AT251552B

AT251552B - Verfahren zur Gewinnung von Edelgasen aus Synthese-Restgasen

Info

Publication number: AT251552B
Application number: AT403562A
Authority: AT
Original assignee: Leuna Werke Veb
Priority date: 1962-03-13
Filing date: 1962-05-16
Publication date: 1967-01-10
Also published as: DD47047A1

Description

Verfahren zur Gewinnung von Edelgasen aus Synthese-Restgasen
Es ist bekannt, dass die in der Luft enthaltenen Edelgase, insbesondere Argon, Krypton, Xenon, Helium und Neon aus den bei der Luftzerlegung anfallenden Produkten gewonnen werden.

So wird zur Gewinnung des Argons aus der Sauerstoff-Stickstoff-Trennsäule ein Gasgemisch an derjenigen Stelle entnommen, an der die grösste Argonanreicherung vorhanden ist. Dieses Gasgemisch, das maximal 7% Argon, Rest Stickstoff und Sauerstoff enthält, wird einer zweistufigen Destillation unterzogen, wobei das Argon mit etwa 98% iger Reinheit gewonnen wird. Die Verunreinigungen sind Sauerstoff und Stickstoff. Die Verwendung des so erhaltenen Produktes als Schweissargon stösst infolge der Anwesenheit des Sauerstoffs auf Schwierigkeiten. Eine weitere Aufkonzentration bis auf Schweissqualität ist nur durch eine anschliessende Feinreinigung möglich. Der Aufwand zur Gewinnung eines Argons für Schweisszwecke nach diesem Verfahren ist somit sehr hoch.

Weiterhin ist es bekannt, dass man ein zu zerlegendes, komprimiertes Gasgemisch, insbesondere Luft, in zwei Teile zerlegt, von denen ein Teil, von Atmosphärentemperatur ausgehend, in einer Entspannungsmaschine entspannt wird, wobei der Teil, der in der Entspannungsmaschine entspannt wird, unter Einschaltung eines Verdampfers in die Drucksäule eines Zweisäulenapparates eingeblasen wird, während der andere Teil des komprimierten Gasgemisches, der nicht in einer Expansionsmaschine entspannt worden ist, über ein Drosselventil in die Drucksäule entspannt wird.

Da die gemäss diesem Verfahren bei der arbeitsleistenden Entspannung gewonnene Kälteenergie ein Temperaturniveau hat, das oberhalb der Verflüssigungstemperatur der abzutrennenden Gase liegt, kann die hierbei erzeugte überschüssige Kälte des aus dem Wärmeaustauscher abziehenden Stickstoffs nur dazu benutzt werden, um dem zu zerlegenden Gasgemisch die Feuchtigkeit und die Kohlensäure zu entziehen, nicht aber, um die abzutrennenden Bestandteile in mindestens teilweise flüssiger Form zu gewinnen.

Ferner ist es bekannt, zum Zerlegen schwer kondensierbarer Gasgemische mittels partieller Kondensation die Verflüssigung des als Waschflüssigkeit dienenden leicht siedenden Bestandteils in einem besonderen Hochdruckkreislauf mittels Zweistufenentspannung zu bewirken. Mit Hilfe dieses Hochdruckkreislaufes ist es zwar möglich, die abgetrennten Bestandteile in flüssiger Form zu erhalten, jedoch muss dieser Hochdruckkreislauf genügend grosse ausgelegt werden. Er entspricht in seiner Verfahrensführung einem Hilfskältekreislauf nach dem Heylandt-Prinzip, wie er bereits durch das weiter oben beschriebene Verfahren bekannt ist.

Schliesslich ist es bekannt, zur Verflüssigung und Trennung von schwer verflüssigbaren Gasen und Gasgemischen einen in üblicher Weise verdichteten oder verflüssigten Kaltdampf, der möglichst durch die tiefe Temperatur eines Verflüssiger unterkühlt wird, zu benutzen. Diese Unterkühlung erfolgt durch die Gase einer Entspannungsmaschine oder durch die Abkälte der Verflüssigung bzw. Gastrennung von schwer verflüssigbaren Gasen bzw. durch beide zugleich.

