DE2047359C3 - Verfahren und Vorrichtung zur Abtrennung von gasförmigen Verunreinigungen aus einem Gasgemisch - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Abtrennung von gasförmigen Verunreinigungen aus einem Gasgemisch, vorzugsweise von Wasserdampf und Kohlendioxid als Verunreinigungen enthaltender Luft, durch Permeation, wobei das Gasgemisch an den einen Seiten von dünnen, porenfreien, nur bezüglich der verunreinigenden Komponenten durchlässigen Membranen entlanggeführt wird und die verunreinigenden Komponenten an der anderen Seite der Membranen mit Hilfe eines verflüssigbaren Abstreifgases abgezogen werden.

Die bekannten Verfahren zur Abtrennung von gasförmigen Verunreinigungen aus einem Gasgemisch bei der Ticflemperatur-Gaszcrlcgung bestehen darin, die Verunreinigungen beispielsweise in Regeneratoren auszufricrcn oder an anderen Stoffen zu adsorbieren. Beim Ausfrieren, beispielsweise von Kohlendioxid aus Luft, entstehen jedoch feste Partikelchen, welche von der die Regeneratoren durchströmenden Luft mindestens teilweise mitgerissen werden. Außerdem erfordern Regeneratoren: und Adsorber einen diskontinuierliehen Betrieb, da sie regeneriert werden müssen. Dies bedingt einen großen apparativen Aufwand, welcher entsprechend hohe Kosten verursacht, was nachteilig ist.
Bei der adsorptiven Reinigung schließlich muß das

ίο Adsorben öfters erneuert werden. Außerdem ist sein Aufnahmevermögen verhältnismäßig klein, so daß große Massen in den Anlagen investiert werden müssen. Die Einhaltung dieser beiden Bedingungen verursacht laufend hohe Kosten.

Es ist andererseits bekannt, Gase durch Diffusion durch dünne Membranen zu reinigen. So ist in der US-PS 32 41293 ein Verfahren zur Reinigung von Wasserstoff oder Sauerstoff beschrieben, bei dem das Gas, beispielsweise Wasserstoff, zur Diffusion durch eine dünne Palladiummembran veranlaßt und auf der anderen Seite der Membran als reines Gas abgezogen wird. Derartige Diffusionsverfahren funktionieren jedoch nur dann mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, wenn vor und hinter der Membran eine ausreichende Partialdruckdifferenz an den diffundierenden Komponenten herrscht. Die Partialdruckdifferenz kann beispielsweise durch eine starke Erhöhung des Druckes auf der Seite des unreinen Gases erzielt werden, hat jedoch den Nachteil, daß der Druck wegen der Empfindlichkeit der Membranen nicht beliebig gesteigert werden kann.

Um dem abzuhelfen, wird bei dem bekannten Verfahren an der Membran auf der Seite des Reingases ein Abstreifgas vorbeigeführt, welches das Reingas mitnimmt und auf diese Weise für einen sehr niedrigen Partialdruck dieses Gases auf der Reingasseite sorgt. Bei dem bekannten Verfahren wird jedoch darauf geachtet, daß als Abstreifgas ein leicht kondensierbares, wie z. B. Wasserdampf, verwendet wird, damit es sich von der rein zu gewinnenden Komponente wieder leicht abtrennen läßt.

Bei einem anderen bekannten Verfahren dieser Art (GB-PS 9 75 819) wird als Abstreifgas ein Teil des Reingases verwendet, nachdem sein Druck erheblich reduziert wurde.

Diese bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, einerseits eines Fremdgases (Wasserdampf) zu bedürfen, um das Abstreifen zu vollziehen, oder andererseits für diesen Zweck einen Teil des Reingases zu verwenden, was einen Ausbeuteverlust bedeutet.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Abtrennung von gasförmigen Verunreinigungen aus einem Gasgemisch zu schaffen, welches von diesen Nachteilen frei ist und welches sich insbesondere vorteilhaft in einen Prozeß zur Tieftemperaturzerlegung eines Gasgemisches eingliedern läßt.

