Sauerstoffanreicherung. Effizienzsteigerung und Prozessintensivierung durch Sauerstoff. 21 ist nicht genug.

Transkript

1 Sauerstoffanreicherung Effizienzsteigerung und Prozessintensivierung durch Sauerstoff. 21 ist nicht genug.

2 02 Sauerstoffanreicherung Prozessoptimierung mit minimalem Aufwand. Sauerstoff erhöht die Effizienz von Luftoxi dationen. Oxidationsreaktionen nehmen im breiten Spektrum prozesschemischer Vorgänge eine wichtige Rolle ein. Molekularer Sauerstoff ist dabei das mit Abstand wichtigste Oxidationsmittel und wird in zunehmendem Maße als Reingas eingesetzt. Historisch gewachsen findet aber auch eine Vielzahl von Verfahren Einsatz, die auf der Anwendung von Luft als Oxidationsmittel basieren. Aufgrund des hohen N 2 -Gehaltes von 78 Vol.-% ist ihr Oxidationspotenzial jedoch stark eingeschränkt. Darüber hinaus sind große, sich inert verhaltende Gasmengen durch den Prozess zu schleusen, die sowohl aufgewärmt als auch abgekühlt werden müssen und auch bei der Abgasbehandlung einen erheblichen Aufwand verursachen. In vielen Fällen lässt sich das Oxidationspotenzial durch den Zusatz von gasförmigem Sauerstoff (GOX) zur Prozessluft deutlich erhöhen (vgl. Grafik unten). Typische Gründe für eine Anwendung dieser sogenannten O 2 -Anreicherung, die meist ohne großen Aufwand realisiert werden kann, sind u. a. Limitationen in der Prozessluftversorgung, die geforderte Erhöhung der Kapazität oder überlastete Abgasbehandlungsstufen. OXYMIX Sauerstoffinjektor für die Sauerstoffanreicherung Verminderter Gasfluss durch O 2 -Anreicherung Luftbetrieb Geringe O 2 -Anreicherung bewirkt signifikante Senkung des Gasflusses Gasfluss 0 2 -angereicherte Luft [%] Gehalt in der angereicherten Luft [%]

3 Sauerstoffanreicherung 03 Thermische Luftoxidationen. Das volle Potenzial ausschöpfen. Claus-Prozess Durchsatz und Effizienz erhöhen Claus-Anlagen in Raffinerien verarbeiten hoch konzentrierte Schwefelwasserstoff (H 2 S)-Fraktionen und setzen diese in elementaren Schwefel um. Sie können außerdem Verunreinigungen entfernen, insbesondere durch die Umwandlung von Ammoniak in Stickstoff und Wasser. Strengere Umweltgesetze führen dazu, dass die Produkte einen niedrigeren Schwefelgehalt enthalten. In der Folge nimmt der H 2 S- Durchsatz in den betroffenen Claus-Anlagen stetig zu. Diese Steigerung kann in den Claus-Anlagen dazu führen, dass es zu Engpässen in der Verarbeitung kommt. Um dieses Problem zu lösen, empfiehlt Linde die Sauerstoff anreicherung der Brennerluft. Vorteile der Sauerstoffanreicherung: Höhere Kapazität der Claus-Anlage Steigerung der Produktivität ohne Änderung des Druckabfalls Geringerer Aufwand für Abgasreinigung (reduzierter Stickstoffdurchsatz), weniger Heizgas Effektivere Verbrennung von ammoniakhaltigen Einsatz stoffen (reduzierte Gefahr von Salzablagerungen, Verstopfung und Korrosion) Kapazitätsausweitung durch erhöhten Sauerstoffgehalt Effizienz der Ammoniakreduzierung durch angereicherte Luft 90 % H 2 S 70 % H 2 S 50 % H 2 S 30 % H 2 S Steigerung der Produktivität [%] Neuer Brenner nötig Effizienz der Ammoniakreduzierung: Luft vs. angereicherte Luft [%] Luft Sauerstoffgehalt [Vol.-%] Sauerstoffgehalt [Vol.-%]

