AT409224B - Verfahren zur trocknung und stilllegung mindestens eines einer druckquelle nachgeschalteten und zur gaspermeation vorgesehenen membranmoduls - Google Patents

Description

AT 409 224 B

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trocknung und Stilllegung mindestens eines einer Druckquelle nachgeschalteten und zur Gaspermeation vorgesehenen Membranmoduls mit einer Gaseingangs-Leitung, einer Retentatausgangs-Leitung und einer Permeatausgangs-Lei-tung.

Verfahren und Vorrichtungen zur Gaspermeation mit Hilfe von Membranmodulen sind an und für sich bekannt und werden insbesondere zur Gewinnung von Stickstoff aus Luft verwendet. Daher beinhaltet das zur Permeation vorgesehene Gas (Feedgas) zumeist auch einen nicht unwesentlichen Anteil an Wasserdampf, welcher bei einfachem Abschalten der Vorrichtung bzw. Beendigung des Verfahrens in dem Membranmodul verbleibt. Wegen dieser Anhäufungen von Wasserdampf ergeben sich bei einer Stilllegung der Vorrichtung, sobald die Außentemperatur unter 0°C absinkt, aufgrund von Mikro-Kristallbildungen in der Membran und dem Frieren von kleinen Wassertropfen in der Membran Beschädigungen des Membranmoduls. Derartige Beschädigungen können das Trennvermögen der Membran vollkommen zerstören, so dass ein teurer, zeit- und arbeitsaufwändiger Austausch des Membranmoduls erforderlich ist.

Zur Lösung dieses Problems wird zur Zeit vorgesehen, bei Stilllegung des Membranmoduls dieses mittels einer Standheizung weiter zu beheizen, so dass die Temperatur des Membranmoduls nicht unter etwa 4°C absinkt. Derartige Lösungsansätze sind jedoch bei in sehr kalten Gebieten situierten Gaspermeationsanlagen und lang andauernden Stillegungsperioden kostspielig, aufwändig und störungsanfällig.

Ziel der Erfindung ist es nun ein Verfahren zur Trocknung und Stilllegung mindestens eines Membranmoduls zu schaffen, welche nach der Stilllegung in Gebieten mit sehr starkem Absinken der Außentemperatur, insbesondere unter mehr als -20°C, ohne jeglichen Verlust ihrer Funktionstüchtigkeit sofort wieder in Betrieb genommen werden können.

Das erfindungsgemäße Verfahren der eingangs angeführten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass vor Stilllegung des Membranmoduls das über die Gaseingangs-Leitung in das Membranmodul einzutretende Gas auf ein Niveau zwischen Umgebungsdruck und dem von der Druckquelle zur Verfügung gestelltem Gasdruck expandiert wird und Gas mit derart verringertem Druck weiterhin in das Membranmodul gefördert wird. Durch die Drucksenkung im Feedgas vor Eintritt in das Membranmodul verringert sich auch der Partialdruck des enthaltenden Wasserdampfes und zwar in Abhängigkeit vom Ausmaß der Drucksenkung. Je nach gewünschter bzw. erforderlicher Trocknung kann der Reduktionskoeffizient (d.h. Druck vorher/Druck nachher) einfach vorgesehen werden, entweder durch ein Druckreduzierventil in der zum Membranmodul führenden Gaseingangs-Leitung oder durch eine entsprechende Steuerung bzw. Regelung der Druckquelle, gegebenenfalls unter Verwendung eines geeigneten Pufferbehälters.

Um die Konzentration von Wasserdampf an der Gaseingangsseite des Membranmoduls weiter zu verringern ist es vorteilhaft, wenn das von der Druckquelle kommende Gas vor seiner Expansion getrocknet wird. Hiezu können beispielsweise ein oder mehrere Kältetrockner zum Einsatz kommen, wobei in den meisten Gaspermeationsanlagen schon ein Kältetrockner der Druckquelle zur Öl- bzw. Wasserabscheidung nachgeschaltet ist. Derartige Kältetrockner arbeiten z.B. bei etwa 2°C, zur Verbesserung der Wasserabscheidung kann ein weiterer Kältetrockner zuschaltbar vorgesehen sein; dieser könnte dann z.B. bei -25°C arbeiten. Die Wasserabscheidung verbessert sich durch einen solchen zusätzlichen Kältetrockner erheblich, in Abhängigkeit von den bei Kältetrocknern z.B. im vorliegenden Fall um den Faktor 10. Weiters kann der im Gas befindlicher Wasserdampf adsorbiert oder absorbiert werden, auch sind jegliche Kombinationen von solchen Trocknungsarten möglich, etwa erst eine Kältetrocknung und dann eine Adsorptionstrocknung. Da im anschließenden Expansionsschritt der Partialdruck des nach der Trocknung im Gas verbleibenden Wasserdampfes in Abhängigkeit des verwendeten Reduktionskoeffizienten nochmals reduziert wird, multipliziert sich somit der Trocknungseffekt.

