DE2132715A1 - Anlage und verfahren zur kontinuierlichen hochdruckreinigung von gasen - Google Patents

Anlage und verfahren zur kontinuierlichen hochdruckreinigung von gasen

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Description

Patentassessor Hamburg, den 29. Juni 1971
Dr. Gerhard Schupfner T 71 036 (D 70,435-F)
Deutsche Texaco Ä.G.
2000 Hamburg 76
Sechslingspforte 2 ? 1 "3 ? 7 1
TEXACO DEVELOPMENT CORPORATION
135 East 42nd Street New York, N.Y. 10017
U.S.A.
Anlage und Verfahren zur kontinuierlichen Hochdruckreinigung
von Gasen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zur kontinuierlichen Entfernung höhersiedender Begleitstoffe aus einem Prozeßgasstrom. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren oder Anreicherung eines Gases durch Kondensation höhersiedender Begleitstoffe aus diesem Gas in der Kälte, wobei das Kondensat von einem geringen Strom gereinigten Gases bei im wesentlichen Atmosphärendruck in einem Reinigungsschritt aufgenommen und entfernt wird.
Es ist bekannt, daß die Abtrennung oder Reinigung von Gasen in der Kälte in einem Hochdruckverfahren, ergänzt durch eine Abkühlung, leicht ausgeführt werden kann. Aus wirtschaftlichen Gründen sollte das Verfahren sich selbst erhalten. Zumindest sollte dies bis zu einem gewissen Ausmaß unter Zuhilfenahme von mindesbens drei Wegen geschehen:
a) Durch überlegtes Erhalten des Abkühlungspotentials oder der Abkühlungsfähigkeit des gekühlten Gasstromes;
b) durch Verwendung der kondensier ten höhers Ledenden Begleitstoffe;
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c) durch Einsatz der aus der Expansion der Produki^rome. zj entnehmenden Energie und der den Abfallströmen entstammenden Energie.
Beispielsweise ist die Verwendung der potentiellen Energie des unter Druck stehenden Gasstromes zum Abkühlen und zur Energiegewinnung in einer Energiewandlereinheit, z.B. Turbinenexpander, bekannt. Die hier beschriebene Anlage und das beschriebene Verfahren gehen über den bekannten Stand der Technik hinaus und führen zu einer Verbesserung, indem der Energieeinsatz unter den Kondensationsverfahrensbedingungen wirkungsvoller als bisha? gestaltet wird. Wobei sichergestellt ist, daß es sich um ein ausgeglichenes, wirkungsvolleres und weniger teures Verfahren handelt.
Das Verfahren ist ferner dadurch vorteilhaft, daß ein gereinigter Gaskreislaufstrom zur Minimisierung des Anteils Reinigungsgas, der zur Verdampfung der höhersiedenden kondensierten Begleitstoffe und zur Abführung derselben aus der Anlage dient, verwendet wird. Dies wird durch Wiedererhitzen des gereinigten Gasstromes vor der Expansion ausgeführt, um teilweise den AbkühTungsbedingungen im Kondensationsverfahren zu genügen. Weiter werden im Verfahren im wesentlichen konstante Temperaturunterschiede während eines Kondensationskreislaufs aufrechterhalten, wobei kurze Kreislaufzeiten, wie sie für kondensierende thermische Regeneratoren, deren Kreislaufzeiten teilweise durch die thermische Kapazität der Reaktorpackung bestimmt werden, charakteristisch sind, zu verhindern sind. Ferner werden Druck- und Produktverluste mithilfe von Schaltvorgängen minimisiert.