4 04 Sauerstoffanreicherung FCC-Prozess Kapazität und Flexibilität bestmöglich steigern Das katalytische Fließbett-Cracken (FCC-Verfahren) ist ein äußerst wichtiger Prozess bei der Veredelung schwerer Rückstände in einer Raffinerie. Mit diesem Verfahren wird in erster Linie Vakuumgasöl aus der Rohdestillationsanlage in Benzin-Blending-Komponenten und Heizöle umgewandelt. Beim FCC-Verfahren werden mithilfe eines Katalysators schwere und komplexe Kohlenwasserstoffe in leichtere gespalten. Als Ausgangsprodukt wird Vakuumgasöl eingesetzt, häufig gemischt mit Raffinerierückständen. Hierbei kommt es zu Koksablagerungen auf dem Katalysator, die kontinuierlich im Regenerator abgebrannt werden müssen. Dieser Abbrand kann durch Sauerstoffanreicherung verbessert werden. CEPSA Raffinerie in San Roque, Spanien Vorteile der Sauerstoffanreicherung: Steigerung der FCC-Kapazität Höhere Flexibilität bei der Auswahl der Einsatzstoffe Verwendung schwererer Einsatzstoffe Erhöhung der Konversion Reduzierung der Rückstände

5 Sauerstoffanreicherung 05 Abwasserverbrennung Verbrennung niederkalorischer Medien Gasverbrauch bei der Abwasserverbrennung senken Die Sauerstoffanreicherung bietet bei der Verbrennung von kontaminierten Abwässern, die chemisch/biologisch nicht mehr weiter aufbereitet werden können, entscheidende Vorteile. Aufgrund ihres niedrigen Wärmegehalts sind enorme Aufwendungen für die Verbrennung der Abwässer notwendig (Stützflamme). Durch Zugabe von Sauerstoff in die Verbrennungsluft kann die Kapazität der Anlagen bei gleichzeitig verringertem Gasverbrauch stark ausgeweitet werden. Bei der Verbrennung wird das Abwasser zerstäubt und in die Gasphase überführt, mit der Verbrennungsluft vermischt und auf ca. 850 bis 1200 C erhitzt. Die enthaltenen organischen Inhaltsstoffe reagieren dabei fast vollständig zu CO 2 und Wasser, als Rückstand verbleiben nicht brennbare anorganische Stoffe. Bei Problemen mit NO x -Grenzwerten kann die Sauerstoffdosierung direkt über spezielle Lanzen in den Nachverbrennungsraum erfolgen. Vorteile der Sauerstoffanreicherung: Geringerer Heizgasverbrauch Kapazitätserhöhung Reduzierung der Abgasmenge Schwachgase in der Metallurgie Wirkungsgrad entscheidend verbessern Seit vielen Jahren hat der Trend zur Energieeinsparung zur Folge, dass in zunehmendem Maße Inhouse-Gase bzw. Kuppelgase Koksofen-, Hochofen- oder Konvertergase energetisch genutzt werden. In integrierten Hüttenwerken stehen vorwiegend große Mengen an Brennstoffen mit geringen Heizwerten zur Verfügung. Durch die Verbrennung von Hochofengas mit Sauerstoff wird sowohl die adiabate Verbrennungstemperatur von z. B C auf 1685 C als auch der feuerungstechnische Wirkungsgrad angehoben. Eine O 2 -Anreicherung von nur 3 % beim Konvertergas bewirkt dabei in vielen Fällen eine Steigerung des Wirkungsgrades um 5 %. Vorteile der Sauerstoffanreicherung: Optimierung der Verbrennung Steigerung des feuerungstechnischen Wirkungsgrades Weitere Anwendungsbereiche: Grubengase Deponiegase