Weiters ist günstig, wenn das Gas nach der Expansion und vor Eintritt in das Membranmodul erwärmt wird. Die spezifische Temperatur ist dabei von der verwendeten Membran abhängig, im Allgemeinen sind die bei der Gaspermeation zum Einsatz kommenden Membranen bis zu einer Temperatur von etwa 50 bis maximal 60° stabil. Dementsprechend darf das Gas nach der Expansion bis höchstens etwa 50°C erwärmt werden, um thermische Beschädigungen der Membran zu vermeiden. Sollte eine besonders hitzestabile Membran getrocknet werden, so wird ein Fachmann die maximal zulässige Gastemperatur (die dann vielleicht sogar über 50°C liegen kann) leicht 2

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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass weiters der Retentat-Austritt aus dem Membranmodul gedrosselt wird. Vorzugsweise beträgt dabei das Verhältnis von Permeat zu Feedgas mehr als etwa 0,9.

Eine weitere Trocknung kann erfolgen, wenn nach einer vorgegebenen Nachlaufzeit, in der weiterhin Gas mit vermindertem Druck in das Membranmodul gefördert wird, die Gaseingangs-Leitung und die Retentatausgangs-Leitung abgesperrt werden. Durch das Absperren der beiden Leitungen ergibt sich ein zwischen den beiden Absperrpunkten eingeschlossenes Totvolumen, welches zu Beginn noch den reduzierten Gasdruck der Druckquelle aufweist und danach trachtet, über die Permeatausgangs-Leitung zu entweichen, wodurch das Membranmodul weiter getrocknet wird und insbesondere die verbleibende höhere Konzentration von Wasserdampf an der Gaseingangsseite des Membranmoduis entfernt wird.

Je nach Art der eingesetzten Membran und der vorliegenden Umgebungsbedingungen ist es vorteilhaft, wenn in der Nachlaufeeit, in der weiterhin Gas in das Membranmodul gefördert worden ist, je nach gewünschtem Taupunkt des in dem Membranmodul verbleibenden Gases, das 1- bis 1000-fache, vorzugsweise das 10- bis 200-fache, des Totvolumens des Membranmoduls in das Membranmodul gefördert wird.

Je nachdem, welche Anforderungen an das Membranmodul nach dessen Stilllegung insbesondere hinsichtlich der zu erwartenden Umgebungstemperatur erforderlich sind, ist es günstig, wenn die Nachlautzeit derart gewählt wird, dass ein Taupunkt des in dem Membranmodul verbleibenden Gases von unter -30°C, vorzugsweise unter -50°C, erreicht wird.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand von in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, noch weiter erläutert.

Im Einzelnen zeigen die Zeichnungen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem von einer Druckquelle (Kompressor) beaufschlagten Membranmodul;

Fig. 2 ein Diagramm zur Wassersorption aus der Dampfphase bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Partialdrücken von Wasser in der Dampfphase; und

Fig. 3 ein weiteres Diagramm zur Wasserkonzentration im Polymer der Membran gegenüber der jeweiligen Position in der Membran (Entfernung vom Eintrittspunkt).

Fig. 1 zeigt den schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei Feedgas von einem Kompressor verdichtet und anschließend in einem Trockner A (welcher beispielsweise der in der Gaspermeationsanlage bereits zur öl- bzw. Wasserabscheidung vorgesehene Trockner sein kann) einer ersten Trocknung unterzogen wird. Bei normalem Betrieb der Gaspermeationsanlage wird das komprimierte Feedgas nun über ein Dreiweg-Ventil an dem Trockner B vorbei geleitet und tritt dann in das Membranmodul ein. Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann nun das komprimierte Feedgas, welches bereits im Trockner A vorgetrocknet wurde, im Trockner B einer weiteren Trocknung unterzogen werden, worauf es im anschließend vorgesehenen Druckreduzier-Ventil von dem durch den Kompressor vorgesehenen Druck auf einen einzustellenden Mitteldruck, welcher über dem Umgebungsdruck liegt, expandiert wird. Sodann tritt das expandierte Feedgas in den Wärmetauscher ein, in welchem es um beispielsweise 20°C erwärmt wird. Derartig erwärmtes expandiertes Feedgas wird sodann in das Membranmodul weitergeleitet, wo es auf Grund des stark gedrosselten Absperrventils in der Retentatausgangs-Leitung bevorzugt durch die Membran durchtritt, diese trocknet und durch die Permeatausgangs-Leitung austritt. Sobald das Membranmodul für die beabsichtigte Stilllegung ausreichend getrocknet ist, d.h. nach einer vorgegebenen Nachlaufzeit, wird die Gaseingangs-Leitung sowie die Retentatausgangs-Leitung mittels der hiefür vorgesehenen Absperrventile völlig geschlossen. Anschließend wird dann das Ventil in der Permeatausgangs-Leitung abgesperrt, wobei im Membranmodul ein geringer Überdruck vorhanden bleiben soll.