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Anlage zur Durchführung einer wirkungsvolleren Hochdruckkältereinigung von Freradstoffe enthaltenden Gasen. Eine v/eitere Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren und einer Anlage 211m effektiveren Einsatz der einem Gasreinigungssystem zugeführten Energie. Weiterhin ist Aufgabe der Erfindung ein verbeissertes Verfahren und eine Anlage zur zyklischen Reinigung Ln einem Gasreinigungssystem, in wel-
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BAD ORtGINAL
chem ein Gesamtwärmeausgleich durch Einsatz der Expansionsarbeitsenergie des gereinigten Gases und durch Erhaltung der Abkühlfähigkeiten von Gaskondensaten und -strömen erfolgt. SchTLeßlich ist Aufgabe der Erfindung zur Gasreinigung ein geeignetes Wiedererhitzen der Gasströme vor der Expansion, um eine Optimierung der Abkühlleistung und des erhaltenen Arbeitsgewinns zu erzielen.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden durch -eine Anlage und ein Verfahren gelöst, indem ein Hochdruckprozeßgasstrom mithilfe einer Abtrennung durch partielle Kondensation der höhersiedenden Gasstrominhaltsstoffe gereinigt oder angereichert wird. Die Partialkondensation wird bei niedrigen Temperaturen und relativ hohem Druck in Verbindung mit dem Zurückhalten mindestens eines Teils des kondensierten Materials durchgeführt. In einem nachfolgenden Schritt werden die die Begleitstoffe festhaltenden Wärmetauscher an oder in der Nähe der Arbeitstemperaturen und bei relativ niedrigem Druck vor Entfernung der Gasverunreinigungen periodisch gereinigt. Das die Verunreinigung enthaltende Reinigungsgas besitzt Heizwert und wird in die Restgasverbrennung zur Herstellung verwendbarer ¥ärme gegeben. Der gereimte Gasstrom erhält gewöhnlich einen für den Endverbrauch benötigten Druck.
Aus der beigefügten Zeichnung ist das Reinigungssystem für ein verunreinigtes Gas dargestellt und besteht aus mindestens zwei ähnlichen Wärmetauschereinheiten (19) und (21) oder einer Vielzahl derselben. Jede Einheit enthält eine Gastrennkammer mit Kondensat-Rückhalteelementen oder -packungen zum Zurückhalten der höhersiedenden Gasinhaltskondensate aus dem Gasstrom und zur Förderung der notwendigen Wärmeübertragung. Jeder Wärmetauscher ist über Leitungen mit dem Prozeßgasvorrat "S" verbunden, um das Prozeßgas periodisch in die Trennkammer zu führen. Wärmetauscherrohre oder große Tauschflächen innerhalb jedes Rohres sind mit den Trennkammern verbunden, um geeignete verunreinigungsfreie Gasströme für das benötigte Abkühlen und Erwärmen während der Kondensations- und Reinigungsoperationen bereitzustellen.
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Das auf voller Länge zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Rohr in der Trennkammer ist an die Saugleitung eines Gaskompressors angeschlossen, welcher einen kontinuierlichen verunreinigungsfreien Gasstrom erhält. Der Hauptteil dieses Gasstromes wird zur ¥eiterverwendung abgeführt. Ein zweiter, kleinerer Teil wird auf eine bestimmte Temperatur eingeregelt und dient zur Wärmekontrolle der Trennkammern. Dieser gereinigte Gasstrom wird am warmen Ende des in seiner gesamten Länge zum Wärmeaustausch zur Verfugung stehenden und in der zu reinigenden Kammer befindlichen Rohres eingeleitet. Das auf einem Teilstück zum Wärmeaustausch zur Verfügung stehende Rohr in der Kammer, dem das Rohprozeßgas zugeleitet wird, dient zum Aufwärmen des gereinigten Gases auf eine für
.wird die Expansion geeignete Temperatur. Auf diese Weise/zu einer notwendigen Niedrigtemperatur-Kühlung im Kondensationsverfahren beigetragen.
Die Kreislaufreinigung der Anlage wird durch den Gebrauch relativ kleiner Anteile gereinigten Gases erreicht, welches, nachdem es auf annähernd Atmosphärendruck expandiert wurde, in den kalten Teil der zu reinigenden Kammer eingeleitet wird,währen!am warmen Ende des in voller Länge für den Wärmetausch zur Verfügung stehenden Rohres Wärme mithilfe des gereinigten Kreislaufgasstromes eintritt. Der kleinere Anteil des gereinigten Gases, welches für den Reinigungsgasstrom benutzt wurde, wird im mittleren Bereich des in voller Länge zum Wärmetausch zur Verfügung stehenden Rohres in der anderen Kammer erhalten und auf den Eingang einer Expansionsturbine gegeben.