Diese Aufgabe v/ird dadurch gelöst, daß als Abstreifgas eines oder mehrere bei der Tieftemperaturzerlegung des Gasgemisches gewonnene Zerlegungsprodukte verwendet werden.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren diffundieren die Verunreinigungen aus dem Gasgemisch durch die dünnen Membranen hindurch in die Zerlegungsprodukte, da der Partialdruck der diffundierenden Verunreinigungen auf den einen Seiten, den Seiten des Gasgemisches, der dünnen Membranen höher ist als auf den anderen Seiten, den Seiten der Zerlegungsproduk-

te. Der Gesamtvorgang, Permeation genannt, besteht aus drei Teilvorgängen:

Absorption des permeierenden Gases in der einen Oberfläche einer dünnen Membran, Diffusion von der einen Oberfläche der dünnen Membran zur anderen und Desorption an der anderen Oberfläche der dünnen Membran. Der Stofftransport durch die Membranen erfolgt molekular, weshalb keine Poren in den Membranen erforderlich sind. Für die Hauptkomponenten des Gasgemisches, welche nach dessen Zerlegung als Zerlegungsprodukte aus der Gaszerlegungsanlage geführt werden, sind die Membranen undurchlässig. Beispielsweise sind bei der Zerlegung von Luft die Hauptkomponenten Stickstoff und Sauerstoff.

Die Menge des permeierenden Gases ist proportional zur Oberfläche einer dünnen Membran und zu seinem Partialdruckunterschied auf beiden Seiten der dünnen Membran; sie ist umgekehrt proportional zur Dicke der Membran. Der Proportionalitätsfaktor, Permeationskoeffizient genannt, ist das Produkt aus Löslichkeitskoeffizient und Diffusionskoeffizient.

Das Material der dünnen Membranen ist so auszuwählen, daß nur bestimmte Verunreinigungen durch diese hindurchwandern. Geeignet sind dünne, porenfreie Kunststoff-Folien.

Soll ein Wärmetausch zwischen dem Gasgemisch und den Zerlegungsprodukten durch die Membranen hindurch stattfinden, so ist es zweckmäßig, wenn das Gasgemisch und die Zerlegungsprodukte im G<-genstrom an den Membranen entlanggeführt werden. Soll dagegen der Wärmetausch unterdrückt werden, so werden in vorteilhafter Weise das Gasgemisch und die Zerlegungsprodukte im Kreuzstrom an den Membranen entlanggeführt. Ein solches Verfahren erlaubt zusätzlich noch eine sehr einfache Gestaltung der Strömungskanäle, durch welche das Gasgemisch und die Zerlegungsproaukte geführt werden. Die Strömungskanäle können nach Querschnitt und Länge leicht den verschiedenen Druckabfallsbedingungen in dem Gasgemisch und in den Zerlegungsprodukten angepaßt werden.

Der Permeationskoeffizient ist temperaturabhängig. Zweckmäßigerweise werden die dünnen Membranen auf solchen Temperaturen gehalten, bei welchen die Selektivität zwischen den Verunreinigungen und den übrigen Komponenten des Gasgemisches so groß ist, daß möglichst große Mengen an Verunreinigungen von den einen zu den anderen Seiten der Membranen und möglichst geringe Mengen der übrigen Komponenten des Gasgemisches in umgekehrter Richtung durch die Membranen diffundieren. Es wird jedoch nur in seltenen Fällen möglich sein, alle Verunreinigungskomponenten mit einer einzigen Sorte von Membranen und dazu noch in einem bequem zugänglichen Temperaturbereich — etwa bei Zimmertemperatur — in einem einzigen Schritt gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren aus dem Gasgemisch zu entfernen.

Die Anpassung an den günstigsten Temperaturbereich wird in besonders vorteilhafter und einfacher Weise dann erreicht, wenn das Gasgemisch in einem ersten Schritt in Wärmetausch mit einem oder mehreren Zerlegungsprodukten gebracht und in einem zweiten Schritt mit den einen Seiten der dünnen Membranen in Kontakt gebracht wird und wenn diese beiden Schritte mehrfach — gegebenenfalls der Anzahl der aus dem Gasgemisch abzutrennenden Verunreinigungskomponenten entsprechend — wiederholt wer-Bei der Abtrennung von Wasserdampf und Kohlendioxid aus Luft mit den Zerlegungsprodukten Stickstoff und Sauerstoff ist es vorteilhaft, wenn in einer Permeationskammer bezüglich des Wasserdampfes und in einer anderen Permeationskammer bezüglich des Wasserdampfes und in einer anderen Permeationskammer bezüglich des Kohlendioxids durchlässige Membranen verwendet werden. Jede der Permeationskammer kann dann jeweils mit bezüglich einer der gasförmigen Verunreinigungen spezifisch durchlässigen Membranen versehen werden. Zur Abtrennung von Wasserdampf sind dünne Membranen aus Cellulosehydrat besonders gut geeignet. Diese besitzen eine große Permeabilität und wirken auf Wasserdampf außerordentlich selektiv.

