE
Original assignee: Statoil ASA
Current assignee: Propure As Bergen No
Priority date: 2000-06-29
Filing date: 2001-06-29
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2021-06-30
Also published as: NO327793B1; ZA200209844B; ES2258538T3; CN1302838C; GB0015997D0; NO20026200D0; CA2411417C; DK1294473T3; CA2411417A1; WO2002000334A1; EP1294473B1; NO20026200L; CN1438916A; BR0112060B1; RU2247595C2; DE60117265D1; ATE317722T1; BR0112060A; EP1294473A1; US20030155436A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur wirksamen Mischung von zwei oder mehr Flüssigkeiten, vor allem Flüssigkeiten verschiedener Phasen. Die Erfindung bezieht auch die Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens ein. Die Erfindung bezieht sich auch auf Systeme zur Trennung von Flüssigkeiten, insbesondere auf das selektive Entfernen eines Bestandteils oder von Bestandteilen aus einer Gasmischung unter Verwendung eines flüssigen Lösungsmittels oder Reagens. So kann die vorliegende Erfindung beispielsweise die Absorption von sauren Gasen wie CO₂, H₂S, NO₂, Schwefeloxiden usw. aus Erdgas und Verbrennungsgasen betreffen. Eine weitere Anwendung kann die Dehydrierung von Gasen durch Injizieren von Chemikalien betreffen.
Herkömmliche Systeme für das Mischen von Flüssigkeiten in verschiedenen Phasen verwenden Kolonnen, die Füllkörperkolonnen, Bodenkolonnen, Glockenbodenkolonnen oder Kolonnen einer anderen Form eines Kontaktmediums sein können. In diesen Systemen fließen die Flüssigkeiten im Allgemeinen im Gegenstrom.
Die Systeme nach dem Stand der Technik haben den Nachteil, dass die Kolonnen groß sein müssen, um ein signifikantes Maß an Gas- bzw. Flüssigkeitskontakt zu erreichen, und dass ihre Wirkungsweise durch übermäßiges Schäumen behindert wird. Auch ist der Abwärtsregelbereich von gegenstromigen Contaktoren durch Flutung eingeschränkt. Zusätzlich muss eine nachfolgende Abstrippzone, der für die Entfernung des Gases aus der Lösung notwendig sein mag, ebenfalls groß sein, um das große Volumen an Lösungsmittel oder Reagens zu bewältigen. Da das Verfahren sehr wohl unter hohem Druck ausgeführt werden kann und da die betreffenden Flüssigkeiten stark korrosiv sein können, sind die Investitionskosten für große Kolonnen und die nachfolgende Abstrippzone hoch. Darüber hinaus sind Betriebs- und Wartungskosten hoch.
Herkömmliche Systeme für die Absorption von sauren Gasen verwenden ein flüssiges Lösungsmittel, typische Lösungsmittel sind Amine wie Methyldiethanolamin (MDEA), Monoethanolamin (MEA) und Diethanolamin (DEA). Lösungsmittelgemische lassen sich ebenfalls verwenden. Diese Lösungsmittel können mit dem Sauergasgemisch (Gemisch, das saure Gase einschließt) in einer wie oben beschriebenen Kolonne in Kontakt gebracht werden. Es treffen aber die gleichen Probleme, wie oben beschrieben, hinsichtlich Kolonnengröße und erforderlichem Lösungsmittelvolumen zu.
Alternativ, lässt sich die irreversibel reagierende Flüssigkeit (auch Spülflüssigkeit genannt) einfach ins Gas einspritzen oder durch eine Art von Düse (z.B. 0,2 mm weit) einleiten um zu versuchen, die Flüssigkeit aufzubrechen oder zu zerstäuben und die Kontaktfläche der Flüssigkeit mit dem Gas zu vergrößern. Diese Flüssigkeit reagiert irreversible mit dem Gas und wird für die anschließende Weiterverwendung nicht abgeschieden. Dieses System hat den Nachteil, dass zur Zerstäubung der Flüssigkeit auf ein akzeptables Niveau eine sehr kleine Düse erforderlich ist, die leicht verstopft. Es ist auch sehr schwierig, viskose Flüssigkeiten, wie die oben erwähnten Spülflüssigkeiten, bei absteigenden Regelbereichen des Flüssigkeitsdurchlaufs (niedrige Flüssigkeitsdurchlaufgeschwindigkeiten) zu zerstäuben. Eine Düse bewirkt auch nur eine punktuelle Verteilung der Flüssigkeit und damit lediglich eine lokale Durchmischung.
GB769821 offenbart ein Gerät zum Zuführen, Einsprühen und Einmischen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom, wobei die Flüssigkeit durch Einlassöffnungen in den Strom gesprüht wird. Ein Teil der in den Gasstrom gesprühten Flüssigkeit wird gegen die Rohrwand gedrückt und läuft an dieser bis zu einer Kante, wo sie aufgebrochen wird. WO 99/13966 offenbart ein Flüssigkeitstrennsystem, das mindestens zwei in Serie angeordnete Turbulenzcontaktoren aufweist, von denen mindestens einer ein Rohr aufweist, das durch den Gefäßauslass hindurchgeführt ist, wobei das besagte Rohr zu einer Venturi-Düse führt und entweder Gas oder Flüssigkeit enthält. Die zweite Phase kann durch die Bewegung der ersten Phase durch den Auslass abgezogen werden.
Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Probleme zu überwinden und ein Mittel zur besseren dispergierten Verteilung von Flüssigkeit im Gas über einen weiten Bereich von Flüssigkeitsflussraten bereitzustellen.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren zur selektiven Absorption einer Flüssigkeitskomponente aus einem Flüssigkeitsgemisch zu schaffen, das gegenüber herkömmlichen Verfahren effizienter und ökonomischer (geringerer Chemikalienverbrauch zum Überwinden der vorgeschriebenen Spezifikation) ist. Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein hochwirksames Verfahren zur selektiven Abscheidung einer ausgewählten Gaskomponente aus einem Gasstrom bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Verteilung einer Flüssigkeit in einen Gasstrom bereitgestellt, welches die Bereitstellung einer Flüssigkeit in ein Rohr aufweist, in welchem ein Gasstrom fließt, wobei der Gasstrom die Flüssigkeit in einen Film entlang der inneren Oberfläche des Rohres zu einer scharfen Kante am Ende des Rohres zieht, wobei an diesem Punkt die Flüssigkeit von der Oberfläche des Rohrs abfließt und sich eng mit dem Gas vermischt; dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit dem Rohr in Form eines Ringes um die innere Oberfläche des Rohres mit Hilfe einer ringförmigen Kammer (23c) zugeführt wird, welche zu einem schmalen Durchgang führt (23d).
Das Aufbrechen des Flüssigkeitsfilms in Fäden und Tropfen ist von der Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Flüssigkeit abhängig und es ist daher möglich, viskose Flüssigkeiten bei niedrigen Flüssigkeitsflussraten zu zerstäuben. Dies hat den Vorteil, dass sich die Menge der eingesetzten Flüssigkeit relativ leicht regeln lässt, während gleichzeitig die absorbierenden Eigenschaften der Flüssigkeit wirksam genutzt werden können.
Das Mischen von Gas und Flüssigkeit erfolgt turbulent, ist sehr intensiv und bewirkt einen hochwirksamen Kontakt zwischen Gas und Flüssigkeit. Effektives Mischen heißt, dass die Absorption sehr rasch und in einer im Vergleich zu herkömmlichen Düsen relativ geringen Lösungsmittelmenge stattfinden kann. Die bedeutet wiederum, dass der Flüssigkeitseinsatz in der Vorrichtung deutlich reduziert wird. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lässt sich eine Reduktion des Flüssigkeitseinsatzes bis zu ca. 40% im Vergleich zur herkömmlichen Technologie mit Düse oder statischem Mischer ohne Einbuße der Gas-Flüssigkeits-Transfer-Effizienz erreichen. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn es sich um eine irreversible Reaktion handelt und die verwendete Flüssigkeit wegzuwerfen ist, und es also wünschenswert ist, so wenig wie möglich Flüssigkeit einzusetzen und die eingesetzte Flüssigkeit maximal zu nutzen.
