Propylencarbonat für die Gasaufbereitung

PC zirkuliert zwischen Absorption und Regeneration

Propylencarbonat (PC) kann in entsprechend ausgelegten Prozessen als physikalisches CO₂-Absorptionsmittel dienen. Im öffentlich beschriebenen Fluor Solvent Process von Fluor wird PC mit CO₂-haltigem Gas in Kontakt gebracht. Ein Teil des CO₂ geht aus dem Gas in die Flüssigkeit über. Die beladene Lösung gelangt anschließend zur Regeneration, gibt Gas ab und kehrt als Lösung mit geringerer Beladung zur Absorptionsstufe zurück.

Die Bezeichnungen beladen und regeneriert beziehungsweise reich und arm beschreiben die Gasbeladung derselben Umlaufflüssigkeit an zwei Stellen des Kreislaufs, keine zwei unterschiedlichen Rohstoffe. Die regenerierte Lösung kann weiterhin CO₂ enthalten. Entscheidend ist deshalb die Beladungsdifferenz vor und nach der Absorption; nicht jeder Umlauf beginnt mit vollständig gasfreiem PC. Frischmaterial bildet nur einen Teil des Anlageninventars. Der Zustand der Umlaufflüssigkeit bestimmt den Zusammenhang mit dem kontinuierlichen Betrieb.

Die physikalische Absorption beruht auf der Lösung des Gases in der Flüssigkeit und auf Veränderungen des Gleichgewichts. Sie unterscheidet sich damit von Aminverfahren, die überwiegend reversible chemische Reaktionen nutzen. Beide benötigen Absorptions- und Regenerationsanlagen, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich Triebkraft, Kreislaufzusammensetzung und Regeneration. Ein volumenmäßig gleicher Austausch einer Aminlösung gegen PC stellt daher nicht denselben Prozess dar.

Technische Quellen: [1]

Zuerst den CO₂-Partialdruck, dann den Gesamtdruck betrachten

Unter der Näherung eines idealen Gases gilt für den CO₂-Partialdruck p_CO₂=y_CO₂×P_gesamt. Dabei ist y_CO₂ der Stoffmengenanteil in derselben Gasphase; P_gesamt muss als Absolutdruck eingesetzt werden. Wird der Gasvolumenanteil als Näherung für den Stoffmengenanteil verwendet, müssen auch Zustand sowie Trocken- oder Feuchtgasbasis übereinstimmen. Ein hoher Gesamtdruck bedeutet nicht zwangsläufig einen hohen Partialdruck des Zielgases, denn auch die Zusammensetzung bestimmt das Ergebnis.

Ein rein hypothetisches Beispiel zur Erläuterung: Gasquelle A hat einen absoluten Gesamtdruck von 40 bar und einen CO₂-Stoffmengenanteil von 1%; der angenäherte Partialdruck beträgt 0,4 bar. Gasquelle B hat einen absoluten Gesamtdruck von 10 bar und einen CO₂-Stoffmengenanteil von 10%; daraus ergibt sich ungefähr 1 bar. Trotz geringerem Gesamtdruck besitzt B den höheren CO₂-Partialdruck. Diese Zahlen sind keine empfohlenen Betriebsbedingungen und belegen nicht, dass B in einer vollständigen Anlage zwangsläufig wirtschaftlicher ist.

Bezieht sich die Zusammensetzung auf trockenes Gas, der Druck jedoch auf feuchtes Gas, kann eine direkte Multiplikation unterschiedliche Bezugsbasen vermischen. Bei hohen Drücken kann zudem eine Berücksichtigung der Nichtidealität, etwa über Fugazitäten, erforderlich sein. Die Multiplikation vermittelt daher das Partialdruckkonzept, ersetzt aber weder ein reales Gas-Flüssig-Gleichgewichtsmodell noch die Prozessauslegung.