6 06 Sauerstoffanreicherung Katalytische Luftoxidationen. Mehr Ausbeute, weniger Abgas. Gas-/Flüssig-Oxidationen O 2 -Anreicherung bei Gas-/Flüssig-Oxidationen Bei Gas-/Flüssig-Oxidationen wird zunehmend der Einsatz von gasförmigem Sauerstoff in Betracht gezogen. So kann hierdurch beispielsweise bei der Produktion von Peroxiden oder der Oxidation von Toluol- Derivaten eine höhere Effizienz erreicht werden. Grundsätzlich gibt es zwei Sauerstoffanwendungen, die bei Oxidationsprozessen entscheidende Verbesserungen ermöglichen: Sauerstoffanreicherung der Oxidationsluft Total-Substitution von Luft durch Sauerstoff Vorteile der Sauerstoffanreicherung: Höherer Durchsatz und verbesserte Selektivität Konstante Umsetzungsrate bei niedrigerer Temperatur Einsparungen bei Betriebskosten Änderung zur Luftoxidation [%] Abgas Ausbeute 9,6-1, ,3-3,5 27 O 2 -Anreicherung [Vol.-%] Mögliche Anwendungsfelder: Produktion von Chemikalien wie Terephthalsäure = PTA (aus Xylol) Phenol und Aceton (aus Cumol) Polyamide, z. B. Nylon (aus Cyclohexanon) Benzoesäure (aus Toluol) Dimethyltherephthalat (aus Xylol) Experimente mit O 2 -Anreicherung: Erzielbare Effekte bei der Luftoxidation von Cumol zu Cumolhydroperoxid

7 Sauerstoffanreicherung 07 Sauerstoff belebt die Biotechnologie. Beste Ergebnisse durch beste Bedingungen. In der Biotechnologie ergibt sich durch die Anwendung von Sauerstoff in der Begasungsluft eine Vielzahl von positiven Effekten. Generell führt die gleichbleibend hohe Gasqualität zu stabileren Prozessen. Dabei lässt sich die Qualität des Sauerstoffs exakt den Anforderungen anpassen. Wirtschaftlichkeit im Fokus Durch die Verkürzung der Prozessdauer wird der Fermenter bei mikrobiellen Fermentationsprozessen optimal genutzt und die Raum-Zeit-Ausbeute kann deutlich gesteigert werden. Zudem verringert sich das Fermentervolumen, bei einer gleichzeitigen Steigerung der Produktivität. Diese Prozessoptimierung führt zu einem verringerten Medienbedarf und einer Erhöhung der Wirtschaftlichkeit um bis zu 45 %. Optimierte Prozesse erhöhen die Leistungsfähigkeit Ein weiterer Vorteil ist die Reduzierung des Energieeintrags in den Fermenter aufgrund des geringeren Gaseintrags, da nur das tatsächlich für den Prozess benötigte Gas durch den Fermenter geschleust wird. Gegen Ende der Fermentation wirkt der Sauerstoff gezielt einer auftretenden Limitation entgegen. So lassen sich bei der Kultivierung hohe Zelldichten zur Prozessmaximierung erreichen. Außerdem reduzieren sich die Scherkräfte. Davon profitieren insbesondere Zellkulturen aufgrund ihrer dünnen Zellwände. Die geringere Begasungsrate vermindert auch die Schaumbildung, wodurch sich die Zudosierung von Entschäumern verringern lässt. Vorteile der Sauerstoffanreicherung: Steigerung der Produktivität um bis zu 45 % Prozessoptimierung durch hohe Zelldichten Reduzierung des Gaseintrags in den Fermenter Verminderte Scherkräfte und Schaumbildung Zeitvorteil durch Sauerstoffanreicherung bei der Fermentation von E. Coli Luftbegasung O 2 -Anreicherung 60 X [g/l] Fermentation Rüstzeit Fermentation Rüstzeit Fermentation Fermentation Rüstzeit Zeit [h]

8 08 Sauerstoffanreicherung Perfekt abgestimmte Hardware. Hightech für höchste Ansprüche. Grundsätzlich sind zur Einbindung einer Sauerstoffversorgung neben einer Sauerstoffquelle oftmals eine O 2 -Produktionsanlage (On-Site) zudem eine Gasmess- und Regeleinheit (FLOWTRAIN ) sowie eine Vorrichtung zur Gasinjektion in die Prozessluftleitung nötig. Insbesondere bei der Realisierung von Sauerstofftests im technischen Maßstab wird bevorzugt das folgende Versorgungssystem eingesetzt, das auf flüssigem Sauerstoff (LOX) basiert. Versorgungssystem mit flüssigem Sauerstoff (LOX) O 2 Luft Angereicherte Luft zum Oxidationsreaktor LOX-Tank Verdampfer FLOWTRAIN Gasinjektor (OXYMIX ) OXYMIX ist eine Marke der Linde Group. FLOWTRAIN ist eine eingetragene Marke der Linde Group.