Zusätzlich zur Reduktion des Flüssigkeitseinsatzes ist das verwendete Mischsystem im Vergleich zu Systemen nach dem Stand der Technik einfach und kostengünstig und führt zu geringeren Herstellungs- und Instandhaltungskosten sowie zu den oben beschriebenen Einsparungen in den weiteren Verfahrensstufen. Schließlich kann bei einigen Anwendungen ein Entfernungswirkungsgrad von nahezu 100% der ausgewählten Gasbestandteile (z.B. saurem Gas aus Erd- oder Verbrennungsgas) erreicht werden.
Das Verfahren ist vorzugsweise als kontinuierliches Verfahren auszuführen, wobei Gas und Flüssigkeit im Gleichstrom fließen. Durch den Gleichstrom lassen sich Probleme hinsichtlich einer möglichen Schaumbildung oder Flutung ausschalten, da sich die Trennung leicht unterhalb des Mischers bewirken lässt.
Der Rohrabschnitt stromaufwärts von der Reaktionszone, in der der Gasstrom fließt, ist vorzugsweise ein konvergierender Rohrabschnitt, der durch seine Form das Gas beschleunigt, während es durch den Flüssigkeitsring wandert. Dieser sich beschleunigende Gasstrom zieht die Flüssigkeit vorzugsweise in einem dünnen Film entlang der Oberfläche des Rohrs zu einer scharfen Kante, wo die Flüssigkeit in Fäden aufbricht. Die Bildung dieser Flüssigkeitsfäden wird von der Relativgeschwindigkeit zwischen den Gas- und Flüssigkeitsphasen, der Kantengeometrie und der Oberflächenspannung zwischen Gas und Flüssigkeit bestimmt.
In der Reaktionszone, unmittelbar stromabwärts der scharfen Kante, werden die Flüssigkeitsfäden weiter in Tröpfchen aufgebrochen, welche für einen Massentransfer äußerst effektive Flächen schaffen. Das Aufbrechen der Flüssigkeitsfäden in Tröpfchen wird durch die Weber-Zahl(We) bestimmt, die sich folgendermaßen zusammensetzt:
wobei gilt: ρ_G ist die Gasdichte, U ist die Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Flüssigkeit, d ist die charakteristische Fadengröße und σ ist die Oberflächenspannung zwischen Flüssigkeit und Gas. Das Aufbrechen der Fäden erfolgt, wenn We > We_cr ist – ein kritischer Wert der Weber-Zahl. In Windkanalexperimenten, bei denen Tröpfchen in ein Strömungsfeld gespritzt werden, liegt We_cr im Bereich von 8–10 (vgl. Krzeczkowsi S. "Measurement of liquid droplet disintegration mechanisms" Int. J. multiphase Flow, Vol. 6, pp. 227–239, 1980).
Wenn die Flüssigkeit in Tröpfchen aufgebrochen ist, vermischen sich Gas und Flüssigkeit vorzugsweise innig über die ganze Radialausdehnung des Rohrs und konzentrieren sich nicht im zentralen Bereich. Die radiale Tröpfchenmischung wird durch die Reynolds-Zahl (Re) nach folgender Gleichung bestimmt:
wobei gilt: D ist der lokale Rohrdurchmesser, Um ist die lokale Mischungsgeschwindigkeit, ρ_m und μ_m sind Dichte bzw. Viskosität der Flüssigkeitsmischung.
Die radiale Verteilung hängt auch von dem Verhältnis zwischen dem Durchmesser der Verengung an der Kante und dem normalen Rohrdurchmesser ab, da dies den Ringbereich, in dem sich die Tröpfchen bilden, bestimmt. Die Bereitstellung von Flüssigkeit in einem Ring um den gesamten Umfang des Rohrabschnitts gewährleistet eine Flüssigkeitsverteilung entlang dem gesamten Rohrabschnitt, im Unterschied zur punktuellen Verteilung durch eine Düse.
Das Verfahren kann gegebenenfalls weiters den Schritt des Trennens, einer Gasphase und einer Flüssigphase nach dem turbulenten Mischen aufweisen. Die Flüssigphase kann dann gegebenenfalls behandelt werden, um die absorbierte Gaskomponente zu entfernen, und kann zum Reaktor rückgeführt werden.
Es wird verstanden werden, dass die Erfindung insbesondere für Absorptionsreaktionen mit schneller Reaktionskinetik anwendbar ist, beispielsweise für die Absorption von Sauergasbestandteilen, wie H₂S. Die Erfindung lässt sich auch auf chemische Reaktionen mit schneller Reaktionskinetik anwenden, bei denen eine gute Durchmischung der Reaktanten erforderlich ist.
Das Verfahren kann weiterhin auf das Entfernen einer einzelnen ausgewählten Komponente eines Gasgemischs ausgedehnt werden. Alternativ erstreckt sich das Verfahren auf das Entfernen einer Vielheit von Gaskomponenten aus einem Gasstrom, entweder unter Verwendung eines gemeinsamen Lösungsmittels oder Reagens oder durch entsprechende Lösungsmittel oder Reagenzien. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Gasstrom eine einzelne Gaskomponente, die absorbiert wird.
Vorzugsweise befindet sich nach dem kontraktierenden Rohrabschnitt ein sich erweiternder Abschnitt zur Expansion des Gases, in welchem die Geschwindigkeit des Gases gedrosselt und der Druck des Gases erhöht wird. Auf diese Weise kann das System mit einem relativ geringen Druckabfall über das gesamte System hinweg betrieben werden.
Die Vorrichtung ist unabhängig von der Rohrneigung, sie sollte jedoch vorzugsweise nicht direkt stromaufwärts des Rohrknies angebracht werden, da dadurch der erzeugte, im Wesentlichen homogene Fluss unterbrochen werden kann. Vorzugsweise ist die Vorrichtung im Wesentlichen horizontal anzubringen.
Die Erfindung erstreckt sich ebenfalls auf eine Vorrichtung zum Verteilen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom, die einen Turbulenzcontaktor mit einem kontraktierenden Rohrabschnitt, durch welchen ein Gasstrom fließt, einen Flüssigkeitseinlass, eine scharfe Kante am Ende des kontraktierenden Rohrabschnitts und einen weiteren Rohrabschnitt stromabwärts der scharfen Kante aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit so angeordnet ist, dass sie einen Flüssigkeitsring um den Innenumfang des Rohrs mit Hilfe einer ringförmigen Kammer (23c) erzeugt, die zu einem schmalen Durchgang (23d) führt.
Die scharfe Kante ist vorzugsweise im Wesentlichen ein rechter Winkel, obwohl sowohl spitze als auch stumpfe Winkel für die Verwendung mit bestimmten Flüssigkeiten vorteilhaft sein können. Das Ziel der scharfen Kante ist es, ein Mittel für die wirksame Verteilung der Flüssigkeit im Gasstrom bereitzustellen. Ist die scharfe Kante ein spitzer Winkel (d.h. die Schenkel zeigen in Richtung des kontraktierenden Rohrabschnitts), ergibt sich eine schärfere Kante, die vorzugsweise für viskosere Flüssigkeiten verwendet wird, welche eine größere Affinität zur Rohroberfläche haben. Alternativ kann für weniger viskose Flüssigkeiten ein stumpfer Winkel ausreichen, um die Flüssigkeit im Rohr zu verteilen.