J5 Unter der Voraussetzung, daß das Zerlegungsprodukt Stickstoff nicht das Hauptprodukt bei der Luftzerlegung ist, wird die Abtrennung von Kohlendioxid dadurch begünstigt, daß nur die Luft und das Zerlegungsprodukt Stickstoff durch die auf einer tiefen Tempera- tür gehaltene Permeationskammer geführt und dünne Membranen aus Silikonkautschuk verwendet werden. Bei tiefen Temperaturen ist die Selektivität derartiger dünner Membranen für Kohlendioxid so groß, daß der Sauerstoffverlust der Luft gering bleibt. Außerdem läuft bei dieser Verfahrensweise das Q-T-Diagramm im Bereich der Permeationskammer auf die Temperaturdifferenz O⁰C zu, wodurch der Wärmeumsatz in der Permeationskammer begrenzt bleibt. Zusätzlich bleibt bei dieser Verfahrensweise noch das Zerlegungsprodukt Sauerstoff sauber.

Eine Permeationskammer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorteilhafterweise mittels der durch Stützelemente ein- oder beidseitig abgestützten dünnen Membranen in mehrere Strömungskanäle unterteilt. Bei dieser Anordnung werden die dünnen Membranen auf die Stützelemente gedrückt. Die Stützelemente verhindern ein Reißen der dünnen Membranen unter dem auf sie einwirkenden Druck. Vorteilhafterweise bestehen sie aus Drahtgeweben. Ein eventuelles Flattern der Membranen wird dadurch vermieden, daß die Stützelemente auf beiden Seiten der Membranen angeordnet sind.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden an Hand der in den F i g 1 und 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Trennung von Wasserdampf und Kohlendioxid aus Luft mit den Zerlegungsproduk ten Stickstoff und Sauerstoff,

F i g. 2 eine Permeationskammer in einer Teilansicht perspektivisch.

In der F i g. 1 sind zwei Wärmetauscher 1 und 2 dargestellt. Diese werden über eine Leitung 10 von dem Zerlegungsprodukt Stickstoff und über eine Leitung 11 von dem Zerlegungsprodukt Sauerstoff durchströmt. Über eine Leitung 5 wird dem Wärmetauscher 1 die zu zerlegende Luft zugeführt. Der Ausgang des Wärmeaustauschers 1 ist über eine Leitung 6 mit einer Permeationskammer 3 verbunden. Über diese Leitung (> wird die Luft der Permeationskammer 3 zugeführt und u'oer eine Leitung 7 von der Permeationskammer 3 zu dem Wärmetauscher 2 abgeführt. Der Ausgang des Wärmetauschers 2 ist über eine Leitung 8 mit einer weiteren Permeationskammer 4 verbunden. Aus der

⁶^ Permeationskammer 4 wird die von Wasserdampf und Kohlendioxid gereinigte Luft über eine Leitung 9 und weitere Wärmetauscher der Rektifiziersäule einer Luftzerlegungsanlage zugeführt.

In der Permeationskammer 3, welche von den Zerlegungsprodukten Stickstoff und Sauerstoff durchströmt wird, wird Wasserdampf abgetrennt, und in der Permeationskammer 4, welche allein von dem Zcrlegungsprodukl Stickstoff durchströmt wird, wird das Kohlendioxid bei tiefer Temperatur abgetrennt. Durch beide Permeationskammern 3 und 4 sind die Luft und die Zerlegungsprodukte im Kreuzstrom geführt, wodurch der Wärmetausch zwischen der Luft und den Zerlegungsprodukten begrenzt wird.