9 Sauerstoffanreicherung 09 FLOWTRAIN FT300 für den Einsatz in einer Claus-Anlage OXYMIX optimale Sauerstoffverteilung durch gleichmäßige Vermischung Die Luft und der zusätzlich zugeführte Sauerstoff müssen innerhalb einer kurzen Mischstrecke komplett miteinander vermischt werden, um eine zuverlässige Sauerstoffanalyse und eine homogene Oxidation im nachgeschalteten Reaktor zu erhalten. Dabei ist es entscheidend, die Bildung von Zonen mit hoher Sauerstoffkonzentration im Reaktor zu verhindern, da hierdurch lokal zu hohe Temperaturen auftreten können. Diese Hotspots können zu unkontrollierbaren Reaktionen führen. Zudem kann sich durch eine ungleiche Sauerstoffverteilung das Explosionsrisiko erhöhen. Die Konstruktion des OXYMIX -Sauerstoffmischers basiert auf CFD- Simulationen (CFD = Computational Fluid Dynamics). Über Düsen, die auf einem Lochkreis gleichmäßig verteilt sind, wird der Sauerstoff in einem bestimmten Winkel entgegen der Luftströmung eingetragen. Dabei mischt der OXYMIX Luft und Sauerstoff vollständig innerhalb einer kurzen Mischstrecke. Dadurch treten keine hohen Sauerstoffkonzentrationen an der Rohrwand auf und die Risiken der Sauerstoffanreicherung werden reduziert. FLOWTRAIN sicher und gezielt dosieren In Abhängigkeit von der Prozessluftmenge dosiert FLOWTRAIN Sauerstoff bis zur gewünschten Konzentration in die Prozessluft. Für das Einblasen selbst kommt ein OXYMIX -Sauerstoffinjektor zum Einsatz, der für die jeweilige Anwendung ausgelegt ist. Bei einer Flüssigversorgung wird eine Druckregelung vorgeschaltet. FLOWTRAIN -Anlagen sind gemäß ATEX 95 ausgeführt und für einen Betrieb in Ex-Zone 1 zugelassen. Der Werkstoff der verarbeiteten Teile ist Edelstahl oder gleichwertiges Material. Für einen sicheren Betrieb kommt im Falle der Abschaltung das Blockand-Bleed -Konzept zum Tragen. Hierbei schließen sich ein Schnellschlussventil am Eintritt und das Regelventil am Austritt. Die Rohrstrecke zwischen diesen beiden Ventilen wird durch ein Auf-/Zu-Ventil entlüftet. Damit ist sichergestellt, dass weder von der Luftleitung noch aus dem Sauerstofftank Gas in den anderen Bereich strömen kann. Je nach Sauerstoffbedarf stehen FLOWTRAIN -Anlagen mit einem Sauerstoffdurchsatz von 50 bis Nm³/h zur Verfügung. Beispiel einer CFD-Simulation eines OXYMIX Längsschnitt Querschnitt bei z = 0 Querschnitt bei z = 2D Sauerstoffverteilung in Längs- und Querschnitten der Luftleitung. Betriebsdaten: Luftgeschwindigkeit 5 m/s, Sauerstoffanreicherung 24 Vol.-%.