Vorzugsweise wird im Contaktor ein homogenes Gemisch aus dem Gasstrom und der Flüssigkeit gebildet, wobei das homogene Gemisch schließlich in einem stromabwärts befindlichen Gefäß in eine Gasphase und eine Flüssigphase getrennt wird. Gegebenenfalls erfolgt diese Phasentrennung in einem Hydrozyklon.
Vorzugsweise werden das Lösungsmittel oder das Reagens in der Flüssigphase einer Aufbereitungsbehandlung unterzogen, um die absorbierten ausgewählten Gasbestandteile zu entfernen. Vorzugsweise wird die regenerierte, lösungsmittelhaltige Flüssigphase dem Contaktor rückgeführt.
Vorzugsweise erfolgt die Regenerierung durch Erhitzen und/oder Entspannen der absorbierten Gasbestandteile in einem Entspannungsbehälter. Vorzugsweise wird die Kühlung nach dem Mischen und die regenerative Erhitzung zumindest zum Teil durch wechselseitigen Wärmeaustausch erreicht.
Die Erfindung kann sich auf die Verwendung eines Turbulenzcontaktors zum Absorbieren einer ausgewählten Gaskomponente aus einem Gasstrom erstrecken, indem der Gasstrom in Kontakt mit einer Flüssigkeit gebracht wird, die ein Lösungsmittel oder ein Reagens für die ausgewählte Gaskomponente enthält, wodurch bewirkt wird, dass die Gaskomponente durch das Lösungsmittel oder Reagens absorbiert wird. Insbesondere erstreckt sich die Erfindung auf die Verwendung eines erfindungsgemäßen Contaktors zur Absorption von Sauergasen, z.B. H₂S und CO₂, aus Erdgas. Eine Anzahl spezifischer Verwendungsmöglichkeiten für die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detailliert erörtert.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung bieten durch ihre Flexibilität breite Einsatzmöglichkeiten. Insbesondere gestattet die Fähigkeit des Systems, bei äußerst hohen Gas-Flüssigkeits-Verhältnissen mit sehr niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten viskoser Flüssigkeiten zu arbeiten, die wirksame Verwendung flüssiger Lösungsmittel und Reagenzien, wodurch sich die Beladung der Lösungsmittel maximieren lässt, ohne die Gesamtleistung des Systems zu beeinträchtigen.
Zu geeigneten Lösungsmitteln zur Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren zählen Amine, wie z.B. MDEA, MEA und DEA, und Lösungsmittelmischungen. Irreversibel reagierende Lösungsmittel werden für Anwendungen mit H₂S-Spülmittel bevorzugt. Meerwasser ist ebenfalls als Lösungsmittel geeignet, weil die hohe Ausnutzung der Aufnahmefähigkeit des Lösungsmittel und die niedrigen Kosten des Lösungsmittels in vielen Fällen dessen geringere Aufnahmekapazität kompensieren.
Die beschriebenen Trennungs-/Absorptions-/Reaktionssysteme sind generell einzelne Verfahren. Es versteht sich von selbst, dass auch multiple Trennungs-/Absorptions-Reaktionen durchgeführt werden können. Diese können simultan oder sequentiell und ebenfalls in Serie oder parallel ausgeführt werden. Insbesondere lässt sich mehr als ein solcher Turbulenzcontaktor in einer einzelnen Gasrohrleitung verwenden.
Die Erfindung erstreckt sich daher auch auf ein Verfahren zum erneuten Mischen eines Multiphasenflusses. Vorzugsweise wird ein Multiphasenfluss durch ein konvergierendes Rohrs zu einer scharfe Kante geleitet, wo der Fluss aufgebrochen wird, und eine Turbulenzmischung über die Radialausdehnung des Rohrs erfolgt. Gegebenenfalls gibt es eine weitere Flüssigkeitszufuhr vor der scharfen Kante. Vorzugsweise wird diese Flüssigkeit in Form eines Flüssigkeitsrings um den inneren Umfang des Rohres herum geliefert. Die Flüssigkeit wird dann in Form eines Films entlang der Innenoberfläche des Rohres durch den beschleunigenden Multiphasenfluss zu der scharfen Kante des Rohrs geleitet, wo sich die Flüssigkeit in Fäden auflöst. Diese Fäden werden dann vorzugsweise in Tröpfchen aufgebrochen und eng mit dem Multiphasenfluss über die ganze Breite des Rohres vermischt. Gegebenenfalls kann es nach dieser Reaktionszone einen divergierenden Abschnitt geben, in welchem der Druck des Multiphasenflusses zunimmt und dadurch der permanente Druckabfall über dem Contaktor minimiert wird.
Vorteilhafterweise lassen sich die oben beschriebenen Verfahren und Systeme verwenden, um eine Gaskomponente oder mehrere Gaskomponenten selektiv aus einem Gasstrom zu entfernen. Selektive Absorption lässt sich durch Einstellung der Verweildauer im System bewirken. Da die Reaktionsgeschwindigkeiten zur Absorption verschiedener Gasen durch ein bestimmtes Lösungsmittel variieren, ist es möglich, selektiv ein Gas bevorzugt gegenüber einem anderen Gas über einen kontrollierten Zeitabschnitt zu absorbieren. Ein Beispiel dafür ist die selektive Absorption von H₂S in einem Amin, die praktisch unmittelbar erfolgt, bevorzugt gegenüber CO₂, das langsamer absorbiert wird.
Die selektive Absorption von H₂S gegenüber der gleichzeitigen Absorption von CO₂ durch das Amin hat eine verbesserte Nutzwirkung des Amins zum Ergebnis. Durch Reduzieren der gleichzeitigen Absorption von CO₂ kann das geforderte Maß an Entfernung des H₂S mit weniger Aminflüssigkeit erreicht werden. Die Reduzierung des Flüssigkeitsansatzes erfolgt durch das Regenerierungssystem und verringert die Größe der erforderlichen Vorrichtung. Sowohl die Installations- als auch die Betriebskosten werden bedeutend reduziert. Diese Reduzierungen lassen sich unter Verwendung von Standard-Aminlösungen erreichen und erfordern nicht die Herstellung spezieller maßgeschneiderter chemischer Systeme.
Der mögliche verbesserte Wirkungsgrad beim Entfernen beispielsweise von Sauergasen macht die vorliegende Erfindung besonders wertvoll, da sich das Bewusstsein für potentielle Umweltschäden, die durch z.B. im Verbrennungsgas enthaltene saure Gase verursacht werden können, erhöht hat.
Weiterhin macht die im Vergleich mit der Größe konventioneller Absorptionskolonnen geringe Größe der Vorrichtung die Erfindung besonders für den Einsatz im maritimen Bereich geeignet, z.B. an Bord von Shuttletankern, wo Platz rar ist.
Die Erfindung lässt sich auf verschiedene Weisen umsetzen, und eine Anzahl von spezifischer Ausführungsformen wird an Hand von Beispielen beschrieben, um die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen zu erläutern:
1 ist eine Ansicht eines Turbulenzcontaktors für die Verwendung im Verfahren der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung des Aufbrechens des Flüssigkeitsfilms in Tröpfchen;
3 ist eine Ansicht eines zweiten, für die Verwendung im Verfahren der vorliegenden Erfindung geeigneten Turbulenzcontaktors;
4 ist eine vergrößerte Ansicht des in 3 im Kreis A gezeigten Einlassteils des Contaktors für den Flüssigkeitsstrom;
5 ist ein Diagramm zum Vergleich der Leistung eines erfindungsgemäßen Contaktors mit einem Contaktor nach dem Stand der Technik,
6 zeigt einen Contaktor ähnlich dem in den Vergleichstests verwendeten Contaktoren, deren Ergebnisse in 5 gezeigt werden;
7 zeigt die H₂S-Konzentration als Funktion der Verweilzeit für einen erfindungsgemäßen Contaktor;
8 zeigt ein Diagramm der Gaskonzentration als Funktion des Abstands vom Contaktor für H₂S und CO₂;
9 zeigt zwei Diagramme, die die Wirkung des Selektivitätsfaktors auf die Absorption von H₂S und CO₂ erkennen lassen;
10a zeigt eine schematische Anordnung von drei in Serie geschalteten erfindungsgemäßen Contaktoren;
10b zeigt ein Konzentrationsprofil der Absorption von H₂S über die drei Contaktoren der 10a; und
11 zeigt ein Diagramm der CO₂-Konzentration als Funktion der Verweilzeit für eine Vielfalt von zahlungsfähigen Lösungungsmittel-Lösungen.