Gemäß dem offenbarten Verfahren wird ein Verunreinigungen enthaltendes Gas kontinuierlich behandelt, um hierdurch einen konstanten Gasstrom gewünschter Reinheit zu erzielen. Jedoch wird die Stromkontinuität durch eine grundlegende Kiaslaufverfahrensweise aufrechterhalten, indem das Verunreinigungen enthaltende Gas abwechselnd in eine oder mehrere gekühlte Trennkammern zur partiellen Kondensation eingeführt wird. Im alternierenden Kreislauf werden die Kammern von Verunreinigungen bei relativ niedrigem Druck und Temperatur
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gereinigt.
Die in der Zeichnung dargestellte Anlage zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgaben beinhaltet im einzelnen grundsätzlich ein Vorratsgefäß S mit Prozeßgas, welches gereinigt oder angereichert werden soll. Dieses Gas kann jedem kommerziellen Verfahren, welches brauchbare gasförmige Produkte mit höhersiedenden Verunreinigungen liefert, vorzugsweise bei relativ hohem Druck, entnommen werden. Wirtschaftlich ist es unklug, derartige gasförmige Nebenprodukte einfach als Abfall zu behandeln, da eine Verwertung von Abfällen und die Ausbeutung potentieller Energie vorgenommen werden kann.
Der Ausdruck "Prozeßgas" in der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf Gase mit geringen Prozenten entfernbarer Verunreinigungen, wobei das Gas eine gesteigerte Brauchbarkeit nach mehr oder weniger vollständiger Abirennung der Begleitstoffe erreichen kann. Derartige Begleitstoffe sind durch einen gegenüber dem Hauptgasanteil oder dem Prozeßgas erhöhten Siedepunkt charakterisiert. Nach dem erfindungs- · gemäßen Verfahren werden die Begleitstoffe durch partielle Kondensation bei niedriger Temperatur entfernt und nachfolgend verdampft. Der verwendete Ausdruck "frei von Verunreinigungen" bezeichnet allgemein ein Prozeßgas, welches sich nach dem Behandeln im erfindungsgemäßen Verfahren ergibt. Ein derartiges Gas ist im wesentlichen frei/den genannten höhersiedenden Begleit- oder Inhaltsstoffen. Zur Erleichterung der Beschreibung werden diese Begleitstoffe nur deshalb als Verunreinigungen bezeichnet, weil ihre Entfernung aus dem Hauptprozeßgasstrom erwünscht ist.
Der anfänglich aus S kommende Prozeßgasstrom wird zuerst, falls benötigt, durch das Kontrollventil (9) eingeregelt. Falls S kein Gas mit gewünschtem Arbeitsdruck für das Reinigungsverfahren liefert, wird dieser gewünschte Arbeitsdruck durch Kompression oder Expansion des Gases in einer Kompressor- oder Expandereinheit (10) aufgebaut. Diese Einheit kann ein Zentrifugalkompressor oder von ähnlicher Bauart sein, um den gewünschten Kompressionsgrad herzu-
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stellen. Andererseits kann, falls die Umstänfe es erfordern, auch eine Turbine oder ein anderer Typ einer Expansionsmaschine eingesetzt werden, um das Gas mit dem gewünschten Druck bereitzustellen. Es wird davon ausgegangen, daß, wenn der Gasdruck in S ausreichend istr keine Einheit (10) vonnöten ist. Auch kann der Prozeßgasstrom mithilfe des Ventils (9) auf einen geeigneten Arbeitsdruck gedrosselt werden. Falls das Gas in S bei erhöhter Temperatur und einem Arbeitsdruck, der den Einaatz von (10) notwendig macht, vorliegt, kann das Gas gekühlt werden. Dies wird in einem geeigneten Wärmetauscher oder (nicht dargestellt) vor der Kompression durchgeführt, um die Kompressionsarbeit so gering wie möglich zu halten. Falls das Gas bei erhöhter Temperatur nach dem Aufdrücken eines gewünschten Druckes vorliegt, wird es im Kühler (11) gekühlt. Diese Einheit stellt, ebenso, wie (12), einen typischen gebräuchlichen wasser- oder luftgekühlten Wärmetauscher dar, sie kann aber auch eine Kühlschlange enthalten, falls eine wirtschaftliche Kühlung verfügbar ist.