10 10 Sauerstoffanreicherung Service mit Weitsicht. Aus Erfahrung die richtigen Entscheidungen treffen. Testanlagen In der Regel gehen der technischen Anwendung einer O 2 -Anreicherung experimentell fundierte Untersuchungen voraus, um eine verlässliche Prognose der zu erwartenden Effekte abgeben zu können. Linde verfügt über die dafür nötigen Anlagen und Instrumente, die bei vergleichbaren Reaktionssystemen erfolgreich erprobt wurden. Neben einer modular gebauten, mobilen Rührkesseltechnikumsanlage kommen eine Blasensäule sowie die entsprechende Software zum Einsatz. Funktionen der Software: Ermittlung kinetischer Daten Maßstabsübertragung auf technisch angewandte Oxidationsreaktoren; d. h. Rührkessel oder Blasensäulen Simulation technischer Reaktoren Rührkesseltechnikumsanlage zur Untersuchung von Gas-/Flüssig-Reaktionen

11 Sauerstoffanreicherung 11 Unsere Leistungen geben Planungssicherheit. Von der Analyse bis zum Betrieb. Die langjährige Erfahrung von Linde im Umgang mit Gasen bildet zusammen mit dem umfassenden verfahrenstechnischen Know-how die Grundlage für eine effiziente und individuelle Projektbearbeitung. Zunächst wird ermittelt, welche Möglichkeiten einer Sauerstoffanreicherung bestehen. Leistungsfähige und erprobte Prozess-Simulationsprogramme sowie Stoffdatenbanken gewährleisten dabei eine optimale Auslegung, einen sicheren Anlagenbetrieb sowie den wirtschaftlichen Einsatz des technischen Sauerstoffs. Unsere erfahrenen Experten beraten Sie gerne bei der Projektierung Ihrer Sauerstoffversorgung und erstellen ein durchdachtes Konzept nach Ihren Vorgaben. Wenden Sie sich bei Fragen bitte an Ihren zu ständigen Außendienstmitarbeiter. Weitere Informationen zu diesem Thema finden Sie unter Umfangreiches Leistungspaket für jede Projektphase: Experimentelle Untersuchungen, z. B. bei Gas-/Flüssig-Oxidationen in einer Rührkesseltechnikumsanlage Unterstützung bei der Auswertung Ihrer Daten Rechnerische Ermittlung der Auswirkungen auf die Großanlage Erarbeitung einer technischen Lösung Unterstützung bei Sicherheitsbetrachtungen Zusammenarbeit bei Versuchen im technischen Maßstab Lieferung, Installation sowie Inbetriebnahme der Einrichtungen zur Sauerstoffversorgung und -injektion inklusive spezifischer Messund Regeltechnik Ausarbeitung eines optimierten Konzeptes zur Sauerstoffversorgung und -lieferung

12 Vorsprung durch Innovation. Linde ist mehr. Linde übernimmt mit zukunftsweisenden Produkt- und Gasversorgungskonzepten eine Vorreiterrolle im globalen Markt. Als Technologieführer ist es unsere Aufgabe, immer wieder neue Maßstäbe zu setzen. Angetrieben durch unseren Unternehmergeist arbeiten wir konsequent an neuen hochqualitativen Produkten und innovativen Verfahren. Linde bietet mehr wir bieten Mehrwert, spürbare Wettbewerbsvorteile und erhöhte Profitabilität. Jedes Konzept wird exakt auf die Bedürfnisse unserer Kunden abgestimmt. Individuell und maßgeschneidert. Das gilt für alle Branchen und für jede Unternehmensgröße. Wer heute mit der Konkurrenz von morgen mithalten will, braucht einen Partner an seiner Seite, für den höchste Qualität, Prozessoptimierungen und Produktivitätssteigerungen tägliche Werkzeuge für optimale Kundenlösungen sind. Partnerschaft bedeutet für uns jedoch nicht nur wir für Sie sondern vor allem wir mit Ihnen. Denn in der Kooperation liegt die Kraft wirtschaftlichen Erfolgs. Linde ideas become solutions. Für Sie einheitlich erreichbar bundesweit in Ihrer Nähe. Vertriebszentren/Kundenservice allgemein Berlin Hannover München Düsseldorf Leuna Nürnberg Hamburg Mainz Stuttgart Telefon * Telefax * Linde AG Gases Division, Linde Gas Deutschland, Seitnerstraße 70, Pullach, L&P * 0,09 pro Minute aus dem dt. Festnetz, Mobilfunk bis 0,42 pro Minute. Zur Sicherstellung eines hohen Niveaus der Kundenbetreuung werden Daten unserer Kunden wie z. B. Telefonnummern elektronisch gespeichert und verarbeitet.