In Fig. 2 wird in dem Diagramm die Wassersorption in kg/kg Membranpolymer bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Partialdrücken von Wasserdampf im Feedgas dargestellt. Wie aus dem Diagramm leicht ersichtlich, trägt die Temperaturerhöhung des Feedgases wesentlich zur Sorption im Polymer bei, bis zu einer Temperatur von etwa 50eC kann durch die Temperaturerhöhung im Feedgas eine beträchtliche Trocknung erzielt werden, bei höheren Temperaturen ist der damit verbundene Energieaufwand sowie eine mögliche Schädigung des Polymers jeden- 3

Claims (8)

1. AT 409 224 B falls zu bedenken. Fig. 3 schließlich zeigt im Diagramm wiederum die Wasserkonzentration im Polymer gegenüber der jeweiligen Messstelle im Modul selbst. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass an Position 0 die Eingangskonzentration (Wasserkonzentration im Feedgas) dargestellt ist, während an Position 1 die Wasserkonzentration im Polymer an der Permeat-Ausgangsstelle dargestellt wird. Eingezeichnet ist die Kurve der Wasserkonzentration bei Produktionsbetrieb von Stickstoff sowie bei einer Trocknung, wenn lediglich das Retentat-Ventil geschlossen wird. Wie leicht ersichtlich, ist durch ein gewöhnliches Absperren des Retentat-Ventils bereits eine beträchtliche Trocknung erzielbar. Die beiden untersten Kurven stellen die Wasserkonzentration im Polymer beim erfindungsgemäßen Shut-down-Verfahren dar, wobei in dem Diagramm eine Expansion des Feedga-ses auf ein Fünftel des bei Betrieb vorgesehenen Druckes durchgeführt wurde. Demgemäß ist auch eintrittsseitig die Wasserkonzentration im Polymer auf ein Fünftel der Anfangskonzentration verringert worden, wobei bereits nach etwa einem Zehntel der Gesamtlänge der Membran im Modul der Ausgangswert auf etwa ein Drittel absinkt. Wie aus dem Diagramm leicht ersichtlich, ist bereits nach einer Strecke von ungefähr einem Drittel der Membranlänge im Modul die Wasserkonzentration auf praktisch Null gesunken. Eine weitere Verbesserung des erfindungsgemäßen Shut-down-Verfahrens besteht nun in einer Erwärmung des expandierten Gases (im vorliegenden Fall von einer Temperatur von etwa 25°C auf etwa 45°C). In diesem Fall ist bereits die Anfangs-Wasserkonzentration im Polymer auf etwa 0,04 verringert worden, bereits nach etwa einem Zehntel der Membranlänge im Modul ist die Membran praktisch trocken. Die nahe des Feedgas-Eintritts noch vorhandene Restfeuchte - soferne überhaupt von einer solchen gesprochen werden kann -wird dann nach Stilllegung des Membranmoduls durch Diffusion über die gesamte Membran verteilt, so dass etwaige Beschädigungen durch Mikrokristallbildung in der Membran bzw. Frieren von kleinen Wassertropfen völlig ausgeschlossen werden. PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zur Trocknung und Stilllegung mindestens eines einer Druckquelle nachgeschalteten und zur Gaspermeation vorgesehenen Membranmoduls mit einer Gaseingangs-Leitung, einer Retentatausgangs-Leitung und einer Permeatausgangs-Leitung, dadurch gekennzeichnet, dass vor Stilllegung des Membranmoduls das über die Gaseingangs-Leitung in das Membranmodul einzutretende Gas auf ein Niveau zwischen Umgebungsdruck und dem von der Druckquelle zur Verfügung gestelltem Gasdruck expandiert wird und Gas mit derart verringertem Druck weiterhin in das Membranmodul gefördert wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Druckquelle kommende Gas vor seiner Expansion getrocknet wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Kältetrockner zum Einsatz kommen.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas nach der Expansion und vor Eintritt in das Membranmodul erwärmt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Retentat-Austritt aus dem Membranmodul gedrosselt wird.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer vorgegebenen Nachlaufzeit, in der weiterhin Gas mit vermindertem Druck in das Membranmodul gefördert wird, die Gaseingangs-Leitung und die Retentatausgangs-Leitung abgesperrt werden.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Nachlaufzeit, in der weiterhin Gas mit vermindertem Druck in das Membranmodul gefördert wird, je nach gewünschtem Taupunkt des in dem Membranmodul verbleibenden Gases, das 1 bis 1000fache, vorzugsweise das 10 bis 200fache, des Totvolumens des Membranmoduls in das Membranmodul gefördert wird.
8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachlaufzeit derart gewählt wird, dass ein Taupunkt des in dem Membranmodul verbleibenden Gases von unter -30°C, vorzugsweise unter -50°C, erreicht wird. 4 AT 409 224 B HIEZU 3 BLATT ZEICHNUNGEN 5