In der F i g. 2 sind dünne, porenfreie Membranen 14 dargestellt, welche parallel zueinander angeordnet sind, wobei sich zwischen ihnen abwechselnd die Strömungskanäle 12 mit hohem Druck und die Strömungskanäle 13 mit niedrigerem Druck befinden. Die Membranen 14 sind beidseitig sowohl an den Strömungskanälen 12 mit hohem Druck als auch an den Strömungskanälen 13 mit niedrigerem Druck mittels flacher Drahtgewebe 15 abgestützt. Im Falle der Luftzerlegung werden die Strömungskanäle 13 von den Zerlegungsprodukten Stickstoff und/oder Sauerstoff durchströmt, während die Strömungskanäle 12 von der unter überatmosphärischem Druck stehenden Luft durchströmt werden. Die Strömungskanäle 12 und 13 sind bei diesem speziellen Ausführungsbeispiel seitlich so abgeschlossen, daß die Permeationskammer von<der Luft und den Zerlegüngsprodukten im Kreuzstrom durchströmt wird. Die Strömungskanäle 12 sindebenso wie die Strömungskanäle 13 mit — nicht dargestellten — Sammelstücken verbunden. Mittels dieser Sammelstücke sind die Strömungskanäle 12 zu je einer Leitung für die Ίμ- und Abfuhr der Luft und die Strömungskanäle 13 zu jeweils einer Leitung für- die Zu- und Abfuhr von Stickstoff und/oder Sauerstoff zusammengefaßt.

Ein spezielles Ausführungsbeispiel einer Permeationskammer für die Abtrennung von Wasserdampf besitzt eine Länge von 1116 mm, eine Breite von 351 mm und eine Tiefe von 215 mm. Die Zahl der Drahlgewebelagen und damit die Zahl der Strömungskanäle beträgt 538. Das ergibt einen Druckabfall im Stickstoff von 0,085 ata und einen Druckabfall in der Luft von 0,558 ata. Die Druckabfälle können durch Vergrößerung der Anzahl der parallel zueinander angeordneter Strömungskanäle verkleinert werden. So beträgt beispielsweise bei einer speziellen Permeationskammei mit 3140 Drahtgewebelagen zur Abtrennung von Koh lendioxid der Druckabfall im Stickstoff 5,15 · ΙΟ-"* ati und der Druckabfall in der Luft 0,013 ata.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Abtrennung von gasförmigen Verunreinigungen aus einem Gasgemisch, vorzugsweise von Wasserdampf und Kohlendioxid als Verunreinigungen enthaltender Luft, durch Permeation, wobei das Gasgemisch an den einen Seiten von dünnen, porenfreien, nur bezüglich der verunreinigenden Komponenten durchlässigen Membranen entlanggeführt wird und die verunreinigenden Komponenten an der anderen Seite der Membranen mit Hilfe eines verflüssigbaren Abstreifgases abgezogen werden, dadurch gekennzeichnet, daß als Abstreifgas eines oder mehrere bei der Tieftemperaturzerlegung des Gasgemisches gewonnene Zerlegungsprodukte verwendet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Gasgemisch in einem ersten Schritt in Wärmetausch mit den Zerlegungsprodukten gebracht und in einem zweiten Schritt durch Permeation getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, daß diese beiden Schritte entsprechend der Anzahl der aus dem Gasgemisch abzutrennenden Komponenten wiederholt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2 zur Abtrennung von Wasserdampf und Kohlendioxid aus Luft mit den Zerlegungsprodukten Stickstoff und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Permeationskammer bezüglich des Wasserdampfes und in einer anderen Permationskammer oezüglich des Kohlendioxides durchlässige Membranen verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 3 zur Abtrennung von Kohlendioxid unter Verwendung von Membranen aus Silikonkautschuk, dadurch gekennzeichnet, daß nur die Luft und das Zerlegungspiodukt Stickstoff durch die auf einer tiefen Temperatur gehaltene Permeationskammer geführt werden.

5. Permeationskammer zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, welche mittels dünner, porenfreier Membranen in mehrere Strömungskanäle unterteilt ist, wobei die Membranen durch aus Drahtgewebe bestehende Siützelemente abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Membranen (14) beidseitig durch Drahtgewebe (15) abgestützt sind.