DE102020130946A1 - Kryogenes Verfahren zur Wertstoffgewinnung aus einem wasserstoffreichen Einsatzgas - Google Patents

Kryogenes Verfahren zur Wertstoffgewinnung aus einem wasserstoffreichen Einsatzgas Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein kryogenes Verfahren zur Wertstoffgewinnung, insbesondere von Wasserstoff, aus einem wasserstoffreichen Einsatzgas, insbesondere einem wasserstoffreichen Erdgas, umfassend die folgenden Schritte, dass in einer ersten Abtrennkolonne (T1) Kohlenwasserstoffe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen abgetrennt werden, in einer zweiten Abtrennkolonne (T2) wird Methan abgetrennt, und in einer dritten Abtrennkolonne (T3) wird Stickstoff abgetrennt, wobei das wasserstoffreiche Einsatzgas nach optionaler Vorreinigung R den Abtrennkolonnen T1 bis T3 gemäß den Schritten a) bis c) zugeführt wird und in den Abtrennkolonnen in eine Flüssigfraktion, das Sumpfprodukt, und eine Gasfraktion, das Kopfprodukt, aufgetrennt wird. In dem erfindungsgemäßen kryogenen Verfahren geschieht die Kälteversorgung bevorzugt zumindest teilweise durch einen oder mehrere Kältekreisläufe.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein kryogenes Verfahren zur Wertstoffgewinnung, insbesondere von Wasserstoff, aus einem wasserstoffreichen Einsatzgas, vorzugsweise einem wasserstoffreichen Erdgas, wobei Kohlenwasserstoffe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen, Methan und Stickstoff in mindestens 3 Abtrennkolonnen abgetrennt werden.
  • Hintergrund der Erfindung
  • In jüngster Zeit wird Wasserstoff zunehmend als saubere Energiequelle für die Menschheit angesehen, da bei dessen Verbrennung lediglich Wasser entsteht. Industriell hergestellter Wasserstoff wird in Fülle in chemischen Prozessen eingesetzt und seine Rolle als Energieträger treibt den Energieindustriezweig zu massiven Investitionen, wobei auch die Verwendung von Wasserstoff zur Speicherung von Energie zunehmend zum Einsatz kommt.
  • Üblicherweise wird Wasserstoff aus Restgasströmen von chemischen Prozessen, wie beispielsweise Reforming- oder Cracking-Prozessen, gewonnen. Durch Membran- und/oder Druckwechseladsorber wird der Wasserstoff aus diesen Restgasströmen angereichert und/oder isoliert. Diese Restgasströme umfassen in der Regel Methan, Kohlenwasserstoffgemische verschiedener Kettenlängen, vorzugsweise leichten Kohlenwasserstoffen, Kohlenmonoxid und Kohlendioxid.
  • Die jüngere Entdeckung von verschiedenen natürlichen Wasserstoffquellen unterstreichen die ökonomischen Interessen zukünftig natürlich vorkommenden Wasserstoff in kontinentalen Festlandgebieten auszubeuten. Hierzu werden Verfahren benötigt, die die Gewinnung von Wasserstoff aus diesen natürlichen Wasserstoffquellen günstiger darstellen können als die industrielle Herstellung aus fossilen Brennstoffen oder durch Elektrolyse. Aufgrund der Größe der bereits aufgefundenen wasserstoffhaltigen Erdgasquellen mit hohem potentiellen Fördermengen, beispielsweise der wasserstoffreichen Erdgasquelle in Bourakebougou (Mali), sind die im Stand der Technik bekannten Druckwechseladsorptions- und Membrantechnologien technisch nicht in der Lage zufriedenstellende Fördermengen kosteneffizient zu verarbeiten. Hierzu werden Großanlagen benötigt mit Kapazitäten von beispielsweise 1000 t/Tag bzw. einer Leistung von ca. 1.5 GW thermisch, was einer Durchflussmenge von ca. 500.000 Normkubikmeter/h (Nm3/h) entspricht.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher ein umfassendes Verfahren zur Verfügung zu stellen, das die Kapazität von Großanlagen hat, große Fördermengen eines wasserstoffreichen Einsatzgases, insbesondere eines wasserstoffreichen Erdgases, effizient und kostengünstig in die darin enthaltenden Wertstoffe auftrennt und diese gegebenenfalls nach Einstellung der Reinheit für weitere Prozesse zur Verfügung stellt. Da die bisher aufgefundenen natürlichen wasserstoffreichen Erdgasquellen in geographischen Gegenden liegen, die weniger industrialisiert sind (z.B. in Mali), ist hier ein ganzheitliches Verfahren vorteilhaft, das alle im Einsatzgas vorhandenen Wertstoffe in großtechnischen Maßstab möglichst effizient, kostengünstig und umfassend voneinander trennt und weiteren Nutzungen bzw. Prozessen oder als Energiequelle zur Verfügung stellt . Selbstverständlich ist ein solches Verfahren auch für im großen Maßstab industriell anfallende wasserstoffreiche Einsatzgase vorteilhaft, insbesondere vor dem Hintergrund der zunehmenden Nutzung von Wasserstoff als Energiequelle im Automobil- und anderen Industriesektoren.
  • Details zu der im Stand der Technik beschriebenen wasserstoffhaltigen Erdgasquelle in Mali sind von Prinzhofer et al. im International Journal of Hydrogen Energy (2018), https://doi.org/10.1016/j.ijhydgene.2018.08.193 beschrieben.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein kryogenes Verfahren zur Wertstoffgewinnung, insbesondere von Wasserstoff, aus einem wasserstoffreichen Einsatzgas, vorzugsweise einem wasserstoffreichen Erdgas, beschrieben, wobei in einer ersten Abtrennkolonne Kohlenwasserstoffe mit zwei oder mehreren Kohlenstoffatomen abgetrennt werden, in einer zweiten Abtrennkolonne Methan abgetrennt wird, und in einer dritten Abtrennkolonne Stickstoff abgetrennt wird.
