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Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemisches
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niedrigen, beinahe atmosphärischen Druck, und zugleich auf einen mittleren Druck 10-70 atm., expandieren, wobei der Hochdruckstickstoff und
Niederdruckstickstoff in den Kompressor zurück- kehren. Gemäss dem deutschen Patent
Nr. 1032287 ist die Zerlegung der Äthylenfraktion in einer Apparatur, die gemeinsam mit der Koks- ofengaszerlegung ist, bekannt, wobei auch die
Kühlung mittels einer Kaskade unter Benützung von Ammoniak, Äthylen, Methan und Stickstoff vorgeschlagen wird.
Zweck der Erfindung ist die weitere Vereinfachung und dadurch Verbilligung der Erzeugung in diesem Industriezweig bei Einhaltung des Grundsatzes der Gasgemischzerlegung, d. h., der fortschreitenden Kondensation der einzelnen Bestandteile ausser Wasserstoff, wobei die Äthylenfraktion und gegebenenfalls auch die Methanfraktion in einer gemeinsamen Apparatur zur Gaszerlegung verarbeitet wird. Der Grundgedanke der Erfindung ist der Ersatz der Kälteverluste durch Hochdruckstickstoff, der mittels eines Teiles des flüssigen, durch Ammoniak vorgekühlten Kreislaufäthylens vorgekühlt wird, wobei der restliche Teil des genannten Äthylens zur Gestaltung des Rückflusses für Erzeugung des reinen Äthylens und eventuell auch zur Vorkühlung des Gasgemisches angewendet wird.
Ein Beispiel der Anwendung der Erfindung ist aus der Zeichnung ersichtlich, die ein Schema der Apparatur ohne Erzeugung von Methan, aber mit Waschen des Wasserstoffes mit flüssigem Stickstoff zeigt.
Ein Gasgemisch, verdichtet auf 10-25 atü und befreit von allen unerwünschten Bestandteilen
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tauscher 1 wird das Gasgemisch von Wasserdampf, eventuell auch von Benzol, durch Kondensation und Ausfrieren auf die Art befreit, dass abwechselnd ein Wärmeaustauscher im Betrieb ist und der andere abgetaut wird. Das Gasgemisch wird dann im Äthylenverdampfer 2 auf eine Temperatur von zirka -93 0 C, danach in Wärmeaustauscher 3 und 4 bis auf eine Temperatur von zirka -1400 C abgekühlt. Anstatt zwei Wärme-
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austauschen 3 und 4 kann nur ein Wärmeaustauscher mit Gegenstromkondensation eingeschaltet werden. Im Wärmeaustauscher 4 kondensiert die Äthylenfraktion, welche sich im Gefäss 5 sammelt.
Eine weitere Abkühlung des Gasgemisches erfolgt im Wärmeaustauscher 6 und im Verdampfer der Kohlenoxydfraktion 7 bis auf eine Temperatur von zirka -190 0 C. Im Wärmeaustauscher 6 und im Verdampfer 7 kondensiert die Methanfraktion, welche sich im Sumpf des Verdampfers 7 sammelt. Der unreine Wasserstoff, d. h., der Rest des Gasgemisches nach der Kondensation der Äthylen- und Methan-Fraktion, wird mittels des flüssigen Stickstoffes in der Waschkolonne 8 gewaschen.
Hochdruckstickstoff wird bei einem Druck von zirka 150 bis 200 atü zuerst im Wärmeaustauscher 9, dann im Äthylenverdampfer 10 auf eine Temperatur von zirka -930 C und endlich im Wärmeaustauscher 11 abgekühlt. Nach diesem Vorgang teilt sich der Hochdruckstickstoff in zwei Ströme. Der erste Strom ergänzt nach Drosselung das reine Wasserstoff-StickstoffGemisch aus der Kolonne 8 zu einem Gemisch
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N2kühlt. Der zweite Strom des Hochdruckstickstoffes dient zur Drosselung und Unterkühlung im Verdampfer 7 in flüssiger Form zum Waschen des Wasserstoffes in der Waschkolonne 8. Kohlenoxydfraktion, die sich im Sumpf der Kolonne 8 sammelt, verdampft nach Drosselung im Verdampfer 7, erwärmt sich in den Wärmeaustauschern 6, 4, 3, 1 und kühlt das Gasgemisch.
