Wie funktioniert eine CO2-Verflüssigungsanlage?

Als Lieferant von CO2-Verflüssigungsanlagen werde ich oft nach der Funktionsweise dieser Anlagen gefragt. In diesem Blogbeitrag führe ich Sie durch den detaillierten Prozess einer CO2-Verflüssigungsanlage und erkläre jeden Schritt und die zugrunde liegenden Prinzipien.

1. CO2-Quelle und Rohstoffvorbereitung

Der erste Schritt in einer CO2-Verflüssigungsanlage besteht darin, das CO2 zu beschaffen. CO2 kann aus verschiedenen Quellen gewonnen werden, beispielsweise aus industriellen Rauchgasen von Kraftwerken, Zementfabriken und Chemiefabriken. Diese Rauchgase enthalten typischerweise eine Mischung aus CO2, Stickstoff, Sauerstoff und anderen Spurengasen.

Bevor das CO2 verflüssigt werden kann, muss es gereinigt werden. Denn Verunreinigungen können den Verflüssigungsprozess und die Qualität des Endprodukts beeinträchtigen. Der Reinigungsprozess umfasst normalerweise mehrere Schritte, darunter:

• Entfernung von Partikeln: Das Rauchgas wird zunächst durch einen Filter geleitet, um feste Partikel wie Staub und Asche zu entfernen. Dies trägt dazu bei, die nachgeschalteten Geräte vor Schäden zu schützen.
• Entschwefelung und Denitrifikation: Viele industrielle Rauchgase enthalten Schwefeldioxid (SO2) und Stickoxide (NOx), die entfernt werden müssen, um Umweltvorschriften zu erfüllen und Korrosion in der Verflüssigungsanlage zu verhindern. Dies erfolgt typischerweise mithilfe von Absorptionsprozessen, bei denen die Gase durch eine Lösung geleitet werden, die mit SO2 und NOx reagiert und diese entfernt.
• Dehydrierung: Wasserdampf im Rauchgas kann im Verflüssigungsprozess zu Problemen wie Eisbildung und Korrosion führen. Daher wird das Gas mithilfe eines Trockenmittels oder eines kältebasierten Trockners getrocknet, um den Wasserdampf zu entfernen.

2. Komprimierung

Nachdem das CO2 gereinigt wurde, wird es komprimiert, um seinen Druck zu erhöhen. Die Kompression ist ein entscheidender Schritt im Verflüssigungsprozess, da sie das Volumen des Gases verringert und dessen Abkühlung und Verflüssigung erleichtert.

Der Kompressionsprozess umfasst normalerweise mehrere Stufen mit Zwischenkühlung zwischen den einzelnen Stufen. Durch die Zwischenkühlung wird die bei der Verdichtung entstehende Wärme abgeführt, was den Stromverbrauch der Kompressoren senkt und die Effizienz des Prozesses verbessert. Das komprimierte CO2 hat dann typischerweise einen Druck von etwa 20 – 30 bar.

3. Kühlung und Verflüssigung

Nachdem das CO2 komprimiert wurde, wird es auf eine Temperatur unterhalb seines kritischen Punktes abgekühlt. Der kritische Punkt von CO2 liegt bei 31,1°C und 73,8 bar. Bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes kann CO2 durch Druckanwendung verflüssigt werden.

Der Kühlprozess wird üblicherweise durch eine Kühlanlage erreicht. Es gibt verschiedene Arten von Kühlsystemen, die in einer CO2-Verflüssigungsanlage verwendet werden können, darunter Dampfkompressionskühlsysteme und Kaskadenkühlsysteme.

• Dampfkompressions-Kühlsystem: Dies ist der am häufigsten in CO2-Verflüssigungsanlagen verwendete Kühlsystemtyp. Dabei wird ein Kältemittelgas wie Ammoniak oder ein synthetisches Kältemittel auf einen hohen Druck und eine hohe Temperatur komprimiert. Das unter hohem Druck stehende Kältemittelgas wird dann in einem Kondensator kondensiert und gibt dabei Wärme an die Umgebung ab. Die kondensierte Kältemittelflüssigkeit wird dann durch ein Expansionsventil expandiert, wodurch ihr Druck und ihre Temperatur reduziert werden. Der Kältemitteldampf mit niedrigem Druck absorbiert dann Wärme aus dem CO2-Gas und kühlt es ab.
• Kaskadenkühlsystem: Ein Kaskadenkühlsystem wird verwendet, wenn eine niedrigere Temperatur erforderlich ist, als mit einem einzelnen Dampfkompressionskühlsystem erreicht werden kann. Es besteht aus zwei oder mehr in Reihe geschalteten Dampfkompressions-Kühlsystemen, wobei jedes System ein anderes Kältemittel mit einem anderen Siedepunkt verwendet.

Wenn das CO2-Gas abgekühlt wird, verwandelt es sich allmählich von einem Gas in eine Flüssigkeit. Anschließend wird das verflüssigte CO2 mithilfe eines Abscheiders von verbleibenden nicht kondensierbaren Gasen wie Stickstoff und Sauerstoff getrennt.

4. Lagerung und Vertrieb

Das verflüssigte CO2 wird dann in isolierten Lagertanks gespeichert. Diese Tanks sind so konzipiert, dass das CO2 bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck in flüssigem Zustand gehalten wird. Die Lagertanks sind in der Regel mit Sicherheitsvorrichtungen wie Überdruckventilen und Füllstandssensoren ausgestattet, um die sichere Lagerung des verflüssigten CO2 zu gewährleisten.

Von den Lagertanks aus kann das verflüssigte CO2 an verschiedene Endverbraucher verteilt werden. Der Transport kann je nach Entfernung und transportierter CO2-Menge per Straße, Schiene oder Pipeline erfolgen. Für den Straßen- und Schienentransport wird das verflüssigte CO2 typischerweise in Spezialtankwagen verladen.

Anwendungen von verflüssigtem CO2

Verflüssigtes CO2 hat ein breites Anwendungsspektrum in verschiedenen Branchen. Zu den häufigsten Anwendungen gehören:

• Lebensmittel- und Getränkeindustrie: Verflüssigtes CO2 wird zur Karbonisierung von Erfrischungsgetränken, Bier und Schaumweinen verwendet. Es wird auch zum Einfrieren und Kühlen von Lebensmitteln verwendet.
• Chemische Industrie: CO2 wird als Rohstoff bei der Herstellung verschiedener Chemikalien wie Harnstoff, Methanol und Salicylsäure verwendet.
• Öl- und Gasindustrie: Verflüssigtes CO2 wird bei Enhanced Oil Recovery (EOR)-Vorgängen verwendet. Es wird in Ölquellen injiziert, um den Druck zu erhöhen und die Viskosität des Öls zu verringern, wodurch es leichter gefördert werden kann.

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Referenzen

• Kohl, AL, & Nielsen, RB (1997). Gasreinigung. Gulf Publishing Company.
• Perry, RH, & Green, DW (1997). Perrys Handbuch für Chemieingenieure. McGraw-Hill.
• Stoecker, WF, & Jones, JW (1982). Kühlung und Klimaanlage. McGraw-Hill.