  • Beschreibung der Erfindung
  • In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung ein kryogenes Verfahren zur Wertstoffgewinnung, insbesondere von Wasserstoff, aus einem wasserstoffreichen Einsatzgas, vorzugsweise einem wasserstoffreichen Erdgas, umfassend die folgenden Schritte:
    1. a) in einer ersten Abtrennkolonne (T1), insbesondere einer Rektifizierkolonne, werden Kohlenwasserstoffe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen abgetrennt,
    2. b) in einer zweiten Abtrennkolonne (T2), insbesondere einer Rektifizierkolonne, wird Methan abgetrennt, und
    3. c) in einer dritten Abtrennkolonne (T3), insbesondere einer Rektifizierkolonne, wird Stickstoff abgetrennt,

    wobei das wasserstoffreiche Einsatzgas nach optionaler Vorreinigung R den Abtrennkolonnen T1 bis T3 gemäß den Schritten a) bis c) zugeführt wird und in den Abtrennkolonnen in eine Flüssigfraktion, das Sumpfprodukt, und eine Gasfraktion, das Kopfprodukt, aufgetrennt wird.
  • Im Sinne dieser Erfindung meint Einsatzgas ein wasserstoffreiches Rohgas mit einem Wasserstoffgehalt von 50 Vol-% oder höher, das aus einem industriellen Prozess stammt oder aus einer natürlichen Erdgasquelle, das die Wertstoffkomponenten Wasserstoff, Methan, Kohlenstoffe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen und Stickstoff umfasst und das als Ausgangsgas des erfindungsgemäßen kryogenen Verfahrens dient.
  • Der Begriff Einsatzfraktion meint das an der jeweiligen Abtrennkolonne ankommende Gas, das die entsprechende Abtrennkolonne durchlaufen wird und dadurch in mindestens 2 Fraktionen, eine Kopffraktion und eine Sumpffraktion aufgetrennt wird.
  • Erdgas im Sinne dieser Erfindung meint ein durch natürlich-vorkommende Prozesse entstandenes Gas, das unterhalb der Erdoberfläche bzw. im Erdinneren entstanden ist. Das wasserstoffreiche Erdgas stammt vorzugsweise aus einer natürlichen Erdgasquelle.
  • Das wasserstoffreiche Einsatzgas, vorzugsweise wasserstoffreiche Erdgas, weist einen Wasserstoffgehalt von 50 bis 99,9 Vol-% auf, vorzugsweise 70 bis 99,9 Vol-% Wasserstoff, besonders bevorzugt 90 bis 99,9 Vol-% Wasserstoff.
  • Ferner können als weitere Komponenten Stickstoff, Methan und Edelgase, insbesondere Helium, Neon und Argon, und Kohlenwasserstoffe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen, im Einsatzgas, insbesondere Erdgas umfasst sein. In geringeren Konzentrationen, insbesondere zwischen 0 und 10 Vol-% kann auch Kohlendioxid umfasst sein, während Kohlenmonoxid und Schwefelkomponenten in Konzentrationen zwischen 0 und 0,5 Vol-% vorliegen können.
  • In einer weiteren Ausführungsform weist das wasserstoffreiche Einsatzgas, insbesondere das wasserstoffreiche Erdgas als Hauptbestandteile einen Wasserstoff-Gehalt zwischen 50 und 99,9 Vol-%, einen Methan-Gehalt zwischen 0,02 und 40 Vol-% und einen Stickstoff-Gehalt zwischen 0,02 und 30 Vol-% auf, bevorzugt einen Wasserstoff-Gehalt von mindestens 70 Vol %, einen Methan-Gehalt von höchstens 20 Vol % und einen Stickstoff-Gehalt von höchstens 20 Vol %, besonders bevorzugt einen Wasserstoff-Gehalt von mindestens 90 Vol %, einen Methan-Gehalt von höchstens 10 Vol % und einen Stickstoff-Gehalt von höchstens 10 Vol %,
  • In dem erfindungsgemäßen kryogenen Verfahren ist die erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Abtrennkolonne vorteilhafterweise eine Rektifizierkolonne.
  • In dem erfindungsgemäßen kryogenen Verfahren geschieht die Kälteversorgung bevorzugt zumindest teilweise durch einen oder mehrere Kältekreisläufe.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Abkühlung und zumindest teilweise Verflüssigung des wasserstoffreichen Einsatzgases, vorzugsweise des wasserstoffreichen Erdgases, in den Abtrennkolonnen, vorzugsweise den Rektifizierkolonnen, gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch in wenigstens einem Wärmetauscher (E1).
  • In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird das Rohgas (B0), d.h. das wasserstoffreiche Einsatzgas, insbesondere das wasserstoffreiche Erdgas der Erdgasquelle, vorgereinigt (R), indem eine oder mehrere Bestandteile des Einsatzgases, die im Tieftemperaturteil der Anlage ausfrieren würden, entfernt werden. Solche Bestandteile sind insbesondere ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Merkaptanen und Quecksilberverbindungen, insbesondere Quecksilber, oder Kombinationen davon. Diese Bestandteile können mittels Adsorptions- und / oder Absorptionsverfahren im Rahmen der Vorreinigung entfernt werden.
  • In der Regel enthalten natürliche Erdgasquellen, insbesondere wasserstoffreiche Erdgasquellen, Wasser, das im Rahmen einer Vorreinigung, Vorbehandlung oder Trocknung zu entfernen ist. Bei Erdgasquellen, die bereits von Haus aus - zumindest in Teilfraktionen der Förderung - bereits sehr arm sind an Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Merkaptanen und/oder Quecksilberverbindungen, insbesondere Quecksilber, oder evtl. gar keine dieser Bestandteile aufweisen, kann auf eine weitere Vorreinigung gegebenenfalls verzichtet werden. Wasserstoffreiche Einsatzgase aus industriellen Prozessen, die die gleichen Bestandteile umfassen, werden entsprechend behandelt. In einem Aspekt dieser Erfindung wird ein wasserstoffreiches Rohgas aus einer natürlichen Erdgasquelle vorgereinigt und dadurch zumindest der Wasser-Bestandteil entfernt, vorzugsweise werden durch eine Vorreinigung Kohlendioxid, Schwefelwasserstoff, Merkaptane und/oder Quecksilberverbindungen, insbesondere Quecksilber entfernt.
  • Wird wasserstoffreiches Einsatzgas aus industriellen Prozessen als Einsatzgas verwendet, das keine der oben beschriebenen Bestandteile umfasst, die im Rahmen der Vorreinigung zu entfernen sind, so kann auf eine Vorreinigung, Vorbehandlung und/oder Trocknung verzichtet werden.