Mit diesem Verfahren, das sich ebenfalls dem Prinzip des Heylandt-Kreislaufs nähert, gelingt es zwar, zu zerlegende Gasgemische vor ihrer Destillation zu verflüssigen, jedoch ist es nicht möglich, dadurch den Kältehaushalt einer Anlage so zu verbessern, dass bereits abgetrennte Produkte in flüssiger oder teilverflüssiger Form gewonnen werden können.

Zur Gewinnung des Kryptons und Xenons wird flüssiger Sauerstoff an derjenigen Stelle aus der Luftzerlegungsapparatur abgezogen, an der eine von der Technologie der Sauerstoffherstellung bestimmte, möglichst grosse Krypton-Xenon-Anreicherung vorhanden ist. Dies ist bei Grosssauerstoffanlagen im allgemeinen der flüssige Sauerstoff im Acetylenabscheider. Bei diesem Verfahren sind die Grösse der bewusst durchgeführten Anreicherung und die Ausbeute an Krypton und Xenon abhängig von der gleichzeitig stattfindenden Anreicherung der Kohlenwasserstoffe im flüssigen Sauerstoff. Die Menge der angreicherten Kohlenwasserstoffe muss möglichst weit unter der Löslichkeitsgrenze von Kohlenwasserstoffen, insbesondere von Acetylen, im flüssigen Sauerstoff liegen.

Das vorstehend geschilderte Verfahren zur Krypton-XenonHerstellung ist in der Industrie allgemein üblich.

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und 80% gasförmig mit einer Temperatur von + 10 0 C und Stickstoff und Wasserstoff gasförmig ebenfalls mit einer Temperatur von + 100 C gewonnen werden.
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150 Nm3 Argon, 150 Nm Methan und Spuren und Krypton und Xenon durch die Leitung 2 unter einem Druck von 200 at und einer Temperatur von +20 C in den Wärmeaustauscher 1 geleitet und dort auf - 300 C abgekühlt. In der Expansionsmaschine 3 werden 800 Nm3 des Rohgases auf einen Druck von 10 at arbeitsleistend entspannt, während die restlichen 200 Nm3 in der Drossel 4 entspannt werden und die Expansionsmaschine umgehen.

Dabei kühlt sich das Rohgas auf eine Mischtemperatur von-100 C ab und wird nach einer Teilverflüssigüng im Wärmeaustauscher 5 durch die Leitung 7 in die Trennapparatur6 geleitet. Dort erfolgt die Trennung in die Fraktionen Wasserstoff, Stickstoff, Argon und ein kryptonund xeonhaltigss Msthan.

Die Wasserstofffraktion, bestehend aus 500 Nm3 Wasserstoff und 10O Nm3 Stickstoff, verlässt durch die Leitung 8 unter einem Druck von 10 at die Trennapparatur 6 mit einer Temperatur von-192 C und erwärmt sich im Wärmeaustauscher 5 auf-130 C. Durch die Leitung 9 wird diese Fraktion in die Expansionsmaschine 10 geleitet und dort auf 1, 1 at entspannt. Mit der sich bei der Entspannung einstellenden Temperatur von-185 C wird sie durch die Leitung 11 über den Wärmeaustauscher 5 und durch die Leitung 12 in den Wärmeaustauscher 1 geleitet und zur weiteren Verwendung mit einer Temperatur von +10 C aus der Anlage abgezogen.

Die Stickstofffraktion, bestehend aus 100 Nm3 Stickstoff und 20 Nm Argon, wird mit einer Temperatur von-180% C und einem Druck von 1, 3 at über die Leitung 13 dem Wärmeaustauscher 5 und durch die Leitung 16 dem Wärmeaustauscher 1 zugeführt und verlässt mit einer Temperatur von +10 C die Anlage.

Die Argonfraktion besteht aus 130 Nm3 Argon. 65 Nm3 dieser Fraktion verlassen über die Leitung 14 und den Wärmeaustauscher 5 nach Passieren der Leitung 17 und des Wärmeaustauschers 1 gasförmig mit einer Temperatur von +lac und einem Druck von 1, 3 at die Anlage. Die restlichen 65 Nm3 dieser Fraktion werden durch die Leitung 15 flüssig aus der Anlage zur weiteren Verwendung abgezogen.

