DE2116326A1

DE2116326A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen

Info

Publication number: DE2116326A1
Application number: DE19712116326
Authority: DE
Inventors: Rodney John Guildford Surrey Bligh Bernard Ramsay Hampton Hill Middlesex Allam, (Großbritannien)
Original assignee: Air Products Ltd , New Maiden, Surrey (Großbritannien)
Priority date: 1970-03-26
Filing date: 1971-03-24
Publication date: 1972-09-07
Also published as: BE764878A; FR2083590B1; US3813889A; NL7103862A; GB1351598A; FR2083590A1

Description

DR. KURT-RUDOLF EIKENBERG

PATENTANWALT

3 HANNOVER · SCHACKSTRASSE 1 · TELEFON (0611) 81 40 SS · KABEL PATENTION HANNOVER

AIR PRODUCTS LIMITED 240/502

Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung von Gasgemischen, insbesondere solchen, die aus Wasserstoff und/oder Helium einerseits und Stickstoff und/oder
Kohlenmonoxid andererseits bestehen. Zugleich gibt die Erfindung eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens an.

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Es ist bekannt, Gasgemische aus Wasserstoff mit einem Gehalt an Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid durch Vaschen mit flüssigem Me thai zu trennen. Dabei wird eine mit Flüssigkeit/Dampf-Kontakteinrichtungen, beispielsweise mit Siebboden versehene Waschkolonne verwendet, in deren unteren Teil das Gasgemisch und in deren oberen Teil das flüssige Methan eingetragen wird. Das Methan kommt in der " Waschkolonne zum innigen Kontakt mit dem Gasgemisch und absorbiert den größten Teil des Stickstoffs und/oder Kohlenmonoxids, so daß am Kopf der Kolonne ein aus ziemlich reinem Wasserstoff bestehendes Produkt abgezogen werden kann. Am Sumpf der Kolonne wird die verbrauchte Waschflüssigkeit abgeführt, die aus Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid sowie Methan besteht.

Falls das eingetragene Gasgemisch weniger als 90 Molprozent Wasserstoff enthält, wird bei dem Übergang des Stickstoffs und/oder Kohlenmonoxids von der Gasphase zur flüssigen Phase eine beträchtliche Wärmemenge abgegeben. Diese Wärme, die auch als Absorptionswärme bezeichnet wird, muß von dem Waschmittel aufgenommen werden. Dies erfordert im Ergebnis eine erhebliche Strömungsrate an gekühltem flüssigem Methan und damit einen hohen Leistungsverbrauch in der Anlage.

Mit der Erfindung soll nunmehr eine Anlage geschaffen werden, die es gestattet, ein im wesentlichen aus reinem Wasserstoff oder Helium bestehendes Produkt mit einem wesentlich verminderten Ieistungsverbrauch zu erzeugen. Ausgehend von den bekannten Wasch-Verfahren mit

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flüssigem Methan wird dieses Ziel erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der Waschkolonne die aus dem Gasgemisch und dem flüssigen Methan "bestehende, izweiphasige Mischung zum indirekten Kontakt mit einem Kühlmittel-Strom gebracht wird.

Durch den Vorschlag der Erfindung gelingt es, am Kopf der Wascakolonne mit verhältnismäßig geringem Energieaufwand einen im wesentlichen reinen Gasstrom aus Viasserstoff bzw. Helium abzuziehen. Dieer Gasstrom kann anschließend noch in an sich bekannter Weise durch Väschen mit flüssigem Propan von den mitgeführten geringen Methan-Resten befreit werden, wobei das Waschen mit Propan zweckmäßig bei einer Temperatur von etwa -180° C stattfindet.

Die am Sumpf der Waschkolonne abgezogene Flüssigkeit _f die aus Methan, sowie Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid besteht und auch noch eine geringe Menge an Wasserstoff gelöst enthält, wird zweckmäßig zunächst in einer oder mehreren Stufen entspannt, wobei sich ein wasserstoff-reiches Gas ergibt, das im Bedarfsfall dem in die Anlage eingetragenen Gas zugeführt werden kann. Nach der Abtrennung des Wasserstoffs wird die Flüssigkeit zweckmäßig einer fraktionierten Destillation unterworfen, die zu einem Strom von im wesentlichen reinem, flüssigen methan- und wasserstoff-freien Kohlenförmigem, im wesentlichen Methan-und wasser-freien Kohlen monoxid bzw. Stickstoff führt. Das flüssige Kethan wird auf einen erhöhten Druck gebracht und dann wieder als Waschflüssigkeit in die Waschkolonne zurückgeführt, während

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der Gasstrom vorteilhaft teils als Produkt ausgetragen, teils aber auch als Kühlmittel zum Kühlen der Waschkolonne verwendet wird und dazu durch einen Kühlzyklus geführt wird, welcher die Stufen einer Kompression, einer Kühlung, einer Expansion in einer Arbeitsmaschine, einer Kondensation und einer Verdampfung umfaßt. Eine gewisse Methan-Menge geht in den Produktströmen verloren. Dieser Methan-Verlust kann durch Methanzugabe in den eingetragenen Strom oder durch Methan von irgendeiner anderen äußeren Quelle wieder ausgeglichen werden.

) Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens

ist eine Waschkolonne vorgesehen, die Fluss igkeit/D^runpf-Kontakteinrichtungen, z.B. Siebboden enthält und die mit den üblichen Anschlüssen für den Eintrag und den Austrag der Waschflüssigkeit sowie des Produkt ausgerüstet ist. Diese Waschkolonne kennzeichnet sich ,erfindungsgemäß dadurch, daß den Flüssigkeit/Dämpf-Kontakteinrichtungen jeweils Kühlschlangen zugeordnet sind, die von dem Kühlmittel durchströmt werden und einen Wärmeaustausch, aber keinen Stoffaustausch mit dem Kühlmittel bewirken.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen näher erläutert. Dabei stellen dar:

Pig. 1 schematisch eine erfindungsgemäße Waschkolonne,

Pig. 2 die Draufsicht eines Bodens der Kolonne gemäß Pig. I,

Pig. 3 die Seitenansicht zweier Böden der Kolonne gemäß Pig. I

Pig. 4 das Pließbild einer erfindungsgemäß arbeitenden Anlage,

Fig. 5 (A und B) das Pließbild einer anderen erfindungsgemäß arbeitenden /nlage.

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In Fig. 1-3 ist eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Waschlcolonne dargestellt. Diese Kolonne ist eine Gegenstrom-Austauschkolonne, die zwei Sektionen besitzt und Einrichtungen zum Erzeugen eines Wärmeaustauschs enthält.

Die obere Sektion der Kolonne 1 ist mit einer Anzahl von Böden 2 in Form horizontaler perforierter Platten versehen, denen jeweils an der Seite ein siphonartiger Fallschacht 3, ein Einlaß-Überlauf 4 und ein Auslaß-Überlauf 5 zugeordnet ist. Weiterhin befindet sich oberhalb des perforierten Bereichs eines jeden Bodens eine Anzahl von Rohren 6, die übereinander in der Form flacher spiralgewickelter Wendel angeordnet sind. Die in die Waschkolonne eingespeiste Flüssigkeit fließt in der Kolonne abwärts, wobei sie, wie bei einer üblichen Destillationskolonne, jeden Boden von der einen Seite zur anderen Seite hin

überströmt und dann durch den Fallschacht hindurch zum nächsten Boden gelangt. Das Gas steigt in der Kolonne durch die perforierten Bereiohe der einzelnen Böden hindurch aufwärts und durchströmt dabei die auf den Böden befindliche Flüssigkeit. Die Anzahl der Rohrwendel ist bei jedem Boden so bemessen, daß die Oberflächen voll in die zweiphasige Mischung, die sich oberhalb der perforierten Bereiche der Böden ausbildet, eingetaucht ist. Der Abstand zwischen den Rohrwendeln in Vertikalrichtung bzw. zwischen der untersten Rohrwendel und dem zugeordneten Boden reicht aus, um der Flüssigkeit die Strömung quer über den Boden hinweg zu

. ermöglichen, und der horizontale Abstand zwischen den einzelnen Rohren einer jeden Rohrwendel ist so groß, daß das Gas noch gut durch die Rohrwendel hindurch nach oben

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strömen kann. Um zu verhindern, daß das Gas dabei an den Rohrwendeln vorbeiströmt, sind die Perforationen eines jeden Bodens auf den Bereich der Grundfläche der Rohrwendel beschränkt. Außerdem sind auch noch nach innen weisende Leifbleche 7 vorgesehen, die verhindern sollen, daß die über die Böden strömende Flüssigkeit an den Rohrwendeln vorbeiströmen kann. Anstelle der zeichnerisch dargestellten Formen sind auch noch andere Anordnungen der perforierten Bereiche der Böden sowie der siphonartigen Fallschächte möglich,· wobei je nach der Form der perforierten Bereiche flache Rohrwendel mit anderem als ovalem Grundriß vorgesehen sein können.

Die Eingangs- und Ausgangsanschlüsse einer jeden Rohrwendel sind durch die Kolonnenwand hindurchgeführt und dort mit einem vertikalen .Eingangs-Sammier 0 bav/. einem vertikalen Ausgangs-Sammler 9 verbunden. Durch den Eingangs-Sammler 8 hindurch fließt flüssiges Kühlmittel, das aus einem Vorratsbehälter 10 stammt. In dem Ausgangs-Sainmler fließt Kühlmittel-Dampf zusammen mit restlichem flüssigen Kühlmittel wieder zum Vorratsbehälter 10 zurück, wobei der Vorratsbehälter als Phasentrenner für die in dem Sammler zurückgeführte flüssig-gasförmige Mischung dient. Zwischen dem Eingangs-Sammler 8 und den Rohrwendeln 6 befinden sich Ventile 11, die jeweils den Rohrwendeln einer Gruppe von Böden zugeordnet sind und einen unabhängigen Zulauf von Kühlmitteln zu den Rohrwendeln dieser Gruppe regeln. Die Ventile 11 ermöglichen damit durch entsprechende Einstellung der Strömungsrate zu der jeweiligen Gruppe von Böden, daß längs der Kolonne das korrekte Temperaturprofil und damit der optimale Massenübergang zwischen dem Gas und

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der Flüssigkeit aufrechterhalten werden kann.