  • In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Rohgas, insbesondere das wasserstoffreiche Erdgas, vor der Vorreinigung bevorzugt vorverdichtet.
  • Erfindungsgemäß werden die im Rohgas enthaltenen Wertstoffe, insbesondere Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe mit zwei oder mehreren Kohlenstoffatomen, Methan, Stickstoff in den Abtrennkolonnen T1 bis T3, vorzugsweise in Rektifizierkolonnen aus dem Rohgas bzw. vorgereinigtem Rohgas abgetrennt. Es ist vorteilhaft, das Rohgas vor dessen Verflüssigung auf einen Druck zwischen 20 und 50 bar zu verdichten. Insbesondere im Falle der vergleichsweise wertvollen Komponente Wasserstoff, ist eine Gewinnung bei hohem Druck erwünscht, da der Wasserstoff im Regelfall einer weiteren Verwendung, z. B. Verdichtung, zugeführt wird.
  • Das gegebenenfalls vorgetrocknete und/oder vorgereinigte und gegebenenfalls bei höherem Druck vorliegende wasserstoffreiche Rohgas (B1), insbesondere wasserstoffreiche Erdgas wird nach Abkühlung und evtl. Teilkondensation im Wärmetauscher E1 über eine Leitung, in der optional ein Entspannungsventil vorgesehen sein kann, der ersten Abtrennkolonne (T1), vorzugsweise der ersten Rektifizierkolonne, zugeführt und in dieser in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt. Allgemein wird in den entsprechenden Abtrennkolonnen die Flüssigphase als Sumpfprodukt und die Gasphase als Kopfprodukt bezeichnet.
  • Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Sumpfprodukt aus der ersten Abtrennkolonne T1, vorzugsweise der ersten Rektifizierkolonne, insbesondere C2-, C3-Kohlenwasserstoffe und höhere Kohlenwasserstoffe in einer weiteren Fraktionierung, d.h. einer vierten Abtrennkolonne T4, vorzugsweise einer vierten Rektifizierkolonne, zu Ethangas (B3) und LPG (B2) fraktioniert. Dabei kann das Sumpfprodukt der Abtrennkolonne T1 zunächst in E1 als Kältelieferant dienen und evtl. nach einer Drosselung zweiphasig in die Abtrennkolonne T4 eingespeist werden.
  • Optional kann in einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Teilstrom des wasserstoffreichen Einsatzgas, nach optionaler Vorreinigung R (B1), direkt in den unteren Teil der Abtrennkolonne T1 eingespeist werden, unter Umgehung des Wärmetauschers E1. Dies hat zur Folge, dass der Aufkocher der Abtrennkolonne T1 zumindest teilweise entlastet wird.
  • Am Kopf der Abtrennkolonne T1, vorzugsweise Rektifizierkolonne, wird die zumindest Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltende Fraktion (Kopfprodukt) abgezogen. Diese wird im Wärmetauscher E1 weiter abgekühlt und anschließend über eine Leitung, in der optional ein Entspannungsventil vorgesehen sein kann, der zweiten Abtrennkolonne T2, vorzugsweise zweiten Rektifizierkolonne, zugeführt.
  • Optional kann in einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Teilstrom des Kopfstromes der Abtrennkolonne T1 direkt in den unteren Teil der Abtrennkolonne T2 eingespeist werden, unter Umgehung des Wärmetauschers E1. Dies hat zur Folge, dass der Aufkocher der Abtrennkolonne T2 zumindest teilweise entlastet wird (nicht in 1 dargestellt).
  • Die Kühlung des Kopfkondensators durch den Wärmetauscher E1 der ersten Abtrennkolonne T1, vorzugsweise der Rektifizierkolonne, erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kältemittel oder Kältemittelgemisch oder einen Teilstrom des Kältemittels bzw. Kältemittelgemisches.
  • Die Kopfkondensatoren aller Abtrennkolonnen, vorzugsweise Rektifizierkolonnen, können entweder als Plattentauscher, vorzugsweise als Mehrstrom-Plattentauscher, als gewickelter Wärmetauscher, vorzugsweise als Mehrstrom-Gewickelte Tauscher, TEMA-Tauscher, hintereinandergeschaltete Serien von gewickelten Tauschern und/oder Plattentauschern ausgebildet sein und in oder oberhalb der jeweiligen Abtrennkolonne T, vorzugsweise Rektifizierkolonne T, angeordnet sein, wobei eine Anordnung oberhalb der Rektifizierkolonne eine Rücklaufpumpe obsolet macht.
  • Durch Variation der Kolonnenhöhe und des Kälteangebots kann die Verunreinigung der jeweiligen Kopfprodukte in engen Grenzen gehalten werden. So kann beispielsweise der Ethangehalt der in der Abtrennkolonne T1 über Kopf abgezogenen Fraktion nahezu beliebig, nämlich zwischen ca. 10 ppmV bis einige Vol-%, bevorzugt weniger als 2 % Vol, besonders bevorzugt weniger als 1 % Vol eingestellt werden. Der Methangehalt im Sumpfprodukt der Abtrennkolonne T1 kann nahezu beliebig, nämlich zwischen ca. 1 ppm bis einige Vol-%, bevorzugt weniger als 2 % Vol, besonders bevorzugt weniger als 1 % Vol eingestellt werden.
  • Die am Kopf der ersten Abtrennkolonne T1, vorzugsweise Rektifizierkolonne, abgetrennten Wertstoffe umfassend mindestens einen oder mehrere Wertstoffe aus der Gruppe bestehend aus Methan, Stickstoff und Wasserstoff werden nach weiterer Abkühlung im Wärmetauscher E1 über eine Leitung, in der optional ein Entspannungsventil vorgesehen sein kann, der Abtrennkolonne T2, vorzugsweise Rektifizierkolonne, zugeführt und in dieser in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt.
  • Optional kann in einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Teilstrom des Kopfstromes der Abtrennkolonne T2 direkt in den unteren Teil der Abtrennkolonne T3 eingespeist werden, unter Umgehung des Wärmetauschers E1. Dies hat zur Folge, dass der Aufkocher der Abtrennkolonne T3 zumindest teilweise entlastet wird (nicht in 1 dargestellt).
