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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abtrennen von Wasserstoff aus
einer Wasserstoff-enthaltenden, Helium-reichen Fraktion, wobei die
Wasserstoffenthaltende, Helium-reiche Fraktion einer katalytischen
Reaktion, in der der Wasserstoff durch Zugabe von Sauerstoff in
Wasser umgewandelt wird, unterworfen und das dabei gebildete Wasser
aus der von Wasserstoff befreiten, Helium-reichen Fraktion abgetrennt
wird.
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Gattungsgemäße Verfahren
zum Abtrennen von Wasserstoff aus einer Wasserstoffenthaltenden, Helium-reichen
Fraktion kommen bei der Behandlung von Roh- bzw. Einsatzfraktionen,
die der Behandlung in sog. Helium-Anreicherungsprozessen zugeführt werden,
zur Anwendung. In einigen Fällen enthalten
diese Fraktionen soviel Wasserstoff, dass dieser nicht mehr wirtschaftlich
im kalten Teil des Helium-Anreicherungs-
bzw. -Verflüssigungsprozesses entfernt
werden kann.
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In
diesen Fällen
wird die Wasserstoff-enthaltende, Helium-reiche Fraktion einer katalytischen
Reaktion, in der der Wasserstoff durch Zugabe von Sauerstoff in
Wasser umgewandelt wird, unterworfen. Die dabei entstehende Reaktionswärme wird
in üblicher
Weise in einem nachgeschalteten Kühlprozess abgeführt und
anschließend
das in der katalytischen Reaktion gebildete Wasser abgetrennt. Sodann
wird die von Wasserstoff befreite, Helium-reiche Fraktion dem Tieftemperaturteil
des Helium-Anreicherungsprozesses
zugeführt.
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Der
Wasserstoff-Anteil in der der katalytischen Reaktion zugeführten Fraktion
bestimmt die Temperaturtönung
der katalytischen Reaktion. In der Praxis zeigt sich, dass diese
katalytische Reaktion insbesondere bei hohen Wasserstoff-Gehalten
und gleichzeitiger Anwesenheit von Methan und/oder anderen brennbaren
Komponenten nur vergleichsweise schwer beherrschbar ist, da oftmals
die zulässige Temperatur
am Ausgang der katalytischen Reaktion überschritten wird. Als Folge
davon wird ein Abschalten des Helium-Anreicherungsprozesses erforderlich.
Diese unerwünschte
Temperaturerhöhung
ist deswegen schlecht kontrollierbar, da durch die Zugabe von Sauerstoff
eine schnell ablaufende, stark exotherme Knallgasreaktion ausgelöst wird.
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Es
ist offensichtlich, dass ein häufiges
Abschalten des Helium-Anreicherungsprozesses
zu einer schlechten Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses führt.
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Es
wurde bereits vorgeschlagen, der Wasserstoff-enthaltenden, Helium-reichen
Fraktion vor der Zuführung
in die katalytische Reaktion Umgebungsluft beizumischen. Mittels
dieser Verfahrensweise sollte die unerwünschte Temperaturtönung durch
den erhöhten
Anteil an inerten Komponenten begrenzt werden. Diese Verfahrensweise
hat sich jedoch in der Praxis nicht bewährt, da es aufgrund des Sauerstoff-Überschusses
zu unerwünschten
Nebenreaktionen mit brennbaren Gaskomponenten kommen kann.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Verfahren
zum Abtrennen von Wasserstoff aus einer Wasserstoff-enthaltenden,
Helium-reichen Fraktion anzugeben, das die vorbeschriebenen Nachteile
vermeidet.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird ein Verfahren zum Abtrennen von Wasserstoff
aus einer Wasserstoff-enthaltenden, Helium-reichen Fraktion vorgeschlagen,
das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Teilstrom der von Wasserstoff
befreiten, Helium-reichen Fraktion vor die katalytische Reaktion
zurückgeführt wird.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr
ein Teilstrom der von Wasserstoff befreiten, Heliumreichen Fraktion
vor die katalytische Reaktion zurückgeführt. Wie bereits erwähnt, bestimmt
der Anteil an inerten Komponenten in der der katalytischen Reaktion
zugeführten
Fraktion die Temperatur am Ausgang der katalytischen Reaktion. Mittels
der erfindungsgemäßen Verfahrensweise
kann der Anteil an inerten Komponenten in der katalytischen Reaktion
erhöht
und damit die unerwünschte
Temperaturtönung