Der Partialdruck ist auch nicht die einzige Einflussgröße. Die bereits vorhandene CO₂-Beladung der Flüssigkeit, die Position des Gas-Flüssig-Kontakts und die Temperatur beeinflussen die Stofftransporttriebkraft zwischen den Phasen. Entlang des Absorbers verändern sich Gaszusammensetzung und Flüssigkeitsbeladung fortlaufend. Der Gesamtdruck am Eintritt allein zeigt deshalb nicht, ob der Austritt die Zielanforderung erreicht.

Technische Quellen: [2]

Gas muss freigesetzt werden, damit erneut absorbiert werden kann

Fluor beschreibt für seinen Prozess eine stufenweise Druckabsenkung sowie Regenerationsmöglichkeiten wie Vakuum oder Strippen. Durch die Drucksenkung wird ein Teil des gelösten Gases freigesetzt, und die regenerierte Lösung kehrt zum Absorber zurück. Gase aus den einzelnen Stufen müssen gegebenenfalls zurückgewonnen oder weiterbehandelt werden. Dies beschreibt die Ausgestaltung des veröffentlichten Verfahrens und keine für sämtliche PC-Anlagen vorgeschriebene Gerätekombination.

Auch die Temperatur ist Teil der Abwägung. Nach den Unterlagen von Fluor kann eine niedrigere Absorptionstemperatur in diesem Prozess die CO₂-Aufnahme erhöhen und damit den erforderlichen Lösungsmittelumlauf beeinflussen. Eine Abkühlung kann jedoch mehr Kälteleistung erfordern und Fließverhalten sowie Stofftransport verändern. Eine höhere Aufnahme in der Absorptionsstufe bedeutet nicht automatisch einen niedrigeren Gesamtenergiebedarf des Systems.

Eine weitergehende Regeneration kann die Beladung der regenerierten Lösung senken und so mehr Aufnahmespielraum für den nächsten Umlauf schaffen. Gleichzeitig können Vakuumerzeugung, Strippen oder Gasrückgewinnung zusätzlichen Aufwand verursachen. Das Auslegungsziel ist daher weder isoliert eine maximal beladene reiche Lösung noch eine möglichst gasarme regenerierte Lösung, sondern ein dauerhaft betreibbarer Kreislauf unter den gegebenen Bedingungen von Gasquelle, Reinigungsziel und Anlage.

Technische Quellen: [2]

Was die Arbeitskapazität des Kreislaufs zusätzlich zur Löslichkeit an einem einzelnen Punkt aussagt

Auf derselben Bezugsbasis entspricht die Arbeitskapazität des Kreislaufs der Beladung der reichen Lösung abzüglich der Beladung nach der Regeneration. Sind beide beispielsweise in mol CO₂/kg Lösungsmittel angegeben, ist ihre Differenz unmittelbar aussagekräftig. Eine Angabe je Kilogramm beladener Lösung darf dagegen nicht mit einer Angabe je Kilogramm reinem Lösungsmittel vermischt werden. Die Arbeitskapazität beschreibt, wie viel Zielgas eine Einheit des umlaufenden Lösungsmittels tatsächlich pro Umlauf abtransportiert.

Angenommen, Kreislauf A erreicht eine reiche Beladung von 2,0 und eine regenerierte Beladung von 1,5 mol/kg Lösungsmittel. Seine Arbeitskapazität beträgt 0,5 mol/kg. In Kreislauf B liegen die Werte bei 1,6 und 0,8 mol/kg, entsprechend einer Arbeitskapazität von 0,8 mol/kg. B hat die geringere reiche Beladung, aber die größere Beladungsdifferenz. Diese beispielhaften Zahlen sind keine Messdaten für PC und besagen nicht, dass Energiebedarf oder Kosten von B zwangsläufig geringer sind.