  • Die Kühlung des Kopfkondensators E1 der zweiten Abtrennkolonne T2, vorzugsweise der Rektifizierkolonne, erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kältemittel oder Kältemittelgemisch oder einen Teilstrom des Kältemittels bzw. Kältemittelgemisches.
  • Das methanreiche Sumpfprodukt aus der zweiten Abtrennkolonne T2, vorzugsweise Rektifizierkolonne, wird entweder im Wärmetauscher (E1) angewärmt und verdichtet als Methangas (B4) gewonnen oder weiter mittelts des Wärmetauschers (E1) abgekühlt, entspannt und als LNG gewonnen.
  • Die am Kopf der Abtrennkolonne T2, vorzugsweise Rektifizierkolonne, abgetrennten Wertstoffe umfassend mindestens einen oder mehrere Wertstoffe aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Helium und Wasserstoff werden nach weiterer Abkühlung über eine Leitung in der optional ein Entspannungsventil vorgesehen sein kann, der dritten Abtrennkolonne T3, vorzugsweise Rektifizierkolonne, zugeführt und in dieser in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt.
  • Ein Teil des stickstoffreichen Sumpfprodukts der Abtrennkolonne T3 kann entspannt werden, im Wärmetauscher (E1) angewärmt und in den Kältekreislauf von E1 als Kältemittel oder eine Komponente des Kältemittels eingespeist werden. Das stickstoffreiche Sumpfprodukt kann auch ohne Entspannung in E1 angewärmt und als Hochdruck-Stickstoff weiterverwendet werden (B5).
  • Alternativ kann der Sumpfstrom aus der Abtrennkolonne T3 (Hochdruck-LIN) entspannt und als erste Kältemittelstufe für die Verflüssigung des Wasserstoffs bzw. des Heliums dienen.
  • Falls im Rohgas Kohlenmonoxid enthalten ist, wird dieses im stickstoffreichen Sumpfprodukt der dritten Abtrennkolonne T3, vorzugsweise Rektifizierkolonne, angereichert und kann bevorzugt am warmen Ende des Prozesses mit Hilfe von Zudosierung von Sauerstoff in einer zusätzlichen Prozesseinheit zu Kohlendioxid umgewandelt werden. Als Wertstoff wird Stickstoff mit geringen Mengen an Kohlendioxid gewonnen, der einer Nutzung und/oder weiteren Prozessen zugeführt werden kann.
  • Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das im wasserstoffreichen Kopfprodukt der dritten Abtrennkolonne T3, vorzugsweise Rektifizierkolonne, möglicherweise enthaltende Helium nach einer weiteren Abkühlung in einer fünften Abtrennkolonne, insbesondere einer Wasserstoff-Abtrennkolonne (T5), vorzugsweise Rektifizierkolonne, rektifikatorisch oder über eine mindestens einstufige Entspannung in die beiden Komponenten Helium und Wasserstoff aufgeteilt, getrennt in kryogenen Standardverflüssigungsanlagen gegebenenfalls von restlichen Verunreinigungen befreit, verflüssigt und, bevorzugt in vakuumisolierten Spezialtanks, gelagert.
  • Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das wasserstoffreiche Kopfprodukt der dritten Abtrennkolonne T3, vorzugsweise der Rektifizierkolonne, im Wärmetauscher (E1) angewärmt (B6), verdichtet und in eine Pipeline eingespeist. Alternativ kann es in einer Standard-Wasserstoff-Verflüssigungsanlage von restlichen Verunreinigungen befreit, verflüssigt und, bevorzugt in vakuumisolierten Spezialtanks, gelagert werden.
  • Im weiteren Verlauf des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Kopfprodukt Wasserstoff aus der Abtrennkolonne T3, vorzugsweise Rektifizierkolonne, in einer speziellen Einheit nach dem Stand der Technik zunächst adsorptiv gereinigt, anschließend verflüssigt und, bevorzugt in vakuumisolierten Spezialtanks, gelagert werden.
  • In Abhängigkeit von der Stufenzahl der jeweiligen Abtrennkolonnen, insbesondere Rektifizierkolonnen, und dem Kälte/Wärmeangebot werden die jeweiligen Produkte als Wertstoffe in ihrer Reinheit eingestellt. Im erfindungsgemäßen Verfahren werden das methanreiche Sumpfprodukt der Abtrennkolonne T2, das wasserstoffreiche Kopfprodukt, das stickstoffreiche Sumpfprodukt der Abtrennkolonne T3 und das ethanreiche Kopfprodukt der Abtrennkolonne T4 entsprechend dem Kälteangebot in E1 als LPG-Produkt (B2) bzw. Ethanprodukt (B3) bzw. Methanprodukt (B4) bzw. Stickstoffprodukt (B5) bzw. Wasserstoffprodukt (B6) als Wertstoffe in ihrer Reinheit eingestellt und diese dann anderen Prozessen bzw. Verwertungen/Nutzungen zur Verfügung zu stellen. Entsprechend werden die Produkte der Abtrennkolonne T5, d.h. das Wasserstoff-Sumpfprodukt bzw. Helium-Kopfprodukt ebenfalls in Abtrennkolonne T5 in ihrer Reinheit eingestellt. Das Kopfprodukt Helium wird zunächst adsorptiv gereinigt, anschließend verflüssigt und, bevorzugt in vakuumisolierten Spezialtanks, gelagert. Das Sumpfprodukt Wasserstoff wird adsorptiv gereinigt und, bevorzugt in vakuumisolierten Spezialtanks, gelagert.
  • In einem bevorzugten Aspekt der Erfindung sind die Kondensatoren der Abtrennkolonnen, bevorzugt Rektifizierkolonnen, T1 bis T4 und die Aufkocher von T1 bis T3 mit E1 verbunden oder in E1 integriert.
  • Die im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete mindestens eine Wärmetauschereinheit E1 ist als Mehrstrom-Plattentauscher oder gewickelter Tauscher, insbesondere als hintereinandergeschaltete Serie von gewickelten Tauschern und/oder Plattentauschern ausgeführt, bevorzugt in mehrfacher Unterteilung entsprechend dem Temperaturprofil des Trennprozesses, um exergetisch günstige Temperaturdifferenzen über die gesamte Abkühlung zu gewährleisten und in bevorzugt mehrfacher paralleler Schaltung - je nach Kapazität der Anlage.