Der untere Teil der Waschkolonne 1 enthält eine Anzahl von gleichstromigen Gas-Flüssigkeit-Kontakteinrichtungen 12, in denen jeweils ein Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel-Strom vorgesehen ist. In dem zeichnerisch dargestellten Beispiel sind die Kontakteinrichtungen 12 nach dem bekannten Prinzip der Aluminium-Rippenplatten-Matrix konstruiert. Das flüssige Kühlmittel tritt vom Sammler 8 aus über Ventile 13 in die Kontakteinrichtungen ein, wobei die Ventile 13, analog den Ventilen 11, zur Justierung der Strömungsrate des Kühlmittel-Stromes und damit zum Aufrechterhalten des korrekten Temperaturprcfils

längs der Kolonne dienen. Der sich in den Kontakteinrichin: * tungen 12 bildende Kühlmittel-Dampf wird zusammen'restlichem flüssigem Kühlmittel über die Leitungen 14 aus den Kontakteinrichtungen 12 wieder abgeführt. Die Leitungen 14 münden gemeinsam in den Ausgangs-Sammler 9· Weiterhin wird jede Kontakteinrichtung auch noch von dem Flüssigkeitsstrom und dem Gasstrom in der Kolonne durchströmt, wobei in jede Kontakteinrichtung jeweils die Flüssigkeit aus der nächst höheren Kolonnenstufe über eine Leitung 15 und die Gasphase aus der nächst niedrigeren Kolonnenstufe über eine Leitung 16 zugeführt werden. In die unterste Kontakteinrichtung wird anstelle der Gasphase aus einer Kolonnenstufe über eine Leitung 17 der Kolonnen-Eintrag, d.h. das zu reinigende Produkt eingespeist.

Die in die Kontakteinrichtungen eingeleiteten flüssigen oder gasförmigen Ströme aus der Kolonne bzw. der über die Leitung 17 zugeführte Kolonnen-Eintrag werden

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innerhalb einer jeden Kontakteinrichtung gleichmäßig miteinander vermischt und strömen dann gemeinsam aufwärts, und zwar durch Passagen hindurch, die den Passagen für das Kühlmittel benachbart liegen. Die Länge dieser Passagen und die Strömungsgeschwindigkeiten sind dabei so bemessen, daß die flüssig-gasförmige Mischung im Augenblick ihres Austritts aus der betreffenden Kontakteinrichtung im k wesentlichen das Gleichgewicht erreicht hat, und daß das notwendige Ausmaß an Wärmeübergang stattgefunden hat. Nach dem Austritt aus der Kontakteinrichtung gelangt die flüssig-gasförmige Mischung über jeweils eine Leitung 18 in einen Phasentrenner 19· Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die Phasentrenner mit einem gemeinsamen Gehäuse nach Art einer Kolonne untereinander liegen und daß der Mantel dieser Kolonne eine Fortsetzung des Mantels der oberen Sektion der Waschkolonne ist. Die Kontakteinrichtungen 12 befinden sich außerhalb des Kolonnenmantels.

Die Verwendung gesonderter Kontakteinrichtungen 12 . mit Wärmeaustauschmöglichkeit ist notwendig, wenn das * Ausmaß des pro Gleichgewichtsstufe in der Kolonne erforderlichen Wärmeübergangs denjenigen Wärmeübergang übersteigt, der auf einem oder zwei der Rohrwendel-Siebböden bewirkt werden kann. Die relative Position, d.h. die Aufeinanderfolge der Kontakteinrichtungen, der Phasentrenner und der Siebboden längs der Kolonne hängt dabei etwas von der Charakteristik der zu reinigenden bzw. zu trennenden Gasmischung ab, kann also auch anders als in Fig. 1 dargestellt sein.

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Der Kolonne wird flüssiges Methan als Reinigungsmittel am Kopf in die Leitung 20 zugeführt. Das gereinigte Gasprodukt verläßt die Kolonne ebenfalls am Kopf über die Leitung 21, während flüssiges Sumpf-Produkt über die Leitung 22 aus der Kolonne abgezogen wird. Wie schon erwähnt, erfolgt der Produkt-Eintrag in die Kolonne über die Leitung 17 zur untersten Kontakteinrichtung 12.