1 zeigt einen Turbulenzcontaktor, der im erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden kann. Der Contaktor 1 weist einen Gasstromeinlass 2, einen Flüssigkeitstromeinlass 3 und einen Auslass 4 auf. Der Gasstrom wird zum Gasstromeinlass geliefert, der zu einem konvergierenden Rohrabschnitt 5 führt. Der konvergierende Rohrabschnitt 5 beschleunigt den Gasstrom, wenn dieser den Flüssigkeitseinlass 3 zum Ende des Rohrabschnitts 5 passiert, wo es eine scharfe Kante 6 gibt. Stromabwärts von dieser scharfen Kante 6 gibt es eine Reaktionszone 7, wo das Gas und die Flüssigkeit vorzugsweise in eine homogene Mischung gemischt werden.
Die Flüssigkeit wird dem Flüssigkeitseinlass 3 zugeführt, von wo aus sie in einer kontrollierten Weise in das Innere des konvergierenden Rohrabschnitts 5 eingespeist wird. Die Flüssigkeit wird dem Rohr in Form eines Ringes um die Innenfläche des Rohres herum zugeführt. Die Anfangsphasengeschwindigkeit der dem Gasstrom ausgesetzten Flüssigkeit wird durch die Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit, den Lückenabstand 8 und den Ringabstand 9 bestimmt. Der Lückenabstand 8 lässt sich durch Bewegung der Blöcke 10 variieren. Die Lücke wird variiert, um das verwendete flüssige Lösungsmittel zu berücksichtigen, dessen Eigenschaften beträchtlich variieren. Der Durchmesser 9 des Flüssigkeitsrings kann durch Ändern des Winkels des konvergierenden Rohrs oder durch Bewegen der Position des Flüssigkeitsrings in Bezug auf das Ende des konvergierenden Rohrs variiert werden.
Der auf der Innenfläche des Rohrs erzeugte Flüssigkeitsring wird vom Gasstrom entlang der Innenfläche des Rohres in Form eines Films 11 gezogen. Dies ist am besten in 2 zu sehen. Der Flüssigkeitsfilm 11 haftet eng an der Seite des Rohrabschnitts 5, bis die scharfe Kante 6 erreicht ist. An dieser Stelle bricht der Flüssigkeitsfilm auf und bildet Fäden 12. Die Erzeugung der Fäden und ihr anschließender Geschwindigkeitsvektor werden von der Relativgeschwindigkeit zwischen den Gas- und den Flüssigkeitsphasen, der Gas-Fküssigkeits-Oberflächenspannung und der scharfen Kante 6 bestimmt. Aufgrund der äußerst turbulenten Bedingungen in der Reaktionszone 7 werden die Fäden 12 weiter in sehr kleine Tröpfchen 13 aufgebrochen, die eine sehr hohes Oberfläche-Volumen-Verhältnis liefern und dadurch die gelieferte Flüssigkeit äußerst wirkungsvoll nutzen. Dies erlaubt im Vergleich zu den Anforderungen der Verfahren nach dem Stand der Technik die Verwendung von beträchtlich kleineren Volumina an Flüssigkeit. Die Tröpfchenbildung in der Reaktionszone wird durch eine hohe We-Zahl und folglich durch eine hohe Gasströmungsgeschwindigkeit begünstigt.
Die kleinen Flüssigkeitströpfchen und der Gasstrom werden in der Reaktionszone 7 eng miteinander vermischt, und der Multiphasenstrom wird weiter durch einen kegelförmigen Diffusor 15 (siehe 1) geleitet, wo ein Teil des durch die Beschleunigung des Gasstroms im konvergierenden Rohrabschnitt 5 bedingten Druckabfalls wieder ausgeglichen wird. Der Multiphasenstrom kann dann zu einem Trenngefäß, z.B. einem Hydrozyklon, weitergeleitet werden, wo der "gereinigte" Gasstrom von der Flüssigkeit getrennt wird, die nun das absorbierte Gas oder die absorbierten Gase enthält. Die Flüssigkeit kann, muss aber nicht, regeneriert werden. Falls sie regeneriert wird, so kann sie über die Flüssigkeitseinlässe 3 erneut in den Prozess eingebracht werden.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines für die Verwendung im erfindungsgemäßen Verfahren geeigneten Contaktor. Der Contaktor 20 weist einen Einlass 22 für den Gasstrom, einen Einlass 23 für den Flüssigkeitsstrom und einen Auslass 24 auf. Der Gasstrom wird zum Gasstromeinlass geliefert, der zu einem konvergierenden Rohrabschnitt 25 für das Beschleunigen des Gasstroms führt. Am Ende des konvergierenden Rohrabschnitts gibt es eine scharfe Kante 26, unterhalb derer sich eine Reaktionszone 27 befindet, wo das Gas und die Flüssigkeit vorzugsweise in eine homogene Mischung vermischt werden. Ein Unterschied zwischen dem Contaktor in 1 und dem in 3 ist die relative Position des Flüssigkeitseinlasses zum Flüssigkeitsring. In diesem Fall wird die Flüssigkeit zum Einlass 23 geliefert, von wo sie durch die Passagen 23a und 23b zu einem Reservoir 23c geleitet wird, das um den Umfang des Rohrs herum führt. Die Flüssigkeit wird dann durch den Kanal 23d geleitet, der wiederum um den ganzen Rohrumfang (siehe 4) herum zu einem Ring auf der Inneren Oberfläche des konvergierenden Rohrabschnitts führt. Infolge der Scherspannungsbedingungen und des dynamischen Druckes, der durch das Gas auf die Flüssigkeit ausgeübt wird, bleibt der Flüssigkeitsstrom an der Oberfläche des Rohres haften, bis die scharfe Kante 26 erreicht ist.
Ein anderer Unterschied zwischen den beiden Contaktoren besteht im Neigungswinkel der konvergierenden Rohrabschnitte 5, 25. Beim Contaktor 20 hat der konvergierende Rohrabschnitt 25 einen beträchtlich steileren Neigungswinkel als der konvergierende Rohrabschnitt des Contaktors 1 und erreicht deshalb einen kleineren Querschnitt bei gleicher Rohrlänge. Das Durchmesserverhältnis zwischen dem schmalen Durchgang und dem Rohr sowie dem Winkel des konvergierenden Konus kann unabhängig variiert werden. Dieser Bereich mit reduziertem Querschnitt führt zu einer größeren Beschleunigung des Gasstroms bei der Annäherung an die scharfe Kante, hat aber auch einen stärkeren Druckabfall zur Folge. Ebenfalls die Auswahl des Winkels des konvergierenden Rohrs, der über dieser Apparatur angepasst werden kann, wird vom permanenten Druckabfall beeinflusst. Wie zuvor aufgezeigt, wird das Aufbrechen der Flüssigkeit in Fäden und anschließend in Tröpfchen von der Weber-Zahl bestimmt. Diese wird durch das Quadrat der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Gas- und den Flüssigkeitsphasen dominiert. Deshalb kann eine geringfügige Veränderung der Geschwindigkeit des Gasstroms, die teilweise durch die vom Winkel des konvergierenden Rohrabschnitts erzeugten Beschleunigung geregelt wird, eine signifikante Wirkung auf das Aufbrechen der Flüssigkeit und folglich auf den Wirkungsgrad des Systems haben.