  • Die Kälteversorgung des Trennprozesses der Abtrennkolonnen, vorzugsweise Rektifizierkolonnen, (T1 bis T4) gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens ist entweder
    1. a) über einen Stickstoff-Expanderkreislauf mit zumindest einem Expander-Verdichter (Xi-Ci), wobei die Verdichter Ci als abschließende Stufen der Kreislaufverdichtung dienen. Dabei kann Stickstoff als Kältemittelkomponente bevorzugt aus dem Stickstoff-Produkt (B5), alternativ aus dem Sumpfprodukt der T3, bereitgestellt werden oder
    2. b) über einen Expander-Kältekreislauf mit Stickstoff und Methan als Komponenten analog a), wobei der Expander-Verdichter X2-C2 auch durch ein Joules-Thompson-Entspannungsventil ersetzt werden kann. Dabei kann auch Methan als Kältemittelkomponente bevorzugt aus dem Methanprodukt (B4), alternativ aus dem Sumpfprodukt der T2, bereitgestellt werden oder
    3. c) über einen Gemischkreislauf, der aus mindestens zwei Komponenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Methan, Ethan, Propan, i-Butan, n-Butan, i-Pentan, n-Pentan, Hexan und Heptan besteht, die bevorzugt entsprechend der Prozessoptimierung auf minimale Exergieverluste in E1 ausgewählt werden, oder
    4. d) über eine Hintereinanderschaltung ausgewählter Kältekreisläufe a) bis c) entsprechend der Prozessoptimierung auf minimale Exergieverluste in E1.
  • Das erfindungsgemäße kryogene Verfahren zur Wertstoffgewinnung von Wasserstoff, Kohlenwasserstoffen mit zwei oder mehreren Kohlenwasserstoffen, Methan und Stickstoff aus wasserstoffreichem Einsatzgas, insbesondere wasserstoffreichem Erdgas, sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen desselben seien nachfolgend anhand des in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Beispiele der Zusammensetzung für wasserstoffreiche Erdgasquellen, für die das erfindungsgemäße kryogene Verfahren Anwendung findet, sind in Tabelle 1 und 2 als 2 und 3 gezeigt.
    • 1 zeigt schematisch das erfindungsgemäße kryogene Verfahren. Optionale Weiterverarbeitungsschritte sind in gestrichelten Linien gezeigt. Es werden die folgenden Referenzzeichen und Abkürzungen verwendet:
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Leitung in die Vorreinigungseinheit R
    2
    Leitung von der Vorreinigungseinheit in den Wärmetauscher E1
    3
    Leitung aus dem Wärmetauscher E1 in die Abtrennkolonne T1
    4
    Leitung aus dem Kopfende der Abtrennkolonne T1 in den Wärmetauscher E1
    5
    Leitung aus dem Wärmetauscher E1 in die Abtrennkolonne T2
    6
    Leitung aus dem Sumpfende der Abtrennkolonne T1 in den Wärmetauscher E1
    7
    Leitung aus dem Sumpfende der Abtrennkolonne T2 in den Wärmetauscher E1
    8
    Leitung aus dem Sumpfende der Abtrennkolonne T2 in den Wärmetauscher E1 und anschließend in den Speicherbehälter S
    9
    Leitung aus dem Kopfende der Abtrennkolonne T2 in den Wärmetauscher E1
    10
    Leitung aus dem Wärmetauscher E1 in die Abtrennkolonne T3
    11
    Leitung aus dem Kopfende der Abtrennkolonne T3 in den Wärmetauscher E1
    12
    Leitung aus dem Sumpfende der Abtrennkolonne T3 in einen Wärmetauscher E1
    13
    Leitung von Leitung 11 in die Abtrennkolonne T5
    14
    Leitung von Leitung 12 durch E1
    15
    Leitung von Leitung 14 zur CO-Umwandlung
    16
    Leitung aus dem Sumpfende der Abtrennkolonne T1 nach dem Wärmetauscher E1 in die Abtrennkolonne T4

    Kühlkreislauf:
    21
    Leitung aus dem Wärmetauscher E1 zu einer Kreislaufverdichtung
    22
    Leitung von dem Kreislaufverdichter zum Wärmetauscher E1
    23
    Leitung aus dem Wärmetauscher E1 zum Expander X1
    24
    Leitung vom Expander X1 zum Wärmetauscher E1
    25
    Leitung aus dem Wärmetauscher E1 zum Expander X2
    26
    Leitung vom Expander X2 zum Wärmetauscher E1
    27
    Leitung von Leitung 12 zum Niederdruck-Kältemittelstrom im Wärmetauscher E1

    Sonstiges:
    R
    Vorreinigung
    S
    Speicherbehälter
    E1
    Wärmetauscher
    T1
    Abtrennkolonne 1
    T2
    Abtrennkolonne 2
    T3
    Abtrennkolonne 3
    T4
    Abtrennkolonne 4
    T5
    Abtrennkolonne 5
    Xi-Ci
    Expander-Verdichter
    a - h
    Entspannungsventil
    B1 - B8
    Bilanzpunkt
    R
    Vorreinigung
    S
    Speicherbehälter
    LNG
    liquefied natural gas
    LPG
    liquefied petroleum gas
    H2 Liq.
    Wasserstoff flüssig
    C1
    Methan
    C2
    Ethan
    HD
    Hochdruck
    LIN
    Liquid Nitrogen
  • Im Folgenden wird ein kryogenes Verfahren zur Wertstoffgewinnung von Wasserstoff, Kohlenwasserstoffen mit zwei oder mehreren Kohlenwasserstoffen, Methan und Stickstoff aus wasserstoffreichem Erdgas analog 1 beispielhaft näher erläutert.
  • Dieses kryogene Verfahren wird mit Rektifizierkolonnen durchgeführt. Über Leitung 1 wird die wenigstens Methan, Stickstoff und Wasserstoff enthaltende Einsatzfraktion einer gegebenenfalls vorzusehenden Vorreinigungs-Einheit R zugeführt. Bei niedrigen Drücken der Einsatzfraktion wird diese gegebenenfalls vorverdichtet auf einen Druck zwischen 20 und 50 bar. Des Weiteren wird bei Vorhandensein von Wasser, Kohlendioxid und Quecksilberverbindungen, insbesondere Quecksilber, im Regelfall eine Kohlendioxid- und Quecksilber-Entfernung sowie eine Trocknung durchgeführt. Bei Vorhandsein von Schwefelkomponenten werden diese ebenfalls im Wege der Vorreinigung entfernt.