Nachfolgend werden an Hand von Fig. 4 bzw. von Fig. 5Δ und 5B zwei vollständige Anlagen beschrieben, in denen eine Waschkolonne gemäß Fig. 1-3 verwendet ist. In den Darstellungen der Fig. 4 bzw. 5A und 5B ist dabei die Waschkolonne nur noch schematisch wiedergegeben.

In der Anlage gemäß Fig. 4 wird die zu reinigende Gasmischung, von der bereits Kohlensäure und Wasser entfernt worden sind, über eine Leitung 24-in einen Vielkanal-Rippenplatten-Wärmeaustauscher 23 eingeleitet. Die Gasmischung hat die in der beigefügten Tabelle 1 angegebene Zusammensetzung. Ihr Druck beträgt etwa 11,3 ata und ihre Temperatur liegt bei etwa 9⁰O. Im Wärmeaustauscher 23 wird die Gasmischung auf - 168° G heruntergekühlt, und sie läuft dann über die Eintrags-Leitung 17 zur Waschkolonne 1. Die Waschflüssigkeit, die zu 99$ aus Methan besteht, tritt über die Leitung 20 mit einer Temperatur von 180° C in die Waschkolonne ein. Diese Waschflüssigkeit absorbiert den größten Anteil des Gehalts an Stickstoff und Kohlenmonoxid in dem zu reinigenden Gas. Somit verläßt die Kolonne am Kopf über die Leitung 21 ein Gasprodukt, das im wesentlichen aus Wasserstoff besteht und dessen genaue Zusammensetzung in der Tabelle 1 angegeben ist.

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Dieses gereinigte Gasprodukt läuft über den V/ärme austauscher 23 zurück und verläßt die Anlage über die Leitung 25 mit einer Temperatur von 14»4 C und einem Druck von etwa 10,8 ata. In der Waschkolonne wird dabei der Waschflüssigkeit die Absorptionswärme durch einen Strom von siedendem Kohlenmonoxid entzogen, der als Kühlmittel vom Vorratsbehälter 10 aus über die Sammelleitung 8 zur Kolonne strömt, die Kolonne in der an Hand von Fig. 1 - 3 beschriebenen Weise durchfließt und dann als Flussigkeits-Gas-Strom über die Sammelleitung 9 wieder zum Vorratsbehälter 10 zurückgeführt wird.

Die den Sumpf der Waschkolonne 1 über die Leitung 22 verlassende Flüssigkeit, die aus dem Reinigungs-Methan mit den darin absorbierten Verunreinigungen besteht, wird auf einen Druck von 4,92 ata entspannt und dann in einen Phasentrenner 26 eingeleitet. In diese.m Phasentrenner befindet sich eine Heizschlange 27, die von flüssigem Methan durchströmt wird und die dazu dient, einen kleinen Anteil der in den Phasentrenner eingeleiteten Flüssigkeit zu verdampfen und damit den Anteil an Wasserstoff, der in der Reinigungsflüssigkeit noch gelöst enthalten sein kann, zu vermindern. Die aus dem Phasentrenner 26 abgezogene Dampfphase wird über eine Leitung 56 abgezogen, durch den Wärmeaustauscher 23 hindurchgeleitet und dann über eine Austrags-Leitung 28 als Abgas aus der Anlage herausgeführt. Die flüssige Phase aus dem Phasentrenner 26 wird über eine Leitung 29 abgezogen, dann auf 2,95 ata entspannt und danach in einem Wärmeaustauscher 30 auf 168,6 C erhitzt, wobei eine teilweise Verdampfung der Flüssigkeit eintritt.' .Von dem Wärmeaustauscher 30 wird das flüssig-gasförmige Gemisch einer Destillationskolonne

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31 als Eintrag zugeführt. Diese Kolonne 31 trennt den Eintrag in einen Strom von praktisch reinem Kohlenmonoxid, der als Gas am Kopf der Kolonne über die Leitung 32 austritt, und in einen Strom von flüssigem Methan, der am Sumpf der Kolonne über die Leitung 33 abgezogen wird. Dieser Methan-Strom wird in einer Pumpe 34 auf einen Druck von 11,6 ata gebracht, dann durch die Heizschlange 27 im Phnsentrenner 26 hindurchgeführt, danach in dem Wärmeaustauscher 30 auf eine Temperatur von -180° C gekühlt und anschließend über die Leitung 20 in die Waschkolonne 1 eingespeist. Ein kleiner Anteil wird von dem flüssigen Methan-Strom vor dem Eintritt in den Wärmeaustauscher 30 abgezweigt, auf 4,92 ata entspannt und dann mit dem Gastrom aus der Leitung 56 vereinigt, d.h. nach einem Erwärmen auf 14,4 ° C im Wärmeaustauscher 23 als Abgas über die Leitung 28 abgegeben.