In einer vereinfachten Stoffbilanz ohne Verluste und weitere Veränderungen erklärt das Produkt aus Lösungsmittelumlauf und Beladungsdifferenz die je Zeiteinheit transportierte CO₂-Menge. Reale Anlagen unterliegen zusätzlich den Grenzen von Stofftransportgeschwindigkeit, Kontaktfläche, Gas-Flüssig-Verteilung und Verweilvorgängen. Eine ausreichende Gleichgewichtsaufnahme bedeutet nicht, dass eine Anlage endlicher Größe dieses Gleichgewicht tatsächlich erreicht. Die Arbeitskapazität ist eine wichtige Größe zum Verständnis des Kreislaufs, ersetzt jedoch keine Apparateberechnung.

Technische Quellen: [2]

Mitabsorption, Wasser und Grenzen der Energiebilanz

Bei der Absorption des Zielgases durch PC sind auch andere Bestandteile zu betrachten. Fluor verknüpft die vergleichsweise geringe Löslichkeit leichter Kohlenwasserstoffe mit der Rückgewinnung von Entspannungsgas. Damit müssen Verluste durch Mitabsorption in die Prozessbewertung eingehen: Gering bedeutet nicht null. Enthält das freigesetzte Gas wertvolle Bestandteile des Einsatzgases, beeinflussen ihre Rückgewinnung und weitere Verwendung sowohl die Stoffausnutzung als auch den nachfolgenden Verdichtungsaufwand.

Die Verfahrensunterlagen erläutern außerdem, dass die Absorptionsflüssigkeit Wasser aus dem Einsatzgas aufnehmen kann. Im Kreislauf ist Wasser daher nicht nur ein Prüfwert des Frischmaterials, sondern kann kontinuierlich über das Gas eingetragen werden. Die Zusammensetzung der Umlaufflüssigkeit wird gemeinsam durch ein- und austretende Stoffströme sowie Ergänzungsströme beeinflusst. Niedrige Wasserziele für Batterielösungsmittel dürfen nicht schematisch als identischer Grenzwert für beliebige Gasaufbereitungssysteme übernommen werden.

Die von Fluor beschriebene Regeneration ohne externe Wärmezufuhr bedeutet keinen Energieverbrauch von null. Umlaufpumpen, Kälteerzeugung, Vakuum, Gasrückgewinnung und nachfolgende Verdichtung können Energie benötigen. Bei einem Vergleich muss die Bilanzgrenze deshalb klarstellen, ob nur die Regeneration oder das gesamte Abscheide- und Aufbereitungssystem betrachtet wird. Der Wegfall eines einzelnen Wärmeeintrags belegt keinen Gesamtenergiebedarf von null.

Frischmaterial und Umlaufflüssigkeit sind ebenfalls getrennt zu betrachten. Die Frischmaterialspezifikation beschreibt die Erstbefüllung oder Ergänzung; die Umlaufflüssigkeit wird zusätzlich durch Verunreinigungen im Einsatzgas, Anlagenkontakt und Betriebshistorie beeinflusst. Verändert sich die Reinigungsleistung, müssen Gaszusammensetzung, Temperatur, Druck, Umlaufmenge und Regenerationszustand gemeinsam betrachtet werden. Rohstoffname oder Nachfüllmenge allein reichen für eine Ursachenbewertung nicht aus. Auch ein niedriger Dampfdruck bedeutet weder Verlustfreiheit unter allen Betriebsbedingungen noch den Verzicht auf persönliche Schutzmaßnahmen.

Technische Quellen: [1] [2]

Rohstoffspezifikation und Anlagenleistung verbinden

Lixing liefert PC als Rohstoff. Die Belieferung kann anhand der vom Anlagenplaner anerkannten Rohstoffspezifikation besprochen werden. Die Wahl des Absorptionsmittels, Prozesslizenzen, Anlagenkapazität und Reinigungskennwerte werden im jeweiligen Projekt festgelegt. Ein spezifikationsgerechter Rohstoff erfüllt die Anforderungen an den Einsatzstoff; erst ein geeigneter Kreislauf aus Aufnahme und Freisetzung ermöglicht seine dauerhafte Funktion für das jeweilige Einsatzgas.