4 zeigt ein vergrößertes Schnittbild der Fläche innerhalb des Kreises A der 3. Dies zeigt detaillierter den Durchgang der Flüssigkeit durch den Flüssigkeitseinlass 23. Die Flüssigkeit passiert die Durchgänge 23a und 23b zu einer Kammer 23c, die um den Umfang des Rohrs herum führt. Die Flüssigkeit wird dann über den engen Durchgang 23d zur inneren Oberfläche des konischen Rohrabschnitts 25 geleitet. Der Durchgang 23d wird als sehr eng gezeigt und kann in der Größenordnung von nur 0,2 mm sein. Der Druckabfall über diesem Durchgang wird genau gesteuert und eingestellt, um eine homogene Verteilung des kontinuierlichen Flüssigkeitsstroms um den ganzen Rohrumfang beim konvergierenden Rohrabschnitt sicherzustellen. Wie oben gezeigt ist, wird die Größe des Durchgangs 23d durch Bewegung der Blöcke 30 und 31 geregelt. Die punktierte Linie 25a zeigt einen alternativen Neigungswinkel für den konvergierenden Rohrabschnitt 25, der eine höhere Gasphasengeschwindigkeit und damit eine verbesserte Mischung ergibt, aber den permanenten Druckabfall über die Vorrichtung erhöht. Diese Änderung lässt sich einfach durch Ersetzung eines Teils der Vorrichtung durch einen anderen bewirken.
Nachdem sich das Gas und die Flüssigkeit in der Reaktionszone 27 kurz unterhalb der scharfen Kante 26 eng miteinander vermischt haben, kann es einen divergierenden Abschnitt 28 geben, um den Druckabfall teilweise zu kompensieren. Die Länge des Abschnitts 28 lässt sich verändern, um den Grad der Druckrückgewinnung zu steuern. Dem divergierenden Abschnitt 28 folgt vorzugsweise eine beträchtliche Länge eines geraden Rohrs, um das erzeugte Flussverhalten zu bewahren und um weitere Reaktion zu erlauben (siehe 3). Für den geraden Rohrabschnitt wird eine Länge von 15 bis 20 Standardrohrdurchmessern empfohlen.
Typische Abmessungen der Contaktoren können im Bereich von 51–1016 mm (2–40 Zoll) Durchmesser liegen. Insbesondere kann die Vorrichtung für das Spülen von Erdgas einen Rohrdurchmesser 16 (siehe 1) von 610 mm (24 Zoll) mit einem scharfen Kantendurchmesser 17 von 253 mm (10 Zoll) haben. Der Anfangsdurchmesser 18 des divergierenden Rohrabschnitts kann 370 mm (14,5 Zoll) betragen. Wie oben festgestellt, kann der Durchmesser der scharfen Kante zusammen mit der Neigung des konvergierenden Rohres variiert werden, und die scharfe Kante kann auch einen Durchmesser von 296 mm (11,7 Zoll), wie in 3 gezeigt, oder von 272 mm (10,7 Zoll) haben.
Die vorliegende Erfindung kann für das Entfernen von H₂S aus Erdgas verwendet werden. Erdgas kann dem Contaktor mit beliebigem Druck zugeführt werden. Normalerweise wird der Druck zwischen 20 und 150 bar betragen. Als Flüssigkeit werden normalerweise regenierbare Amine, zum Beispiel MEA, DIPA oder MDEA, verwendet. Auch nicht regenierbare Lösungsmittel wie Chemikalien auf Triazinbasis können verwendet werden. Allgemein sind diese Lösungsmittel sehr reaktionsfreudig mit H₂S. Dies bedeutet, dass die Reaktion schnell verläuft und dass ein sehr kleiner Betrag an Flüssigkeit für einen großen Durchsatz von Gas erforderlich ist. Normalerweise kann die Flüssigkeitsströmungsgeschwindigkeit bei einer Anfangskonzentration von typischerweise 10–100 ppm-H₂S im Bereich von 200 bis 1000 l/Stunde und die Gasströmungsgeschwindigkeit im Bereich von 15 Millionen Standard-Kubikmetern pro Tag liegen. Es ist verständlich, dass das Gas-Flüssigkeits-Verhältnis deshalb sehr hoch sein kann, zum Beispiel bis zu 20000, wenn nicht regenierbare Spülflüssigkeiten verwendet werden. Dies ist ein viel höheres Verhältnis als das, mit dem herkömmliche Systeme umzugehen in der Lage sind. Die Reaktionstemperatur kann irgendwo zwischen 0°C und 150°C sein. Die Betriebstemperatur kann gewählt werden, um den Wirkungsgrad des verwendeten Lösungsmittels zu maximieren. Wie oben festgestellt, erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren eine Reduzierung des Flüssigkeitseinsatzes bei nicht regenierbarem Lösungsmittel von beispielsweise 40% im Vergleich mit den Systemen nach dem Stand der Technik. Bei regenerierbaren Lösungsmitteln kann die Selektivität der gewünschten Gaskomponente gegenüber unerwünschter gleichzeitiger Absorption anderer Bestandteile zu ähnlichen oder noch größeren Reduktionen der im System zirkulierenden Flüssigkeitsmenge führen.
5 zeigt die Ergebnisse eines Vergleichstests, der mit einem Gemisch von 10% CO₂ mit Luft unter Verwendung eines flüssigen Lösungsmittels von 20% MEA mit Wasser bei einem Betriebsdruck von 13 bar und einer Temperatur von 15° C durchgeführt wurde. Das Gas-Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeitsverhältnis ist 70, und die oberflächliche Mischungsgeschwindigkeit ist 12 m/s. Die Ergebnisse für den Contaktor der vorliegenden Erfindung sind durch den Code B068 angezeigt. Sie zeigen, dass es eine beträchtliche Reduzierung der Konzentration des CO₂ im Gasstrom nach nur 10 Metern Rohrlänge gibt. Die Vorrichtung für diesen Test hat einen Contaktor ähnlich dem in 1 bei Position 0 Meter gezeigten und hat einen weiteren Mischer ohne Auslassdiffusor bei Position 6,6 Meter unterhalb des Einlasses. Es ist klar, dass das erfindungsgemäße Verfahren eine verbesserte Leistung gegenüber dem Mischer nach dem Stand der Technik ähnlich dem in 6 gezeigten liefert, dessen Ergebnisse durch den Code B049 angezeigt sind.
Der Contaktor 100 in 6 weist ein Gefäß 101 mit einem ersten Flüssigkeitseinlass 102, einem zweiten Flüssigkeitseinlass 103 und einem Auslass 104, der zu einem Venturi-Durchgang 105 führt. Dort befindet sich ein Rohr 106 (perforiert oder nicht perforiert), das vom Auslass 104 zurück zum Gefäß 101 führt.
Für einen Fachmann ist es naheliegend, dass die Ergebnisse der oben beschriebenen Versuche nicht von dem zu absorbierenden Gas oder von dem zur Absorption dieses Gases verwendeten Lösungsmittel abhängen. Es ist daher klar, dass sich das oben genannte Verfahren zur Verteilung einer Flüssigkeit in einen Gasstrom und die anschließende selektive Überführung eines Gases aus einem Gasgemisch in ein flüssiges Lösungsmittel für dieses Gas auf jedes Gas und jedes entsprechende Lösungsmittel anwenden lässt.
Eine Anzahl spezifischer Anwendungen des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird nun detaillierter an Hand von Beispielen beschrieben.