Die Kühlung der .Anlage, einschließlich der Kühlung der Waschkolonne und dem Rückfluß zur Kolonne 31, wird durch einen im Kreislauf geführten Strom von Kohlenmonoxid bewirkt. Dazu wird das auf niedrigem Druck liegende gasförmige Kohlenmonoxid, das die Kolonne 31 über die Leitung

32 und den Vorratsbehälter 10 über die Leitung 36 verläßt, zunächst in dem Wärmeaustauscher 23 auf eine Temperatur von 14,4° C erwärmt und dann in die erste Stufe eines zweistufigen Kompressors 37 geführt. In dieser Stufe wird der Kohlenmonoxid-Strom von 2,53 ata auf 9,21 ata konprimiert. Hinter der ersten Stufe des Kompressors verläßt ein Teilstrom als Kotilenmonoxid-Produkt die Anlage über die Leitung 38, während ein weiterer Teilstrom an gasförmigem Kohlenmonoxid über die Leitung 39 in den Wärmeaustauscher 23 zurückgeführt wird. Der restliche Teil an Kohlenmonoxid

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wird in die zweite Stufe des Kompressors 37 geführt, dort bis auf 27,1 ata komprimiert und dann über die Leitung 40 in den Wärmeaustauscher 23 eingegeben. Ein Teil des unter dem hohen Druck stehenden Stromes von Kohlenmonoxid verläßt den Wärmeaustauscher 23 über die Leitung 41 mit einer Temperatur von -126° C. Dieser Teilstrom wird in einem Turbo-Entspanner 42 auf 9»07 ata mit einer Temperatur von 159,5° C entspannt und dann über eine Leitung 43 weitergeleitet.

Der restliche T_eilstrom an Hochdruck-Kohlenmonoxid verläßt den Wärmeaustauscher 23 über die Leitung 44 mit einer Temperatur von -137,6° C, wird in einer Erwärmer/Kondensator-Einheit 45 kondensiert, als Kondensat über die Leitung 48 mit einer Temperatur von -147 C zum Wärmeaustauscher 23 zurückgeführt, dort auf -168° C herabgekühlt und dann über die Leitung 49 weitergeleitet. In der Erwärme r/Kondensat or-Einiie it 45 wird die Wärmeleistung zum Verdampfen des vom Sumpf der Kolonne abgezogenen Stromes an flüssigem Methan erzeugt. Dieser Strom w wird vom Sumpf der Kolonne über die von der Leitung 33 abzweigende Leitung 46 abgezogen und über die Leitung 47 als Gas wieder in die Kolonne 31 zurückgeführt.

Von dem gekühlten Strom an flüssigem Kohlenmonoxid in der Leitung 49 wird ein Teil auf 2,88 ata entspannt und dann über die Leitung 50 in den Kopf der Kolonne 31 eingespeist. Der restliche Teil dieses Stromes wird an einem Ventil 51 auf 2,95 ata entspannt, dann durch das kalte Ende des Wärmeaustauschers 30 hindurchgeleitet und

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danach über die Leitung 52 in den Vorratsbehälter für das flüssige Kohlenmonoxid eingespeist. In dem Wärmeaustauscher 30 kühlt der Kohlenmonoxid-Strom die Waschflüssigkeit aus flüssigem Methan. Der Strom an gasförmigem Kohlenmonoxid, der mit einem Druck von 9,21 ata über die Leitung 39 in das warme Ende des Wärmeaustauschers 23 eintritt, wird dort auf -168 G gekühlt und verläßt dann den Wärmeaustauscher über die Leitung 53. Die Leitung 53 vereinigt sich mit der vom Turbo-Entspanner kommenden Leitung 4-3 und ist als Leitung 54 für den vereinigten Gasstrom zum Wärmeaustauscher 30 geführt. Im Wärmeaustauscher 30 wird der über die Leitung 54 herangeführte Gasstrom kondensiert. Das Kondensat verläßt den Wärmeaustauscher 30 mit einem Druck von 9,0 ata über die Leitung 55» wird dann auf 2,88 ata entspannt und anschließend ebenfalls in den Vorratsbehälter 10 für flüssiges Kohlenmonoxid eingespeist.

In der Auslegung der vorangehend beschriebenen Anlage sind eine Anzahl von Variationen möglich. Beispielsweise brauchen das in der Leitung 56 aus dem Phasentrenner 26 abgeführte Abgas-Methan und das über die Leitung 35 abgeführte Abgas-Methan nicht vereinigt zu werden, sondern können getrennt voneinander durch die Wärmeaustauscher 23 hindurchgeführt werden. Der Abgas-Strom kann anschließend, nach einer Kompression von 4,57 ata auf 11,27 ata, in den Eingangsstrom in der Leitung 24 im Kreislauf zurückgeführt werden. Dies führt zu einer erhöhten Wiedergewinnung von Kohlenmonoxid. Der den Phasentrenner 26 über die Leitung verlassende flüssige Strom kann nach einer Entppannung auf

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2,95 ata in einen weiteren Phasentrenner geleitet v/erden, aus dem sich dann ein wasserstoff-reich.es /bgas abziehen läßt. Diese Maßnahme führt zu einer Verminderung der Wasser-Konzentration in dem die Anlage verlassenden Kohlenmonoxid-Strom von 0,0049 auf 0,0005, wobei beide Werte die Molenbrüche darstellen. Der Zustrom zum Turbo-Entspanner kann von dem mittleren, auf 9,21 ata liegenden Kohlenmonoxid-Strom abgezogen werden, und der Abstrom des Turbo-Entspanners kann nach Entspannung auf 2,88 ata in den auf niedrigem Druck liegenden Kohlenmonoxid-Strom eingespeist werden.