vermieden oder zumindest auf ein akzeptables Maß begrenzt werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Abtrennen
von Wasserstoff aus einer Wasserstoff-enthaltenden, Helium-reichen
Fraktion, die Gegenstand der abhängigen
Patentansprüche
sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass
- – die Menge
des zurückgeführten Teilstromes
von der am Ausgang der katalytischen Reaktion herrschenden Temperatur
bestimmt wird,
- – sofern
die von Wasserstoff befreite, Helium-reiche Fraktion einer Abkühlung unterworfen
wird, der zurückzuführende Teilstrom
der von Wasserstoff befreiten, Helium-reichen Fraktion vor der Abkühlung abgezogen
wird,
- – sofern
die von Wasserstoff befreite, Helium-reiche Fraktion einer mehrstufigen
Abkühlung
unterworfen wird, der zurückzuführende Teilstrom
der von Wasserstoff befreiten, Helium-reichen Fraktion bei einer
Zwischentemperatur der mehrstufigen Abkühlung abgezogen wird,
- – sofern
die von Wasserstoff befreite, Helium-reiche Fraktion einer ein-
oder mehrstufigen Abkühlung
unterworfen wird, der zurückzuführende Teilstrom
der von Wasserstoff befreiten, Helium-reichen Fraktion nach der
Abkühlung
abgezogen wird,
- – der
zurückgeführte Teilstrom
der von Wasserstoff befreiten, Helium-reichen Fraktion verdichtet, vorzugsweise
einstufig verdichtet wird,
- – sofern
der zurückgeführte Teilstrom
verdichtet wird, der Verdichtung eine Bypass-Leitung zugeordnet
ist,
- – die
Menge des vor die katalytische Reaktion zurückgeführten Teilstromes der von Wasserstoff befreiten,
Helium-reichen Fraktion mittels eines Regelventils, eines in dem
oder den Verdichtern integrierten Vorleitgitters und/oder eines
bzw. einer dem oder den Verdichtern vorgeschalteten Regelventils
bzw. Regelklappe erfolgt und
- – der
der katalytischen Reaktion zugeführten, Wasserstoff-enthaltenden,
Heliumreichen Fraktion zumindest zeitweilig eine an inerten Komponenten
reiche Fraktion, vorzugsweise Stickstoff oder eine Stickstoff-reiche
Fraktion, zugemischt wird.
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In
vorteilhafter Weise wird die Menge des zurückgeführten Teilstromes von der am
Ausgang der katalytischen Reaktion herrschenden Temperatur bestimmt.
Diese Verfahrensweise hat zur Folge, dass bei Erfassung eines Temperaturanstieges
die Durchflussmenge des vor die katalytische Reaktion zurückgeführten Teilstromes
der von Wasserstoff befreiten, Helium-reichen Fraktion sukzessive
erhöht
wird. Als Folge davon kommt es zu einer Temperaturerniedrigung,
weshalb die Durchflussmenge des vor die katalytische Reaktion zurückgeführten Teilstromes
wieder reduziert werden kann.
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Im
Regelfall wird es aufgrund des Druckabfalls über den oder die Reaktoren,
in dem bzw. denen die katalytische Reaktion abläuft, erforderlich sein, den
vor die katalytische Reaktion zurückgeführten Teilstrom zu verdichten.
Dazu ist ein geeigneter ein- oder mehrstufiger Verdichter vorzusehen.
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Die
vorbeschriebene Regelung der Durchflussmenge des vor die katalytische
Reaktion zurückgeführten Teilstromes
kann mittels entsprechender Regelventile oder unter Verwendung eines
Verdichters mit Vorleitgitter erfolgen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Abtrennen von Wasserstoff aus einer Wasserstoff-enthaltenden,
Helium-reichen Fraktion sowie weitere Ausgestaltung desselben seien
nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Über Leitung 1 wird
eine Wasserstoff-enthaltende, Helium-reiche Fraktion einem Reaktor
K zugeführt.
In diesem wird der enthaltene Wasserstoff durch Zugabe von Sauerstoff,
der der Wasserstoff-enthaltenden, Helium-reichen Fraktion über Leitung 1' zugeführt wird,
katalytisch in Wasser umgewandelt.
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Über die
Leitungsabschnitte 2 und 3 wird die von Wasserstoff
befreite, Helium-reiche Fraktion aus dem Reaktor K abgezogen und
einer Nachkühlung
E unterworfen. Diese unterstützt
die Kondensation und Abtrennung des in der katalytischen Reaktion
K gebildeten Wassers. Die Abkühlung
im Wärmetauscher E
erfolgt vorzugsweise gegen Kühlwasser,
Luft und/oder einen geeigneten Kälte-
oder Kühlsolekreislauf.