Die Methanfraktion, bestehend aus 150 Nm3 Methan und 0, 015 Nm3 Krypton und Xenon, wird durch die Leitung 18 der Krypton-Trennanlage 19 zugeführt. Dort werden 0, 015 Nm3 Krypton-Xenon-Gemisch abgetrennt, die durch die Leitung die Krypton- Trennanlage 19 flüssig verlassen. 30 Nm3 Methan werden flüssig durch die Leitung 21 aus der Anlage zur weiteren Verwendung abgezogen. 120 Nm3 Methan werden flüssig mit einem Druck von 1, 3 at durch die Leitung 22 aus der Krytpon-Trennanlage. M abgezogen und dem Wärmeaustauscher 23 des Stickstoff-Hilfskältekreislaufes zugeführt. Im Wärmeaustauscher Nr. 23 wird das Methan verdampft und zur Abgabe seiner fühlbaren Wärme durch die Leitung 24 dem Wärmeaustauscher 25 zugeführt.

Dort verlässt es die Anlage mit einer Temperatur von +100 C zur weiteren Verwendung. Im Gegenstrom zu dem Methan werden 500 Nm3 Stickstoff unter 50 at durch die Leitung 33 über den Wärmeaustauscher 25 und die Leitung 34 in den Wärmeaustauscher 23 geleitet, dort durch das im Gegenstrom fliessende Methan verflüssigt, weiter durch die Leitung 35 in den Wärmeaustauscher 27 geleitet, dort unterkühlt und nach der Entspannung in der in der Leitung 26 angeordneten Drossel auf 1, 5 at als flüssiger Kreislauf-Stickstoff der Trennapparatur 6 zugeführt. Dieser Stickstoff dient zur Aufrechterhaltung der Wärmebilanz der Trennapparatur. Die in der Trennapparatur 6 verdampf-
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Beispiel 2 : In der gleichen Tieftemperaturzerlegungsanlage sollen aus dem gleichen Rohgas die Produkte Krypton, Xenon und Argon und 80% Methan in flüssiger Form und die Produkte Wasserstoff, Stickstoff und 20% Methan gasförmig mit einer Temperatur von +10 C gewonnen werden. Zu diesem Zweck werden 1000 Nm3 Rohgas, bestehend aus 500 Nm3 Wasserstoff, 200 Nm3 Stickstoff, 150 Nm3 Argon, 150 Nm3 Methan und Spuren von Krypton und Xenon durch die Leitung 2 unter einem Druck von 200 at mit einer Temperatur von +20 C in den Wärmeaustauscher 1 geleitet, dort auf-30 C abgekühlt und in der Expansionsmaschine 3 auf 10 at entspannt. Dabei kühlt sich das Rohgas auf-120 C ab und wird nach einer Teilverflüssigung im Wärmeaustauscher 5 durch die Leitung 7 in die Trennapparatur 6 geleitet.

Dort erfolgt die Trennung in die Fraktionen Wasserstoff, Stickstoff, Argon und ein kryptonund xenonhaltiges Methan.

Die Wasserstofffraktion, bestehend aus 500 Nm3 Wasserstoff und 100 Nm3 Stickstoff, verlässt durch die Leitung 8 unter einem Druck von 10 at die Trennapparatur 6 mit einer Temperatur von-192 C und erwärmt sich im Wärmeaustauscher 5 auf-150 C. Durch die Leitung 9 wird diese Fraktion in die Expansionsmaschine 10 geleitet und dort auf 1, 1 at entspannt. Mit einer Temperatur von-200 C wird sie durch die Leitung 11 über den Wärmeaustauscher 5 und durch die Leitung 12 in den Wärmeaustauscher 1 geleitet und verlässt diesen mit einer Temperatur von + 10 C, um einer weiteren Verwendung zugeführt zu werden.

Die Stickstofffraktion, bestehend aus 100 Nm3 Stickstoff und 20 Nm3 Argon, wird mit einer Temperatur von-180 C und einem Druck von 1, 3 at über die Leitung 13 dem Wärmeaustauscher 5 und durch die Leitung 16 dem Wärmeaustauscher 1 zugeführt und verlässt diesen mit einer Temperatur von +10 C.

Die Argonfraktion, bestehend aus 130 Nm3 Argon, wird durch die Leitung 15 flüssig aus der Trennapparatur 6 zur weiteren Verwendung abgezogen. Die Methanfraktion, bestehend aus 150 Nm3 Methan und 0, 015 Nm3 Krypton und Xenon, wird durch die Leitung 18 der Krytpon-Trennanlage 19 zugeführt.