Die nachfolgend anhand von Figuren 5 A und 5 3 beschriebene Anlage ist zur Erzeugung von Wasserstoff rait einem Gehalt von weniger als 10 ppm an Gesamt-Verunreinigungen bestimmt. In der zeichnerischen Darstellung bilden die Pig. 5 A und 5 B eine Einheit, und die Anschlußpunkte der von der einen zur anderen Pig. laufenden Leitungen sind jeweils mit der Nummer der betreffenden Leitung bezeichnet. Im übrigen sind für diejenigen Teile der /nlage, die schon anhand von Pig. 4 erläutert sind, auch die in Pig. 4 benutzten Bezugszeichen beibehalten.

Das zu reinigende Gas wird der Anlage über die Leitung 24 zugeführt. Dieses Gas ist bereits von Kohlendyoxid und Wasser befreit und hat die in der beigefügten Tabelle 2 angegebene Zusammensetzung. Es wird mit einem im Kreislauf zurückgeführten Gasstrom gemischt, der von einem Kompressor 58 aus über die Leitung 57 in die Eingangsleitung 24 eingespeist wird. Die Gasmischung tritt sodann

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in den Wärmeaustauscher 23 ein, der ebenso wie im Beispiel der Fig. 4 ein Vielkanal-Rippenplatten-Wärineaustausclier ist. Beim Eintritt in den Wärme aus tauscher 23 hat die Gasmischung einen Druck von 11,3 ata und eine Temperatur von 10,0° C. Sie wird in dem Wärmeaustauscher 23 auf -168° C heruntergekühlt und läuft dann über die Leitung 17 zur Waschkolonne. Die W_aschkolonne ist im Beispiel der Pig. 5 in drei Sektionen unterteilt, von denen die unteren beiden Sektionen 1 und 19 durch siedendes Kohlenmonoxid als Kühlmittel gekühlt werden. Diese unteren beiden Sektionen 1 und 19 entsprechen der anhand von Fig. 1 bis 3 erläuterten Kolonne, bei der das flüssige Kohlenmonoxid über die Sammelleitung 8 in die Kolonne einströmt und als flüssig-gasförmige Mischung wieder von der Kolonne über die Sammelleitung 9 zum Vorratsbehälter 10 zurückgeführt wird. Die dritte Sektion 59 der Waschkolonne enthält lediglich Destillationsböden, bei denen keine Vorsorge für einen Wärmeaustausch mit einem Kühlmittel vorgesehen ist.

Die Zusammensetzung des die Sektion 1 und die Sektion 59 der Waschkolonne verlassenden Gases sind in Fig. 2 angegeben. Die Waschflüssigkeit, die aus reinem Methan mit 5 ppm Kohlenmonoxid besteht, tritt über die leitung 20 mit einer Temperatur von -180° C in die Waschkolonne ein. Diese Waschflüssigkeit zieht die letzten Spuren von Kohlenmonoxid aus dem in der Sektion 59 der Waschkolonne aufsteigenden Gas heraus und absorbiert die Hauptmenge an Stickstoff und Kohlenmonoxid in dem Gas, das in den Sektionen 1 und 19 aufsteigt.

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Das am Kopf der Waschkolonne über die Leitung 21 abgezogene Wasserstoff-Gas strömt in eine Absorptionskolonne 60, die mit Siebboden oder entsprechenden Einrichtungen .zum Bewirken eines Kontaktes zwischen Flüssigkeit und Gas ausgerüstet ist. In dieser Kolonne wird der Wasserstoff mit einem Strom von flüssigen Propan gewaschen, der über die Leitung 61 mit einer Temperatur

k von -180° C in die Absorptionskolonne eingespeist wird.