Die Contaktoren der vorliegenden Erfindung können für das Spülen von H₂S aus Gasen, bei denen die Anfangskonzentration von H₂S typischerweise im Bereich von 10–100 ppmv liegen kann, verwendet werden. Wie oben im Oberbegriff der Ansprüche aufgezeigt, wird das Entfernen von H₂S aus Erdgas zur Erfüllung der Rohrleitungsspezifikation (weniger als 20 ppm aus Sicherheitsgründen und im Bereich von 2–4 ppm für Verkaufsqualität) im Allgemeinen entweder in einer konventionelle Gegenstromkolonne auf der Basis regenerativer Aminsysteme oder durch H₂S-Ausspülung ausgeführt. Bei letzterem Prozess reagiert die in den Gasrohrstrom eingespritzte Chemikalie irreversibel mit der H₂S-Komponente des Gasstroms. Da das Spülmaterial nicht regeneriert wird, entstehen hohe laufende Kosten, die mit dem Verbrauch des Spülmaterials assoziiert sind. Die Verwendung der Injektionsverfahren nach dem Stand der Technik ergibt die im Vergleich zum Gasstrom relativ niedrige Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit eine schlechte Flüssigkeitsmischung. Eine bessere Vermischung und folglich ein höherer Wirkungsgrad würde eine Reduzierung der Menge des teuren Spülmaterials erlauben.
Die gegenwärtige Erfindung gewährleistet einen äußerst wirksamen Massentransfer zwischen dem H₂S und dem Lösungsmittel durch effiziente Tröpfchenbildung über die Breite des Rohres. Dies verbessert daher die Wirksamkeit des flüssigen Lösungsmittels und reduziert den Verbrauch der Chemikalie zum Ausspülen des H₂S, ohne den Grad der Reduktion der H₂S- Konzentration zu beeinträchtigen.
Es wurde festgestellt, dass die Verwendung der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung zu einer 30–40 prozentigen Reduktion des Verbrauchs der Spülchemikalie im Vergleich zu konventionellen Spülsysteme geführt hat. Die geringe Größe der Vorrichtung erlaubt ihren Einsatz zusätzlich zu vorhandenen Systemen, um dadurch den Flüssigkeitsaufwand in den vorhandenen Kolonnen zu reduzieren.
Das selektive Entfernen von H₂S kann auch in anderen Bereichen nützlich sein, falls keine Notwendigkeit besteht, den CO₂-Anteil im Gasstrom zu reduzieren. In den Prozessen nach dem Stand der Technik kann ein signifikanter Betrag der Sauergas-Aufnahmekapazität des Amins durch unnötige Absorption von CO₂ in Anspruch genommen werden. Wenn diese Kapazität für die Absorption von H₂S freigehalten werden könnte, ließen sich Anzahl und Größe der Reaktoren und Rohrleitungen und damit der Platzbedarf und die Investitions- und Betriebskosten reduzieren.
Experimentelle Ergebnisse an einem Gasstrom mit den Einspeisungsbedingungen von 20 ppmv H₂S und 10% CO₂ bei einem Druck von 13 bar und einer Gasströmungsgeschwindigkeit von 250 m³/h zeigen, dass sich bei Gas-Flüssigkeits-Strömungsgeschwindigkeitsverhältnisse von mehr als 300, 82% des H₂S entfernen lassen und 90% des H₂S (d.h. bis hinunter auf 2 ppmv H₂S) können mit Strömungsgeschwindigkeitsverhältnissen von etwa 230 entfernt werden. Diese Verhältnisse sind beträchtlich höher, als bei konventionellen Vorrichtungen für dieselbe Aufgabe verwendet werden können.
7 zeigt die fast unmittelbare Wirkung des Contaktors auf die Absorption von H₂S. In weniger als 0,1 s sinkt der H₂S-Anteil von 20 auf 2 ppmv. Mit zunehmender Verweilzeit nimmt stromabwärts die H₂S-Konzentration wieder zu, da CO₂ absorbiert wird. Die Kompensation, auf den in 9 verwiesen wird, berücksichtigt die Gasabsorption, die in den Gasbeprobungsanordnungen stattfindet.
Bei regenerativen Systemen wird der Flüssigkeitseinsatz im System aufgrund der Selektivität der Standard-Aminlösung für H₂S gegenüber CO2 bedeutend reduziert, wenn die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt wird. Die kurze Kontaktzeit, die durch Gleichstrom erreicht wird, erlaubt es, bevorzugt H₂S statt CO₂ zu absorbieren. Es wird daher weniger regenerierbare Flüssigkeit benötigt, und des Einsatzes in der Anlage ist dementsprechend niedriger.
In experimentellen Untersuchungen wurde die Verwendbarkeit der Contaktoren der vorliegenden Erfindung zum selektiven Entfernen von H₂S gegenüber CO2 getestet. Bei Erdgas mit anfangs hohem CO₂ und niedrigem H₂S-Gehalt erfordert das Entfernen von H₂S ein äußerst selektives Verfahren, um H₂S bis zum spezifizierten Niveau zu entfernen. Der Begriff der Selektivität für die H₂S Entfernung zu Lasten des CO₂ kann als relative Änderung der H₂S-Konzentration pro Zeiteinheit geteilt durch die relative Änderung der CO₂-Konzentration pro Zeiteinheit definiert werden. Die Selektivität variiert von Lösungsmittel zu Lösungsmittel.
Die Selektivität bestimmt gemeinsam mit anderen Variablen, wie der Aufnahmekapazität und der Anfangsbelastung des Lösungsmittels, die erforderliche Umlaufgeschwindigkeit des Lösungsmittels. Die Selektivität lässt sich durch Veränderung des ausgesetzten Kontaktbereichs zwischen der Gasphase und dem Lösungsmittel und der Verweilzeit für die tatsächliche Phasenverteilung manipulieren. Der sehr hohe Mischungswirkungsgrad des erfindungsgemäßen Contaktors ergibt kürzere Verweilzeiten als bei konventionellen Kolonnen. Durch die langsamere CO₂-Absorption ist nicht ausreichend Zeit, um die CO₂-Konzentration auf ein signifikantes Niveau zu senken. 8 zeigt ein Gaskonzentrationsprofil für H₂S und CO₂ im Rohr, stromaufwärts des Contaktor der vorliegenden Erfindung. Der Einlassgasstrom enthielt 2,75% H₂S und 1,5% CO₂ und dies ist im Diagramm bei Position 0 m angezeigt. Die Modelle, die verwendet wurden, um die im Diagramm gezeigten Kurven zu erzeugen, beruhen grundsätzlich auf der kinetischen Theorie,1. Ordnung für Sauergasabsorption in einem Contaktor, wie er in 1 oder 3 gezeigt ist. Es ist ersichtlich, dass es im Contaktor zu einer signifikanten Absorption des H₂S-Gases kommt, während praktisch keine solche Absorption von CO₂ erfolgt.
9 zeigt zwei Diagramme, die vorhergesagte Gaskonzentrationen und Lösungsmittelbelastungsprofile entlang einer Contaktorleitung für verschiedene Selektivitätsfaktoren anzeigen. Für den Zweck dieser Diagramme wurde die Wirkung des Contaktors nicht eingeschlossen, und die Kurven zeigen die in Konzentrationsschwankungen entlang einer Rohrleitung. Das Lösungsmittel ist mit 0,001 Mol H₂S/Mol Lösungsmittel vorgeladen. Die oberste Zahl zeigt den Effekt an, dass CO₂ mit zunehmender Entfernung von der Einlassposition absorbiert wird. Sowohl für eine Selektivität. von 25 als auch für eine Selektivität von 200 scheint sich der Wert für CO₂ nicht signifikant gegenüber den anfänglichen 5 Vol.-% zu verändern. Ein Blick auf die Kurven für H₂S zeigt jedoch eindeutig, dass bei der niedrigeren Selektivität von 25 die Konzentration des H₂S im Strom signifikant ansteigt, indem CO₂ absorbiert wird und das H₂S im Lösungsmittel verdrängt. Bei einer Selektivität von 200 ist diese Wirkung viel weniger ausgeprägt und innerhalb des gezeigten Längenmaßstabs unbedeutend. Das zweite Diagramm zeigt die Aufnahme sowohl von H₂S als auch CO₂ durch das Lösungsmittel für eine Vielfalt von Selektivitäten. Auch hier sinkt bei der niedrigeren Selektivität von 25 die H₂S-Konzentration im Lösungsmittel, da das CO₂ absorbiert wird und das H₂S verdrängt.
Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls verwendet werden, um H₂S selektiv gegenüber CO₂ zu absorbieren unter Verwendung von einem regenerierbaren Lösungsmittel in Situationen, wo die Anfangs H₂S-Konzentration höher ist, beispielsweise 2–5 Vol.-% zum Beispiel in Raffinerien. Dies ist besonders vorteilhaft in Situationen, wo das H₂S in einer Claus-Anlage behandelt werden soll, um H₂S in flüssigen Schwefel umzuwandeln. CO₂ wirkt in einer Claus-Anlage als Inertgas und reduziert die Schwefelgewinnungskapazität. Die Verwendung des Verfahrens und die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung mit einem geeigneten Amin bevorzugt die Absorption von H₂S gegenüber CO₂ mittels kinetischer Selektivität. Das H₂S wird fast sofort absorbiert, während das CO₂ über einen viel längeren Zeitraum absorbiert wird.
Eine besonders bevorzugte Anordnung, um die erforderliche H₂S-Absorption zu erreichen, wird in 10a gezeigt, in welcher eine Anzahl von im Gleichstrom arbeitenden Contaktoren der vorliegenden Erfindung in Serie mit dem Lösungsmittel konfiguriert sind, das der letzten Stufe (wo der Ausstrom sauberes Gas ist) zugeführt wurde und in die vorherige Stufe (wo es eine höhere H₂S-Konzentration gibt) wieder eingespeist wird usw.. Das System arbeitet dadurch insgesamt als ein Gegenstrom-Verfahren, obwohl die einzelnen Contaktorstufen immer noch im Gleichstrom arbeiten und dementsprechend von der oben beschriebenen H₂S-Selektivität profitieren. Da der Gasausstrom durch die verschiedenen Stufen geleitet wird, wird das Gas mit einem Lösungsmittel in Kontakt gebracht, dessen Sauergaslast sequentiell sinkt.
10a zeigt eine Anordnung von Contaktoren in Serie, die besonders für die selektive Entfernung von H₂S bevorzugt gegenüber CO₂ verwendet werden kann. Jeder der einzelnen Contaktoren 50, 60, 70 hat seinen eigenen, mit ihm verbundenen Separator 51, 61, 71. Der Sauergasstrom 81 wird in den linken Contaktor 70 zusammen mit einem Lösungsmittelstrom 93 eingespeist, der bereits durch die beiden Contaktoren 50, 60 geflossen ist. Das Gemisch, das den Contaktor 70 verlässt, wird im Separator 71 getrennt, und das H₂S-reiche Lösungsmittel 94 wird vorzugsweise zur Regenerierung gesendet. Der magere Gasstrom 82 wird direkt zum zweiten Contaktor 60 geleitet, wo er mit einem Lösungsmittelstrom 92 behandelt wird, der bereits Contaktor 50 passiert hat. Das Gemisch wird dann erneut in einem Separator 61 getrennt, der Gasstrom 83 wird dem dritten Contaktor 50 und der H₂S-reichere Flüssigkeitsstrom wird dem Contaktor 70 zugeführt. Der Gasstrom 83, der noch immer H₂S enthält, wird mit einem mageren Lösungsmittel aus dem Strom 91 im Contaktor 50 behandelt. Der Anteil von H₂S im Gasstrom wird dann auf ein akzeptables Niveau (z.B. 15 ppm) reduziert, und das behandelte Gas wird vom Separator 51 im Strom 84 entfernt. Das leicht H₂S-angereicherte Lösungsmittel wird im Strom 92 zum zweiten Contaktor 60 geleitet. Auf diese Weise arbeitet das System im Gegenstrom, wobei das am wenigsten belastete (magerste) Gas mit dem am wenigsten belasteten (magerste) Lösungsmittel behandelt wird, jedoch jede einzelne Stufe nach wie vor im Gleichstrom arbeitet. Dadurch werden einige der traditionell mit Gegenstromverfahren assoziierte Probleme vermieden, wie z.B. Schaumbildung, niedrige Reaktionsgeschwindigkeiten und Größe. 10b zeigt Beispiele einer typischen H₂S-Konzentration am Ein- und Auslass für jeden der drei Contaktoren. Wie erwartet findet die größte Absorption von H₂S im dritten Contaktor 50 statt, wenn es mit dem am wenigsten belasteten Lösungsmittel behandelt wird.
Obwohl ein dreistufiges Verfahren in 10a gezeigt wurde, versteht es sich von selbst, dass das gleiche Verfahren natürlich auch für nur zwei Stufen oder für mehr als drei Stufen anwendbar ist. Die Verwendung der Contaktoren der vorliegenden Erfindung, die wegen des äußerst wirksamen Mischens nur eine sehr kurze Verweildauer erfordert, bedeutet, dass H₂S selektiv bevorzugt gegenüber CO₂ absorbiert werden kann. H₂S wird deshalb selektiv über die drei Kolonnen absorbiert, während die gleichzeitige Absorption von CO₂ niedrig gehalten wird. Die gleichzeitige Absorption von CO₂ kann bei nur 3% des in jeder Stufe vorhandenen CO₂ liegen, was nur eine 9–10% gleichzeitige Absorption von CO₂ im gesamten System ergibt. Das kann mit einem Wert von 60% des CO₂ das in herkömmlichen Systemen vorhanden ist, verglichen werden. Das Lösungsmittel, das das System verlässt, wird deshalb wesentlich stärker mit H₂S als mit CO₂ angereichert sein, und die Zufuhr zur Claus-Anlage ist weniger durch Intertgas gehemmt.
Die Contaktoren der vorliegenden Erfindung können ebenfalls zur Hochdruck-Sauergas-Entfernung verwendet werden. Ein besonderer Vorteil der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung ist, dass sie kompakter als konventionelle Systeme ist und deshalb besonders für meerestechnische Anwendungen geeignet ist. Aktuelle Rohrleitungsspezifikationen für Konzentrationen von CO₂ und H₂S liegen im Bereich von 2–4% CO₂ und 2–4 ppm H₂S. Ein erfindungsgemäßer einstufiger Contaktor kann verwendet werden, um gleichzeitig den CO₂ und den H₂S-Gehalt durch Verwendung eines geeigneten Lösungsmittels auf ein akzeptables Maß zu reduzieren. Natürlich könnte auch ein Mehrstufensystem verwendet werden, um den Gehalt an diesen Sauergaskomponenten weiter zu reduzieren. Wenn z.B. die H₂S-Konzentration am Einlass besonders hoch ist, beispielsweise 100 ppm – 5Vol.-%, dann kann es erforderlich sein, weitere Stufen für die Reduktion von H₂S auf das geforderte Maß von 2–4 ppm vorzusehen.
11 zeigt Kurven der CO₂-Konzentration als Funktion der Verweilzeit für drei verschiedene Lösungsmittel. Es ist erkennbar, dass die Verwendung von MDEA mit Aktivator 2 bei einem Gas-Flüssigkeits-Verhältnis von 30 eine ähnliche CO₂-Konzentration bewirkt wie eine 20%ige Lösung von MEA bei einem Gas-Flüssigkeits-Verhältnis von 35. Mit den niedrigeren Gas-Flüssigkeits-Verhältnissen war es möglich, Lösungsmitteln Aufnahmekapazitäten von 0,63 Mol CO₂ pro Mol Amin unter Verwendung des erfindungsgemäßen Contaktors zu erhalten. Die Versuchsergebnisse zeigen deshalb, dass sowohl die selektive Entfernung von H₂S als auch die Entfernung eines Großteils des CO₂ mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erreicht werden können. Jede Konzentration von zugeführtem Sauergas innerhalb des oben erörterten Bereichs kann deshalb mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und durch Auswahl eines geeigneten Lösungsmittels und Kontaktsystems behandelt werden.