  • Die derartig - gegebenenfalls vorbehandelte - Einsatzfraktion wird anschließend über Leitung 2 dem Wärmetauscher E1 zugeführt und in diesem abgekühlt und partiell kondensiert. Der Wärmetauscher E1 ist üblicherweise als Plattenwärmetauscher oder als gewickelter Wärmetauscher ausgeführt. Bei entsprechend großen Kapazitäten werden gegebenenfalls mehrere, parallel zueinander und/oder hintereinander angeordnete Wärmetauscher vorgesehen. Die Abkühlung und Verflüssigung der Einsatzfraktion erfolgt gegen wenigstens einen, beliebig ausgeführten Kältekreislauf, der in der Figur lediglich schematisch durch die Leitungsabschnitte 21 bis 27, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, dargestellt ist. Dieser Kältekreislauf ist vorzugsweise als Expander- oder Gemischkreislauf ausgebildet.
  • Die abgekühlte und evtl. partiell kondensierte Einsatzfraktion wird über Leitung 3, in der ein Entspannungsventil a vorgesehen sein kann, der Rektifizierkolonne T1 (Ethan-Abtrennkolonne) zugeführt und in dieser in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt.
  • Sofern das wasserstoffreiche Einsatzgas, insbesondere das wasserstoffreiche Erdgas, (B1) schwere Kohlenwasserstoffe enthält, können diese mit dem ethanreichen Sumpfprodukt aus der Rektifizierkolonne T1 über Leitung 6 dem Wärmetauscher E1 zugeführt, angewärmt und anschließend über Leitung 16, in der ein Entspannungsventil e vorgesehen sein kann, der Rektifizierkolonne T4 (Propan-Abtrennkolonne) zugeführt und in ein Ethanprodukt als Kopfprodukt der Rektifizierkolonne T4 (B3) und in ein LPG (B2) als Sumpfprodukt der Rektifizierkolonne T4 aufgetrennt werden. Alternativ kann die Leitung 6 unter Umgehung des Wärmetauschers E1 direkt in Leitung 16 übergehen.
  • Ein Teil der Einsatzfraktion kann auch unter Umgehung des Wärmetauschers E1 direkt als Strippgas in die Rektifizierkolonne T1 eingespeist werden, um den Aufkocher zumindest teilweise zu entlasten.
  • Am Kopf der Rektifizierkolonne T1 wird über Leitung 4 Methan und Stickstoff sowie die leichteren Komponenten, insbesondere die Wasserstoff-enthaltende Fraktion abgezogen. Diese wird im Wärmetauscher E1 gegen das Kältemittel weiter abgekühlt und anschließend über Leitung 5, in der ein Entspannungsventil b vorgesehen sein kann, der Rektifizierkolonne T2 (Methan-Abtrennkolonne) zugeführt und in dieser in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt.
  • Aus dem Sumpf der Rektifizierkolonne T2 wird über Leitung 7 eine Methan-reiche Flüssigfraktion mit einem Stickstoff-Gehalt von typischerweise weniger als 3 Vol-% abgezogen und im Wärmetauscher E1 angewärmt und als Methanprodukt (B4) seiner weiteren Verwendung zugeführt. Alternativ kann die methanreiche Flüssigfraktion gegen das Kältemittel oder Kältemittelgemisch des Kältekreislaufes in E1 unterkühlt und über Leitung 8 als LNG-Produkt nach Entspannung im Ventil f einem Speicherbehälter S zugeführt werden.
  • Innerhalb des Speicherbehälters S anfallendes Tankrückgas kann aus dem Speicherbehälter S abgezogen, sofern erforderlich ein- oder mehrstufig verdichtet und an der Anlagengrenze abgegeben werden. Alternativ kann das Tankrückgas auch einem Brenngassystem zugeführt werden.
  • Am Kopf der Rektifizierkolonne T2 wird über Leitung 9 Stickstoff sowie die leichteren Komponenten, insbesondere die Wasserstoff-enthaltende Fraktion abgezogen. Diese wird im Wärmetauscher E1 gegen das Kältemittel weiter abgekühlt und anschließend über Leitung 10, in der ein Entspannungsventil c vorgesehen sein kann, der Rektifizierkolonne T3 (Stickstoff-Abtrennkolonne) zugeführt und in dieser in eine Flüssig- und eine Gasfraktion aufgetrennt.
  • Das stickstoffreiche Sumpfprodukt der T3 kann über Leitung 12, die im weiteren Verlauf in Leitung 14 übergeht entweder in E1 angewärmt und als Stickstoffprodukt (B5) weiterverwendet werden oder zumindest ein Teilstrom kann auf den Druck des Kältekreislaufes im Drosselventil h entspannt werden und dort als Kältemittel oder zumindest als Teil des Kältemittels dienen.
  • Das stickstoffreiche Sumpfprodukt der T3 kann auch über Leitung 12 der Wasserstoffverflüssigungsanlage und der Heliumverflüssigungsanlage zugeführt, entspannt und dort als Kältemittel eingesetzt werden.
  • Das wasserstoffreiche Kopfprodukt der T3 wird über Leitung 11 zum Wärmetauscher E1 geführt, dort angewärmt und steht als Wasserstoffprodukt (B6) der weiteren Verwendung zur Verfügung. Das Wasserstoffprodukt kann entweder verdichtet und in eine Pipeline eingespeist werden oder, evtl. nach Verdichtung, einer Standard-Wasserstoffverflüssigungsanlage zugeführt werden.
  • Falls im wasserstoffreichen Kopfprodukt der T3 Edelgase wie z.B. Helium enthalten sind, kann das Kopfprodukt der T3 nach weiterer Abkühlung über Leitung 13, evtl. über ein Entspannungsventil d einer weiteren Trennkolonne T5 (Wasserstoff-Abtrennkolonne), alternativ einem oder mehreren Abscheidern zugeführt werden, um Helium und evtl. vorliegende andere Edelgase von Wasserstoff zu trennen. Anschließend kann das Kopfprodukt der T5 einer Edelgas-Verflüssigungsanlage (B8), bevorzugt einer HeliumVerflüssigungsanlage zugeführt werden, und das Sumpfprodukt der T5 zu flüssigem Wasserstoff weiterverarbeitet (B7) werden. Anschließend werden die flüssigen Produkte in vakuuminsolierten Spezialtanks gelagert.