Die Methanfraktion aus dem Verdampfer 7 wird gleichfalls gedrosselt und in drei Ströme geteilt. Der erste Strom kühlt den Hochdruckstickstoff in den Wärmeaustauschern 11 und 9.
Der zweite Strom kühlt das Gasgemisch in den Wärmeaustauschern 6, 4, 3, 1. Der dritte Strom dient als Rückfluss in der ersten Äthylenkolonne 12.
Die Äthylemraküon aus dem Sammelgefäss J verdampft teilweise im Wärmeaustauscher 4 und wird danach in die Mitte der ersten Äthylen- kolonne 12 eingeführt. In dieser wird die Äthylen- fraktion so geteilt, dass oben Methan mit niedriger siedenden Bestandteilen und unten ein Gemisch von Äthylen, Äthan und höher siedenden Bestandteilen abgehen. Im Sumpf der Kolonne 12 ist eine Heizschlange eingebaut, welche von Hoch- druckstickstoff durchströmt wird. Die Heizschlange kann entweder parallel zum Äthylenverdampfer 10 (wie gezeichnet) oder vor dem Äthylenverdampfer 10 zur Abkühlung des Hochdruckstickstoffes eingeschaltet werden. Als Rückfluss der Kolonne 12 dient ein Teil der gedrosselten Methanfraktion.
Das freigewordene Methan und niedriger siedende Bestandteile aus der Kolonne 12 werden in die Rohrleitung der Methanfraktion zwischen Wärmeaustauscher 4 und 6 eingeführt.
In dieser Stelle ist nämlich die Temperatur der Fraktion ungefähr dieselbe wie die Temperatur der Gase aus der Kolonne 12, was aus thermodynamischen Gründen vorteilhaft ist. Die Äthy- len-Äthanfraktion aus dem Sumpf der Kolonne 12 wird nach Drosselung in den mittleren Teil der zweiten Äthylenkolonne 13 eingeführt. In dieser Kolonne wird das Gemisch so geteilt, dass oben reines Äthylen und unten Äthanfraktion mit höher siedenden Bestandteilen abgeht. Die Äthanfraktion aus der Kolonne 13 wird in die Methanfraktion zwischen den Wärmeaustauschern 1 und 3 eingeführt. Das reine Äthylen aus der Kolonne 13 erwärmt sich und kühlt in den Wärmeaustauschern 14 und 16 das Kreislauf- äthylen, welches im ständigen Kreislauf ist.
Das komprimierte Äthylen wird in der Apparatur abgekühlt, kondensiert, verdampft, erwärmt und kehrt wieder zur Saugseite des Kompressors zu- rück. Das Kreislaufäthylen wird zuerst im Wärmeaustauscher 16, dann im Ammoniakverdampfer 15, Wärmeaustauscher 14, wie auch in der Heizschlange der Kolonne 13 abgekühlt. Dann wird es in drei Ströme geteilt. Der erste Strom verdampft nach Drosselung im Verdampfer 10 und kühlt den Hochdruckstickstoff, der zweite Strom verdampft im Verdampfer 2 und kühlt das Gasgemisch. Nach dem Verdampfen vereinigen sich beide Ströme und kühlen den Hochdruckstickstoff im Wärmeaustauscher 9 (wie gezeichnet) oder das Gasgemisch im Wärmeaustauscher 1. Der dritte Strom von Äthylen bildet nach Drosselung den Rückfluss in der zweiten Äthylenkolonne 13.
Nach dem Grundgedanken der Erfindung kann man aus dem Gasgemisch, dessen nähere Charakteristik weiter oben angeführt ist, namentlich reines Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch für die Ammoniaksynthese, reines Äthylen, Methanfraktion mit 70-80% CH4 und Kohlenoxydfraktion erzeugen. Durch Abwandlung der Apparatur kann reiner Wasserstoff statt Wasserstoff-Stickstoff-Gemische erzeugt werden. Bei Ergänzung der Apparatur durch eine besondere Methankolonne kann man auch reines Methan erzeugen.
