Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3586
Main Title: Kohlendioxid-Abtrennung in der Gasaufbereitung des Prozesses der oxidativen Kupplung von Methan
Translated Title: Carbon dioxide separation in the gas scrubbing of the oxidative coupling of methane process
Author(s): Stünkel, Steffen
Advisor(s): Wozny, Günter
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Abtrennung von Kohlendioxid im Prozess der oxidativen Kopplung von Methan in der Gasaufbereitung des Reaktionsproduktgases untersucht und bewertet. Eine besondere Herausforderung stellten die Prozessbedingung des Verfahrens: der hohe Druck und der Anteil des Wertproduktes Ethylen im aufzuarbeitenden Rohgas dar und wurden bisher nicht umfassend untersucht. Ethylen ist Ausgangsstoff vielfältiger Synthesereaktionen und somit ein wichtiger Grundstoff in der chemischen Industrie. Heutzutage wird Ethylen durch Crackverfahren aus Rohbenzin oder Ethan gewonnen. An der TU Berlin wird im Rahmen des Excellence Clusters Unifying Concepts in Catalysis ein alternatives Verfahren zur Ethylenherstellung im Miniplant-Maßstab untersucht. Hierbei wird Methan katalytisch zu Ethylen umgesetzt, unter Zufuhr von Sauerstoff und Bildung von Wasser. Für die Weiterverwendung müssen die bei der Reaktion entstehenden, unerwünschten Nebenprodukte in der nachgelagerten Gasaufbereitung abgetrennt werden. In einer ersten Stufe muss das Kohlenstoffdioxid bei einem Druck von bis zu 32 bar abgetrennt werden, was im Rahmen der vorliegenden Arbeit untersucht wurde. Für eine repräsentative Rohgaszusammensetzung wurden verschiedene mögliche Prozessalternativen für die Kohlendioxidabtrennung des Prozesses bezüglich des Energieeinsatzes und der Produktverluste gegenübergestellt und miteinander verglichen. Als Referenzprozess wurde eine chemische Absorption mit Absorbensregeneration in Form einer Desorption für ein Absorbens mit 30 Gew% Monoethanolamin untersucht. Hierzu wurde der Prozess in einem kommerziellen Prozesssimulator implementiert und anschließend für experimentelle Untersuchungen im Miniplant-Maßstab aufgebaut. Eine Gegenüberstellung der Konzentrations- und Temperaturprofile der Simulationen mit den Ergebnissen der Experimente zeigt eine gute Übereinstimmung. In einem weiteren Teil der Arbeit wurden ein alternatives Absorbens sowie eine prozesstechnische Alternative in Form eines Gaspermeationsverfahrens untersucht. Die Verwendung des alternativen Absorbens, bestehend aus 37 gew% Methyldiethanolamin und 3 gew% Piperazin, im Referenzprozess führte zu einer Verringerung des Energiebedarfs um 30% bei der Absorbensregeneration. Die ebenfalls hierbei erzielte höhere Gasreinheit des Reingases führt zu einer Reduktion der Absorberhöhe um 15% und somit zu einer Equipment Reduktion. Die Prozessalternative der Gaspermeation wurde ebenfalls als Simulationsmodell in einem kommerziellen Prozesssimulator implementiert und eine Simulationsstudie für verschiedene Membranmaterialien zum Einsatz im Prozess der Oxidativen Kopplung von Methan durchgeführt. Anschließend wurden die Ergebnisse für eine Polyimid Membran experimentell in einem Membrantaschenmodul des Helmholtz-Zentrums Geesthacht validiert. Eine anschließende Prozessverschaltung der Membran mit dem Absorptions-/Desorptionsprozess führte zu einer weiteren Reduktion des Regenerationsbedarfs von 20 bis 40% im Vergleich zum alleinigen Absorptionsprozess sowie zu einer Reduzierung der Absorberhöhe um bis zu 25%. Neben den aufgezeigten Einsparpotentialen konnten die Prozessmodelle für die Verwendung in einer weiterführende Gesamtprozesssynthese und -optimierung validiert werden.
In this work the separation of carbon dioxide was investigated and evaluated in the gas purification of the reaction product for the oxidative coupling of methane process. The process conditions were a challenge of this work, particular the high pressure and the amount of the product ethylene in the raw gas and have not been investigated previously. Ethylene is a feedstock for different reactions and synthesis and therefore an important raw material in the chemical industry. Today, ethylene is produced by steam cracking of naphtha or ethane. At the TU Berlin, an alternative ethylene production process is investigated in mini-plant scale in the framework of the Cluster of Excellence Unifying Concepts in Catalysis. Hereby methane is converted catalytically to ethylene, under the supply of oxygen and production of water. For further use of the reaction product, the undesirable by-products have to be removed in the downstream gas processing. In a first step, the carbon dioxide must be separated at a pressure of up to 32 bar, which was investigated in the present work. For a representative raw gas composition were different alternatives for the carbon dioxide removal in the process with respect to energy use and product losses contrasted and compared. The reference carbon dioxide separation process is a chemical absorption with integrated desorption as regeneration step. As reference absorbent monoethanolamine with 30% by weight was investigated. To this end, the process was implemented in a commercial process simulator, and then built for experimental investigations in the mini-plant scale. The comparison of the concentration profiles and temperature profiles for several working points exhibit a good agreement of the simulations with the experimental results. In another part of this work an alternative absorbent as well as a technical process alternative in terms of a gas permeation process were investigated. The use of the alternative absorbent, consisting of 37% by weight methyldiethanolamine and 3% by weight piperazine, led to a reduction by 30% of regeneration energy. Furthermore was higher gas purity of the pure gas achieved, which leads to a reduction of the absorber height by 15% and thus to equipment reduction. The alternative process of gas permeation was also implemented as a simulation model in a commercial process simulator, and was conducted with a simulation study for different membrane materials for use in the oxidative coupling of methane process. Then, the best performed material, a polyimide membrane were experimentally tested and validated in a flat sheet membrane module that is designed in envelope type from the Helmholtz-Zentrum Geesthacht. Subsequent process combination of the membrane module with the absorption/desorption process resulted in further reduction of the requirements regeneration energy of 20 to 40% in contrast to the stand alone absorption/desorption process. Although a possible reduction in the absorption height by up to 25% was observed. In addition to the identification of potential savings, the process models were proofed for use in a further overall process synthesis and optimization.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-39476
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3883
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3586
Exam Date: 22-Mar-2013
Issue Date: 8-May-2013
Date Available: 8-May-2013
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Absorption
Gaswäsche
Kohlendioxid Abtrennung
Membranverfahren
Absorption
Carbon dioxide separation
Gas scrubbing
Membrane process
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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