  • Die Kälteversorgung des Prozesses erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kältemittel oder Kältemittelgemisch und durch das Anwärmen der Produkte in E1. Die Figur stellt beispielhaft einen Stickstoff-Expanderkreislauf dar, alternativ kann auch ein Stickstoff-Methan-Expanderkreislauf oder ein Gemischkreislauf optimal sein. Es können auch mehrere gleiche oder unterschiedliche Kältekreisläufe eingesetzt werden.
  • Am warmen Ende von E1 wird der Niederdruck-Kältemittelstrom in Leitung 21 einer ein- oder mehrstufigen Kreislaufverdichtung zugeführt, anschließend wird der Enddruck des Expanderkreislaufs über die an den oder die Expander gekoppelten Verdichter eingestellt. Der gegen Luft oder Wasser gekühlte Hochdruck-Kreislaufstrom wird dann über Leitung 22 in E1 vorgekühlt. Bei einer bestimmten, von der Prozessoptimierung vorgegebenen Temperatur wird ein Teilstrom (Leitung 23) abgezogen und im Expander X1 entspannt, um Kälte im E1 zur Verfügung zu stellen 24. Der Hochdruck-Hauptstrom wird in E1 weiter abgekühlt 25 und schließlich in X2 entspannt 26, in E1 angewärmt, mit dem Strom nach X1 vermischt, weiter angewärmt in E1 und der Kreislaufverdichtung zugeführt 21. Die Zudosierung der Kältemittelkomponente Stickstoff kann vorzugsweise im kalten Teil des Kreislaufs geschehen 27, aber auch nach Anwärmen des HD-Stickstoffs (B5).
  • Anstatt eines reinen Stickstoff-Expanderkreislaufes kann auch ein Stickstoff-Methan-Expanderkreislauf eingesetzt werden, wobei der Methananteil des Kältemittels bevorzugt aus dem Methanprodukt (B4) oder dem Sumpfprodukt der T2 bezogen wird. Bei diesem Kreislauf kann evtl. der zweite Expander-Verdichter X2-C2 entfallen und durch ein Drosselventil g ersetzt werden.
  • Die Wärmetauscher, die die Kopfkälte für die verschiedenen Rektifikationskolonnen (T1, T2, T3, T4) bereitstellen, können entweder als Plattentauscher, gewickelte Wärmetauscher oder TEMA-Tauscher ausgebildet und in oder oberhalb der jeweiligen Rektifizierkolonne angeordnet sein, wobei eine Anordnung oberhalb der Rektifizierkolonnen eine Rücklaufpumpe obsolet macht. Durch Variation der Kolonnenhöhe und des Kälteangebots kann die Verunreinigung der jeweiligen Kopfprodukte in engen Grenzen gehalten werden, z.B. kann der Methan-Gehalt in der über Leitung 9 abgezogenen Fraktion nahezu beliebig, nämlich zwischen ca. 1 ppm bis einige [Vol-%, bevorzugt weniger als 2 % Vol, besonders bevorzugt weniger als 1 % Vol eingestellt werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wertstoffen aus einem wasserstoffreichen Einsatzgas, insbesondere einem wasserstoffreichen Erdgas, ist in vorteilhafter Weise bei Wasserstoff-Gehalten ab 50 Vol- % einsetzbar. Solange das Wasserstoffprodukt und das Methanprodukt nicht verflüssigt wird, wirken sich auch vergleichsweise hohe Stickstoff- und Methan-Gehalte in der Einsatzfraktion nur untergeordnet auf den Gesamtenergiebedarf des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, da ein Teil der Kälte durch das Anwärmen der Produkte Wasserstoff, Stickstoff und Methan in E1 zurückgewonnen wird.

Claims (14)

  1. Kryogenes Verfahren zur Wertstoffgewinnung, insbesondere von Wasserstoff, aus einem wasserstoffreichen Einsatzgas, insbesondere einem wasserstoffreichen Erdgas, umfassend die folgenden Schritte: a) in einer ersten Abtrennkolonne (T1) werden Kohlenwasserstoffe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen abgetrennt, b) in einer zweiten Abtrennkolonne (T2) wird Methan abgetrennt, und c) in einer dritten Abtrennkolonne (T3) wird Stickstoff abgetrennt, wobei das wasserstoffreiche Einsatzgas nach optionaler Vorreinigung R den Abtrennkolonnen T1 bis T3 gemäß den Schritten a) bis c) zugeführt wird und in den Abtrennkolonnen in eine Flüssigfraktion, das Sumpfprodukt, und eine Gasfraktion, das Kopfprodukt, aufgetrennt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung und zumindest teilweise Verflüssigung des wasserstoffreichen Einsatzgases in den Abtrennkolonnen gegen ein Kältemittel oder Kältemittelgemisch in wenigstens einem Wärmetauscher (E1) erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzgas einen Wasserstoff-Gehalt zwischen 50 und 99,9 Vol-%, einen Methan-Gehalt zwischen 0,02 und 40 Vol-% und einen Stickstoff-Gehalt zwischen 0,02 und 30 Vol-% aufweist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das methanreiche Sumpfprodukt der Abtrennkolonne T2 entweder als Methanprodukt (B4) gewonnen wird oder mittels des Wärmetauschers (E1) weiter abgekühlt wird und als LNG gewonnen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das stickstoffreiche Sumpfprodukt aus der Abtrennkolonne T3 entspannt und in den Kältekreislauf als Kältemittel, oder als eine Komponente des Kältemittels, eingespeist wird.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilstrom des wasserstoffreichen Einsatzgases, nach optionaler Vorreinigung R (B1), in den unteren Teil der Abtrennkolonne T1 eingespeist wird und/oder ein Teilstrom des Kopfproduktes der Abtrennkolonne T1 in den unteren Teil der Abtrennkolonne T2 eingespeist wird und/oder ein Teilstrom des Kopfproduktes der Abtrennkolonne T2 in den unteren Teil der Abtrennkolonne T3 eingespeist wird
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im wasserstoffreichen Kopfprodukt der Abtrennkolonne T3 möglicherweise enthaltende Helium nach einer weiteren Abkühlung in einer Wasserstoff-Abtrennkolonne (T5) rektifikatorisch oder über eine mindestens einstufige Entspannung in die beiden Komponenten Helium und Wasserstoff aufgeteilt, getrennt in kryogenen Standardverflüssigungsanlagen von restlichen Verunreinigungen befreit, anschließend zumindest das Helium-Produkt verflüssigt und dann Helium und Wasserstoff getrennt gelagert werden.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wasserstoffreiche Kopfprodukt aus der Abtrennkolonne T3 in E1 angewärmt (B6) und in einer Standard-Wasserstoff-Verflüssigungsanlage von restlichen Verunreinigungen befreit, anschließend verflüssigt und gelagert wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfprodukt Wasserstoff der Abtrennkolonne T3, entweder a) optional angewärmt und verdichtet, in eine Pipeline eingespeist wird, inklusive möglicherweise vorhandener Edelgas-Komponenten oder b) in einer speziellen Einheit adsorptiv gereinigt, anschließend verflüssigt und gelagert wird; insbesondere kann hierzu der aus dem Sumpfprodukt erhaltene Strom der Abtrennkolonne T3 entspannt und als erste Kältemittelstufe für diese Verflüssigung des Wasserstoffs dienen.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das im stickstoffreichen Sumpfprodukt der Abtrennkolonne T3 angereicherte Kohlenmonoxid, bevorzugt am warmen Ende des Prozesses, in einer weiteren Prozesseinheit entfernt oder zu Kohlendioxid umgewandelt wird.