Dort werden die 0, 015 Nm3 Krypton und Xenon abgetrennt, die durch die Leitung 20 die Krypton-Trennanlage 19 flüssig verlassen. 120 Nm3 Methan werden flüssig unter einem Druck von 1, 3 at durch die Leitung 21 aus der Krypton-Trennanlage 19 abgezogen. 30 Nm3 Methan werden durch die Leitung 22 und den Wärmeaustauscher 23 sowie die Leitung 24 und den Wärmeaustauscher 25 dem StickstoffHilfskältekreislauf zugeführt und verlassen nach Abgabe der Verdampfungswärme und der fühlbaren Wärme die Anlage. Zum Ausgleich der Wärmebilanz wird der Hilfskältekreislauf mit einer StickstoffExpansionsmaschine 37 unterstützt. Dazu werden im Gegenstrom zu den 30 Nm3 Methan durch die Leitung 33 1800 Nm3 Stickstoff unter 50 at in den Wärmeaustauscher 25 geleitet.

Dabei erfolgt eine Abkühlung des Stickstoffs bis auf-90 C. Durch die Leitung 34 werden 800 Nm 3 Stickstoff in den Wärmeaustauscher 23 geleitet, während 1000 Nm3 nach Passieren der Leitung 36 in der Expansionsmaschine 37 arbeitsleistend entspannt werden. Nach der Entspannung, bei der eine Abkühlung bis auf-170 C erfolgt, wird der Stickstoff durch die Leitung 38 in die Leitung 29 eingeführt. Die durch die Leitung 34 in den Wärmeaustauscher 23 eingeleiteten 800 Nm3 Stickstoff werden dort verflüssigt, durch die Leitung 35 dem Wärmeaustauscher 27 zugeführt, dort unterkühlt und in der Drossel 26 auf 1, 5 at entspannt und als flüssiger Kreislaufstickstoff zur Aufrechterhaltung der Wärmebilanz der Trennapparatur zugeführt.

Die in der Trennapparatur verdampften 800 Nm3 Stickstoff werden durch die Leitung 28 mit einer Temperatur von-193 0 C dem Wärmeaustauscher 27 und durch die Leitungen 29 und 30 den Wärmeaustauschern 23 und 25 zur Abgabe der fühlbaren Wärme zugeführt. Sie verlassen durch die Leitung 31 mit einer Temperatur von +10 C und einem Druck von lul at die Trennapparatur und werden in einem Kreislaufkompressor 32 wieder auf 50 at komprimiert.

PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Gewinnung von Edelgasen und andern Destillationsprodukten aus Synthese-Restgasen, vorzugsweise in flüssiger oder gasförmiger und flüssiger Phase, durch Tieftemperaturbehandlung in einer Tieftemperaturzerlegungsanlage unter Anwendung eines Stickstoffhilfskältekreislaufes nach vorheriger Reinigung der Synthese-Restgase von hochsiedenden und bzw. oder leicht sublimierenden Bestandteilen unter Druck, dadurch gekennzeichnet, dass man die Synthese-Restgase in der Tieftemperaturzerlegungsanlage mindestens teilweise arbeitsleistend entspannt, sie in flüssiger oder teilweise flüssiger Form den Trennsäulen zur destillativen Abtrennung der Edelgase und bzw.

oder anderer Destillationsprodukte zuführt und den Wärmehaushalt der Tieftemperaturzerlegungsanlage durch Betreiben des Stickstoffkältekreislaufes in der Art ausgleicht, dass die Wärmeenergie eines Teiles derjenigen Produkte der Tieftemperaturzerlegungsanlage, die nicht in flüssiger Form gewonnen werden sollen, mittels Wärme- überträger auf den Stickstoff des Hilfskältekreislaufes übertragen wird.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch l, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmehaushalt der Tieftemperaturzerlegungsanlage zusätzlich durch arbeitsleistende Entspannung eines oder mehrerer Produkte der Tieftemperaturzerlegungsanlage ausgeglichen wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen l und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskältekreislauf mit einem oder mehreren Produkten der Tieftemperaturzerlegungsanlage gekoppelt wird.