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Die
derart abgekühlte,
von Wasserstoff befreite, Helium-reiche Fraktion wird anschließend über Leitung 4 einem
Abscheider D zugeführt.
Aus dem Sumpf des Abscheiders D wird über Leitung 5 Wasser
bzw. eine Wasser-reiche Fraktion abgezogen. Die am Kopf des Abscheiders
D über
Leitung 6 abgezogene, wassergesättigte Fraktion wird in einem Trockner
A von Wasser befreit. Das trockene, Helium-reiche Gas wird anschließend über Leitung 10 einem
in der Figur nicht dargestellten Helium-Anreicherungsprozess zugeführt.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr über die Leitungsabschnitte 7 und
ggf. 7' sowie 8 ein
Teilstrom der von Wasserstoff befreiten, Helium-reichen Fraktion
vor die katalytische Reaktion K zurückgeführt. Aufgrund des Druckabfalls
im Reaktor K ist im Regelfall eine Rückverdichtung V des zurückgeführten Teilstromes
vorzusehen.
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Der
vor die katalytische Reaktion K zurückzuführende Teilstrom der von Wasserstoff
befreiten, Helium-reichen Fraktion kann entweder vor der Abkühlung E über die
Leitungsabschnitte 7 und 8 oder – im Falle
einer mehrstufigen Abkühlung – auf einem Zwischentemperatur
der mehrstufigen Abkühlung oder
nach der Abkühlung
E über
die Leitungsabschnitte 7', 7 und 8 abgezogen
und zurückgeführt werden.
Darüber
hinaus sind Kombinationen der vorgenannten Verfahrensweisen realisierbar.
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Mittels
eines Regelventils a kann die Durchflussmenge des zurückgeführten Teilstromes,
in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit
von der Temperatur am Ausgang des Reaktors K, variiert werden. Alternativ
dazu kann der Verdichter V selbst mit einem Vorleitgitter ausgeführt werden
oder es kann eine Regelklappe bzw. ein Regelventil in die Saugleitung zum
Verdichter V integriert sein, um die zurückgeführte Menge in einem weiten
Bereich energieeffizient einzustellen.
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Des
Weiteren kann eine By-pass-Leitung 9, in der zweckmäßigerweise
ebenfalls ein Regelventil b vorgesehen ist, vorgesehen werden. Über diese By-pass-Leitung 9 wird
der rückverdichtete
Teilstrom(anteil), der nicht über
die Leitung 8 vor den Reaktor K zurückgeführt wird, wieder der von Wasserstoff
befreiten, Helium-reichen Fraktion in der Leitung 2 zugemischt.
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In
der Figur nicht dargestellt ist eine weitere mögliche vorteilhafte Ausgestaltung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gemäß der der
Wasserstoff-enthaltenden, Heliumreichen Fraktion in der Leitung 1 zumindest
zeitweilig eine an inerten Komponenten reiche Fraktion zugemischt
wird. Bei der an inerten Komponenten reichen Fraktion handelt es sich
vorzugsweise um eine Stickstoff-Fraktion oder eine Stickstoff-reiche
Fraktion. Diese Verfahrensweise kommt insbesondere während einer
Anfahrprozedur zu Anwendung, da während der Anfahrprozedur am
Ausgang des Reaktors K noch keine von Wasserstoff befreite, Helium-reiche
Fraktion vorliegt. Mittels der vorbeschriebenen Ausgestaltung kann
auch zu diesen Zeiten die Wärmetönung innerhalb
des Reaktors K in den gewünschten
Grenzen halten zu können.
Aber auch während
des Normalbetriebes kann diese Ausgestaltung von Vorteil sein, insbesondere dann,
wenn die vor die katalytische Reaktion zurückgeführte Teilstrommenge nicht ausreichend
groß ist oder
aufgrund anderer Überlegungen
nur ein Teil der für
die Einhaltung einer gewünschten
Temperatur erforderlichen Menge vor die katalytische Reaktion zurückgeführt werden
kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Abtrennen von Wasserstoff aus einer Wasserstoff-enthaltenden,
Helium-reichen Fraktion ermöglicht
mit geringem verfahrenstechnischen Aufwand eine zufrieden stellende
und sichere Lösung
des vorbeschriebenen Problems der unerwünschten Temperaturtönung innerhalb
der katalytischen Reaktion. Der apparative Mehraufwand in Form eines
Verdichters, eines Regelventils sowie von Leitungen ist überschaubar.