  11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das methanreiche Sumpfprodukt der Abtrennkolonne T2, das wasserstoffreiche Kopfprodukt und stickstoffreiche Sumpfprodukt der Abtrennkolonne T3 und das ethanreiche Kopfprodukt der Abtrennkolonne T4 entsprechend dem Kälteangebot in E1 als LPG-Produkt (B2) bzw. Ethanprodukt (B3) bzw. Methanprodukt (B4) bzw. Stickstoffprodukt (B5) bzw. Wasserstoffprodukt (B6) als Wertstoffe in ihrer Reinheit eingestellt werden können.
  12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoren der Abtrennkolonnen T1 bis T4 und die Aufkocher der Abtrennkolonnen T1 bis T3 mit E1 verbunden oder in E1 integriert sind.
  13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinheit E1 als mindestens ein Mehrstrom-Plattentauscher und/oder mindestens ein gewickelter Tauscher ausgeführt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteversorgung der Trennprozesse der Abtrennkolonnen T1 bis T4 a) über einen Stickstoff-Expanderkreislauf mit zumindest einem Expander-Verdichter (Xi-Ci) geschieht, wobei die Verdichter Ci als abschließende Stufen der Kreislaufverdichtung dienen oder b) über einen Expander-Kältekreislauf mit Stickstoff und Methan als Komponenten geschieht analog a), wobei der Expander-Verdichter X2-C2 auch durch ein Joules-Thompson-Entspannungsventil ersetzt werden kann oder c) über einen Gemischkreislauf, der aus mindestens zwei Komponenten ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stickstoff, Methan, Ethan, Propan, i-Butan, n-Butan, i-Pentan, n-Pentan, Hexan und Heptan oder d) über eine Hintereinanderschaltung ausgewählter Kältekreisläufe a) bis c) entsprechend der Prozessoptimierung auf minimale Exergieverluste.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2040372C3 (de) 1970-08-13 1976-12-16 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen eines heliumreichen Helium-Wasserstoff-Gemisches
DE2947239A1 (de) 1979-11-23 1981-06-04 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Verfahren zum reinigen von wasserstoff bei hohem druck
DE69613299T2 (de) 1995-10-03 2002-05-02 Air Prod & Chem Stripping von leichten Komponenten in Rippenplatten-Wärmetauschern

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR738074A (fr) * 1931-06-13 1932-12-20 Air Liquide Procédé de séparation des mélanges gazeux
BE581236A (de) * 1958-08-01
GB966725A (en) * 1963-05-15 1964-08-12 Leuna Werke Veb Improvement in separating residual gases of an ammonia synthesis process
US3531943A (en) * 1965-10-23 1970-10-06 Aerojet General Co Cryogenic process for separation of a natural gas with a high nitrogen content
US4270939A (en) * 1979-08-06 1981-06-02 Air Products And Chemicals, Inc. Separation of hydrogen containing gas mixtures
JPS63118586A (ja) * 1986-11-07 1988-05-23 日本酸素株式会社 アンモニア合成パ−ジガスからのアルゴンの回収方法
US4830844A (en) * 1987-10-06 1989-05-16 Phillips Petroleum Company Oxidation of carbon monoxide and catalyst composition therefor
US7285258B2 (en) * 2001-11-29 2007-10-23 Pressure Chemical Company Conversion of CO to CO2
FR2953004B1 (fr) * 2009-11-24 2013-12-20 Air Liquide Procede de separation cryogenique d'un melange d'azote et de monoxyde de carbone

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2040372C3 (de) 1970-08-13 1976-12-16 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen eines heliumreichen Helium-Wasserstoff-Gemisches
DE2947239A1 (de) 1979-11-23 1981-06-04 Linde Ag, 6200 Wiesbaden Verfahren zum reinigen von wasserstoff bei hohem druck
DE69613299T2 (de) 1995-10-03 2002-05-02 Air Prod & Chem Stripping von leichten Komponenten in Rippenplatten-Wärmetauschern

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PRINZHOFER, Alain ; TAHARA CISSÉ, Cheick Sidy ; DIALLO, Aliou Boubacar: Discovery of a large accumulation of natural hydrogen in Bourakebougou (Mali). In: International Journal of Hydrogen Energy, Bd. 43, 2018, H. 42, S. 19315-19326. - ISSN (E) 1879-3487; (P) 0360-3199. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.08.193. URL: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319918327861/pdfft?md5=e8744664ca2a3c44e98fc467c99e728c&pid=1-s2.0-S0360319918327861-main.pdf [abgerufen am 2021-01-07].

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