Die vorliegende Erfindung lässt sich auch zur Desoxidation von Wasser verwenden. Bevor Meerwasser in das Aufnahmegefäß injiziert werden kann, muss darin gelöster Sauerstoff entfernt werden, um unerwünschte Sauerstoffanreicherung und Bakterien- bzw. Algenwachstum im Aufnahmegefäß zu reduzieren. Meerwasser enthält an der Oberfläche üblicherweise etwa 12 ppm gelösten Sauerstoff, während der erforderliche Sauerstoffanteil in zur Injizierung bestimmtem Wasser bei 20–40 ppb liegt. Herkömmliche Vorrichtungen zur Desoxidation von Meerwasser weisen die Abscheidung mit Erdgas in einer Gegenstromkolonne bei atmosphärischem Druck oder unter Vakuum auf. Sauerstoffreste werden mittels Sauerstoff Spülchemikalien entfernt. Dies ist ein kostspieliger Vorgang, da die Anlage groß und schwer ist. Das Seewasser wird vor der Injizierung in das Aufnahmegefäß auch mit mehreren weiteren Chemikalien vorbehandelt.
Chemische Entlüftung ist ein weiteres bewährtes Verfahren und hat in der chemischen Industrie und in Hochtemperaturwassersystemen (z.B. Dampfsysteme) Anwendung gefunden. Auch bei Speicherwassereinspritzanwendungen wird der Sauerstoff chemisch entfernt. Jedoch werden Chemikalien aufgrund der großen Strömungsgeschwindigkeiten nur verwendet, um nach dem Abscheiden Sauerstoffreste zu entfernen. Dies wird als O₂-Spülung bezeichnet.
Die Vorrichtung und das Verfahren der vorliegenden Erfindung können verwendet werden, um ein wirksameres Verfahren für die Desoxidation von Wasser zu liefern. Die Verwendung von Erdgas in einer Reihe von Contaktoren ist eine äußerst platzsparende Möglichkeit, um die Sauerstoffkonzentration auf den erforderlichen Grenzwert zu reduzieren.
Gleichermaßen lassen sich die Vorrichtung und das Verfahren zur Entwässerung von Erdgas verwenden. Traditionell wird Wasser mit Hilfe eines glykolartigen Lösungsmittels absorbiert. Die Contaktoren der vorliegenden Erfindung können in Serie geschaltet werden, um Wasser aus dem Erdgas zu entfernen, bevor dieses zum Kunden gelangt. In Verfahren, in denen auch die Entfernung von Sauergas erforderlich ist, kann die Dehydrationsanlage stromabwärts des Systems zur Entfernung von Sauergas eingebaut werden.
Die oben genannten Verwendungsmöglichkeiten sind lediglich Beispiele für die Flexibilität der Vorrichtung und des Verfahrens der vorliegenden Erfindung und sind nicht einschränkend gemeint.

Claims

Verfahren zum Verteilen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom, welches die Abgabe einer Flüssigkeit in ein Rohr (5) aufweist, in welchem ein Gasstrom fließt, wobei der Gasstrom die Flüssigkeit in einen Film entlang der inneren Oberfläche des Rohres zu einer scharfen Kante (6) am Ende des Rohres (5) zieht, wobei an diesem Punkt die Flüssigkeit von der Oberfläche des Rohres abreißt und sich eng mit dem Gas vermischt, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit dem Rohr in Form eines Ringes um die innere Oberfläche des Rohres mit Hilfe einer ringförmigen Kammer (23c) zugeführt wird, welche zu einem schmalen Durchgang (23d) führt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren als kontinuierlicher Vorgang ausgeführt wird, bei dem das Gas und die Flüssigkeit im Gleichstrom fließen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rohrabschnitt, der stromaufwärts von der Reaktionszone, in der der Gasstrom fließt, angeordnet ist, ein konvergierender Rohrabschnitt ist, der das Gas beschleunigt, während es den Flüssigkeitsring passiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner den Schritt aufweist, eine Gasphase und eine Flüssigphase nach dem turbulenten Mischen zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Gemisch, vor der Trennung in eine Gasphase und eine Flüssigphase, abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Flüssigphase darauffolgend behandelt wird, um jegliche absorbierte Gasbestandteile zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Behandlung durch Erwärmen und/oder durch Entspannen der absorbierten Gasbestandteile in einem Entspannungsbehälter ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kühlung nach dem Mischen und die regenerative Erwärmung zumindest zum Teil durch wechselseitigen Wärmeaustausch erreicht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die behandelte Flüssigkeit zur Flüssigkeitszufuhr (3) zum Rohr (5) rückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Flüssigphase (ohne Behandlung) zur Flüssigkeitszufuhr (3) zum Rohr (5) rückgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Gasstrom ein Gemisch ist, aus dem eine oder mehrere ausgewählte Komponenten unter Verwendung von einem oder mehreren Lösungsmitteln oder Reagenzien entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Gasgemisch eine oder mehrere Säuregaskomponenten enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Gasstrom ein einzelnes Gas ist, das absorbiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach der Reaktionszone ein divergierender Abschnitt (15) des Rohres angeordnet ist, um das Gas auszudehnen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein zweiter Contaktor mit dem ersten in Serie angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei vor der scharfen Kante eine weitere Flüssigkeitszufuhr zum zweiten Contaktor besteht.
Vorrichtung zum Verteilen einer Flüssigkeit in einen Gasstrom, die einen Turbulenzcontaktor (1) mit einem kontraktierenden Rohrabschnitt (5), durch welchen ein Gasstrom fließt, einen Flüssigkeitseinlass (3), eine scharfe Kante (6) am Ende des kontraktierenden Rohrabschnitts (5) und einen weiteren Rohrabschnitt (15) stromabwärts der scharfen Kante aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitseinlass so angeordnet ist, dass er einen Flüssigkeitsring um den Innenumfang des Rohres mit Hilfe einer ringförmigen Kammer (23c) erzeugt, die zu einem schmalen Durchgang (23d) führt.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei ein divergierender Abschnitt stromabwärts der scharfen Kante angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, wobei die scharfe Kante im Wesentlichen ein rechter Winkel ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der Gasstrom und die Flüssigkeit im Contaktor zu einem homogenen Gemisch geformt werden.
Verwendung eines Turbulenzcontaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 20, um eine ausgewählte Gaskomponente aus einem Gasstrom zu absorbieren, indem der Gasstrom mit einer Flüssigkeit in Kontakt gebracht wird, einschließlich eines Lösungsmittels oder eines Reagenz für die ausgewählte Gaskomponente.
Verwendung eines Turbulenzcontaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 20 zum Spülen von H₂S aus Erdgas.
Verwendung eines Turbulenzcontaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 20 zum wahlweisen Entfernen von H₂S aus einem Erdgas bevorzugt gegenüber CO₂.
Verwendung eines Turbulenzcontaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 20 zum gleichzeitigen Entfernen von Säuregaskomponenten aus einem Erdgasstrom.
Verwendung eines Turbulenzcontaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 20 in Kombination mit bestehenden Säulen, um eine bestehende Anlage anzupassen, um einer Änderung bei den Zufuhrbedingungen zu entsprechen.
Verwendung eines Turbulenzcontaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 20, um Wasser den Sauerstoff zu entziehen.
Verwendung eines Turbulenzkontaktors nach einem der Ansprüche 17 bis 20, um Erdgas zu entwässern.