Aus der Kolonne 60 tritt über die Leitung 62 Wasserstoff-Gas mit der in der Tabelle 2 angegebenen Zusammensetzung aus. Dieses Wasserstoff-Gas wird über eine von zwei Adsorber-Säulen 63 geführt, die mit Aktivkohle beschickt sind und die die Restanteile an Stickstoff urn Methan aus dem Wasserstoff herausziehen. Die Adsorber-Säulen 63,die parallel zueinander liegen, werden in regelmäßigen Intervallen umgeschaltet, wobei die gerade nicht von dem Wasserstoff durchströmte Säule mittels eines trockenen Reaktivierungs-Gases, das über die Leitung 64 eintritt und über die Leitung 65 austritt, auf eine Temperatur von etwa 120 C erhitzt wird. Das Wasserstoff-Gas hat am

™ Auslaß der Säulen 63 die in der Tabelle 2 angegebene Zusammensetzung, es läuft dann über eine Leitung 66 durch den Wärmeaustauscher 23 hindurch und verläßt schließlich die Anlage über die Leitung-25 mit einer Temperatur von 14,4° G und einem Druck von 10,83 ata.

Vom Boden der Absorptionskolonne 60 läuft ein methan-haltiges Propan über die Leitung 67 ab. Dieser Strom wird auf einen Druck von 7»03 ata entspannt, dann in einem Wärmeaustauscher 68 auf eine Temperatur von etwa

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-117° O erwärmt und anschließend in einen Propan-Abstreifer 69 geleitet. In diesem Propan-Abstreifer wird das Propan mittels einstufigem Flussigkeits-Dampf-Kontakt durch Waser stoff-Gas vom Methan befreit. Das dazu benötigte Wasserstoff-Gas wird in einem Nebenstrom aus der leitung 25 abgezogen, auf einen Druck von 7,03 ata entspannt und über die Leitung 70 in den Abstreifer eingeführt. Die Mengenverhältnisse sind dabei so gewählt, daß etwa gleiche molare Strömungsraten von Abstreif-Wasserstoff und Propan im Abstreifer 69 vorliegen, und daß die Strömungsrate des Abstreif-Wasserstoffs etwa 5 Molprozent der Strömungsrate des Wasserstoffs in der Leitung 21 ausmacht. In dem Abstreifer herrscht dabei eine Temperatur von -95>6° C. Das im Abstreifer 69 gereinigte Propan fließt über eine Leitung 71 ab, wird dort mit einem geringen, die Verluste ausgleichenden Eintrag an Frisch-Propan über die Leitung 72 gemischt, im Wärmeaustauscher 68 auf eine Temperatur von -165»6 C erwärmt und dann mit einer Pumpe 73 auf einen Druck von 11,2 ata eingeteilt. Von der Pumpe aus fließt das flüssige Propan über eine Leitung 75 zu einem Wärmeaustauscher 74 und dann weiter über die Leitung 61 zur Absorptionskolonne 60 zurück. Im Wärmeaustauscher 74 wird das Propan durch Kohlenmonoxid auf eine Temperatur von -180° C gekühlt. Das kühlende Kohlenmonoxid stammt aus dem Kohlenmonoxid-Vorratsbehälter 10, es wird über die Sammelleitung 8 und eine davon abzweigende Leitung 76 zum Wärmeaustauscher 74 geführt und fließt über eine Leitung 77 zum Vorratsbehälter 10 zurück.

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Die den Sumpf der Waschkolonne über die Leitung 22 verlassende Flüssigkeit wird auf einen Druck von 4)92 ata entspannt und dann in den Phasentrenner eingeführt. In diesem Phasentrenner ist wiederum eine Heizschlange 27 angeordnet, durch die flüssiges Methan hindurchströ'mt, um einen Teil der über die Leitung 22 zugeführten Flüssigkeit zu verdampfen und da^mit den

" Anteil des in dieser Flüssigkeit gelösten Wasserstoffs zu verringern. Das den Phasenstrenner 26 über die Leitung 56 verlassende Gas wird auf 2,88 ata entspannt, durch den Wärmeaustauscher 23 hindurchgeleitet und dann als ■Kreislauf-Gas über den Kompressor 58 und die Leitung dem Produkt-Eintrag zugeführt. Die den Phasentrenner verlassende flüssige Phase läuft über die Leitung 29, wird auf einen Druck von 2,95 ata entspannt und anschließend in dem Wärmeaustauscher 30 auf eine Temperatur von 168,6 G erwärmt. Dabei tritt eine teilweise Verdampfung ein, und die sich bildende Flussigkeits-Gas-Mischung wird anschließend in die Destillationskolonne

fe 31 eingespeist..

In der Kolonne 31 wird die zweiphasige Mischung aus dem Wärmeaustauscher 30 in einen Strom von gasförmigem, im wesentlichen reinen Kohlenmonoxid und einen Strom von flüssigem Methan getrennt. Der Kohlenmonoxid-Strom, der die in Tabelle 2 niedergelegte Zusammensetzung hat, verläßt den Kopf der Kolonne über die Leitung 32, während das flüssige Methan den Sumpf der Kolonne über die Leitung 33 verläßt.

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'.veiterhin tritt aus der Kolonne noch über die Leitung 78 ein Abgas-Strom aus, der deswegen abgezogen werden muß, weil von den beiden Enden der Kolonne Produkte mit verhältnismäßig hoher Reinheit entnommen werden. Die Abgas-Leitung mündet in der Leitung 56» die die gasförmige Phase aus dem Phasentrenner 26 zum Kompressor 58 führt.