Die Anwendung der Erfindung bringt eine Reihe bedeutender Vorteile. Wie gemäss dem deutschen Patent 1032287, wird die Äthylenfraktion direkt verarbeitet, so dass die Verdampfung, Erwärmung, Verdichtung, Reinigung, Abkühlung und Kondensation entfällt. Es werden einige Wärmeaustauscher, Verdichter und Gasbehälter für Äthylenfraktion überflüssig. Da das Gasgemisch mit flüssigem Äthylen vorgekühlt wird, wird die Anzahl der Wärmeaustauscher kleiner und das Umschalten der eingefrorenen Wärmeaustauscher wird einfacher. Ausserdem erhöht sich der Drosseleffekt des verarbeiteten Gasgemisches gegen die übliche Ammoniakvorkühlung. Die Vorkühlung des Hochdruckstickstoffes durch das flüssige Äthylen erhöht den Drosseleffekt besonders.
Bei der üblichen Ammoniakvorkühlung ist der isotherme Drosseleffekt des Stickstoffes bei-45 C und 200 atü 13, 7 kcal/kg. Bei der Äthylenvorkühlung ist der isotherme Drosseleffekt des Stickstoffes bei - 930 C und 200 atü 21, 2 kcal/kg. Der spezifische
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Energieverbrauch ist bei der Ammoniakvorkühlung 1, 7 kWh/lOOkcal, dagegen bei der Äthylenvorkühlung 1, 05 kWh/100 kcal. Diese Erhöhung des Drosseleffektes des Stickstoffes und des verarbeiteten Gasgemisches ermöglicht den Entfall des üblicherweise angewendeten Stickstoffverdampfers sowie den Rückweg des selbständig verdampften Stickstoffes bis zur Saugseite des Stickstoffhochdruckkompressors.
Die Kurve des spezifischen Energieverbrauches für Stickstoff mit Äthylenvorkühlung in Abhängigkeit vom Druck weist einen flachen Verlauf auf. Die Kälteleistung des Stickstoffkreislaufes kann man deshalb vorteilhaft durch die Druck- änderung bei konstanter Stickstoffmenge regulieren. Im Vergleich mit dem Verfahren zur Koksofengaszerlegung nach dem früher erwähnten deutschen Patent Nr. 1032287 ist das hier vorgeschlagene Verfahren deshalb vorteilhaft, weil das Fliessschema und die Bedienung einfacher sind und ausserdem entfällt der Methanverdichter.
Das bedeutet niedrigere Anschaffungskosten.
Auch im Vergleich zu dem in der französischen Patentschrift Nr. 878. 490 beschriebenen Verfahren weist die vorgeschlagene Lösung wesentliche Vorzüge auf, da das erfindungsgemässe Verfahren ohne eine komplizierte Vorrichtung zur Verteilung des Hochdruckstickstoffes auf zwei Äste in wesentlich wirkungsvollerer Weise arbeitet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemisches, welches Wasserstoff als Hauptbestandteil und Methan, Äthan, Äthylen, Kohlenoxyd u. dgl. als Nebenbestandteile enthält, bei tiefen Tempera- turen zwecks Gewinnung des reinen WasserstoffStickstoff-Gemisches oder des reinen Wasser- stoffes, gegebenenfalls anderer Bestandteile des Gasgemisches im reinen Zustand in einer gemeinsamen Apparatur, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteverluste durch Hochdruckstickstoff, der von einem Teil des flüssigen, durch Ammoniak vorgekühlten Kreislaufäthylens vorgekühlt wird, ersetzt werden, wobei der restliche Teil des genannten Äthylens zur Bildung des Rückflusses bei der Erzeugung des reinen Äthylens und gegebenenfalls zur Vorkühlung des Gasgemisches verwendet wird.