Das flüssige Methan vom Sumpf der Kolonne wird durch die Pumpe 34 auf einen Druck von 11,6 ata eingestellt, dann durch die Heizspirale 27 geleitet, dann in dem V/ärme aus tauscher 30 auf eine Temperatur von -180° C heruntergekühlt und anschließend über die Leitung 20 in die Waschkolonne eingespeist. Ein kleiner Anteil dieses flüssigen Methans wird vor dem Wärmeaustauscher 30 über die Leitung 35 abgezogen, auf einen Druck von 4_t92 ata entspannt, in dem Wärmeaustauscher auf eine Temperatur von 14,4 C erwärmt und danach über die Leitung 28 als Abgas aus der Anlage herausgeführt.

Das mit Kohlenmonoxid arbeitende Kreislauf-Kühlsystem ist im Beispiel der Pig. 5 genau gleich dem entsprechenden System in Pig. 4-·

- Ansprüche -

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Claims

ill "Verfahren zur Trennung eines Gasgemioch.es aus Wasserstoff und/oder Helium einerseits und Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid andererseits durch Waschen des Gemisches mit flüssigem Methan in einer mit Flussigkeit/Dampf-Kontakteinrichtungen versehenen Kolonne, in deren unteren Teil das Gasgemisch und in deren oberen Teil das flüssige Methan eingetragen wird, wobei am Kopf der Kolonne ein im wesentlichen aus Wasserstoff und/oder Helium bestehendes Gas und am Sumpf der Kolonne eine aus Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid sowie Methan bestehende Flüssigkeit abgezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Waschkolonne die aus dem Gasgemisch und dem flüssigen Methan bestehende, zweiphasige Mischung zum indirekten Kontakt mit einem Kühlmittel-Strom gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die am Sumpf der Waschkolonne abgezogene Flüssigkeit durch fraktionierte Destillation in einen im wesentlichen methan-freien Strom aus gasförmigem Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid und einem Strom aus im wesentlichen reinen, flüssigen Methan getrennt wird, und daß mindestens ein Teil des Stromes aus flüssigem Methan in den oberen Teil der Waschkolonne zurückgepumpt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

daß ein Teil des sich auf der fraktionierten Destillation ergebenden, im wesentlichen methan-freien Gasstroms als Kühlmittel-Strom zum Kühlen der Waschkolonne auf etwa -180° C verwendet wird, und dazu durch einen Kühlzyklus

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geführt wird, welcher die Stufen einer Kompression, einer Kühlung, einer Expansion in einer Arbeitsmaschine, einer Kondensation und einer Verdampfung umfaßt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als eingetragene Gasmischung eine Mischung aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid ohne Helium-Gehalt verwendet wird, und daß am Kopf der Waschkolonne ein Strom an praktisch GO-freiem Wasserstoff abgezogen wird.
5. Verfahren nach Ansprüchen 2,3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der fraktionierten Destillation ein Strom von praktisch reinem Kohlenmonoxid erzeugt wird und daß ein Teil dieses Stroms als Produktstrom aus dem Kühlzyklus abgezogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß als Gasmischung Helium mit einem Gehalt an mindestens einem anderen, gegenüber Helium höher molekularen Bestandteil in die Waschkolonne eingetragen wird, und daß am Kopf der Waschkolonne ein Helium-Strom abgezogen wird, der mit Ausnahme von Methan im wesentlichen keine höher molekularen Bestandteile enthält.
7. Verfahren nach /nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Kopf der Waschkolonne abgezogene Gasstrom bei einer temperatur von etwa -180 C mit flüssigem Propan gewaschen wird, und daß aus dieser Stufe ein Gas-

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strom abgeführt wird, "bei dem die molaren Gehalte an . gegenüber dem zu reinigenden Gas höher molekularen Bestandteile geringer sind als 0,2 %.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der nach der Propan-Behandlung erzeugte Gasstrom

W aus etwa 99,8 fo reinem Wasserstoff oder Helium besteht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in die Waschkolonne eingetragene Gasmischung ainen Druck im Bereich von 5 bis 55 ata besitzt und bis in die Nähe des Taupunktes gekühlt ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bestehend aus einer Waschkolonne, die mit Flüssigkeit/Dampf-Kontakteinrichtungen

• versehen ist und die im oberen Teil einen Einlaß für | flüssiges Waschmittel sowie im unteren Teil für die zu reinigende Gasmischung besitzt, und die am Kopf einen Auslaß für das gereinigte Gas sowie am Sumpf einen Auslaß für das verbrauchte Waschmittel aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß den Flüssigkeit/Dampf-Kontakteinrichtungen jeweils Kühleinrichtungen zugeordnet sind, die ohne Stoffaustausch einen Wärmeaustausch bewirken.