Die Kühleinheit (H) ist über (13), die Regelventile (14) und (16), sowie über (17) und (18) mit den senkrecht aufgestellten Wärmetauschern (19) und (21) verbunden. Die Wärmetauscher (19) und (21) können in verschiedenen Ausführungsformen im Verfahren eingesetzt werden. In der vorliegenden Anordnung sind (19) und (21) in ihrem Aufbau und ihrer Wärmecharakteristik zur Sicherstellung konstanter gasförmiger Produkte im wesentlichen gleich.
Der Wärmetauscher (19) enthält eine Trennkammer (22) mit einer Vielzahl übereinandergeschichteter Kondensatrückhalteböden, -bleche, -rippen oder ähnlicher Vorrichtungen (23). Die einander gegenüberliegenden Öffnungen (24) und (26) wirken als Ein- und Ausgänge für die Trennkammer und erlauben den Durchgang des mit den Böden (23) in Berührung tretenden Gases. (24) erlaubt den Zutritt ungereinigten Prozeßgases im Kondensations- oder Reinigungsschritt des zweiteiligen Kreislaufes. (26) wird für den Zutritt eines Reinigungsgasströmes im Verdampfungs- oder Reinigungsschritt des zweiteiligen Kreislaufes benutzt.
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Ein erstes Wärmetauscherelement in Form eines Rohrschlangenoder Rohrbündels (27) steht in Wärmetauschbeziehung zum kälteren Teil der Trennkammer (19) und ist hier angeordnet. (27) beeinflußt die Temperatur innerhalb der Kammer und des Prozeßgasstromes während der Kondensationsphase oder einen Teil des zweiteiligen Kreislaufes. Das verunreinigungsfreie Gas tritt durch (26) in (19)> und zwar im kälteren Teil vnn (22) ein und verläßt den Wärmetauscher über die Leitung (28), die durch die Wärmetauscherwand von (19) mit (22) verbunden ist. Beim Passieren des Wärmetauscherrohres
(27) stellt das gereinigte Gas die Abkühlung in der Trennkammer (22) wieder her und wird selbst vor der Expansion auf eine gewünschte Temperatur erwärmt. Das erste Rohrschlangen- oder Rohrbündel (27) kann gemäß bekannter Verfahren verbunden werden. Die endständigen Öffnungen (25) und
(28) können nach konstruktiver Maßnahme entweder einfach oder mehrfach vorhanden sein.
Ein zweites Wärmetauscherelement (29) ist ähnlich angeordnet und steht ebenfalls in Wärmetauschbeziehung zur Trennkammer (22), wobei (29) normalerweise seine Gesamtlänge annimmt oder im wesentlichen so lang wie (19) ist. Die Verbindung (30) zum Wärmetauscherelement (29) ist am kalten Teil von (19) und die Verbindung (31) zu (.29) am warmen Teil von (19) angebracht .
Eine Verbindung (32) im mittleren Bereich von (29) wird durch die Wand von (19) geführt. Diese Verbindungsstücke stellen einen stetigen Strom verunreinigungsfreien Gases durch das Wärmetauschelement (29) her. In der Kondensationsphase des zweiteiligen Kreislaufes tritt kaltes gereinigtes Gas durch (30) in (29) ein. Ein geringer Stromanteil verläßt (29) über (32) bei einer mittleren Temperatur. Dieser Strom wird vor seiner Verwendung als Reinigungsgasstrom in (21) expandiert. Der Hauptteil des durch (30) eintretenden-Gases strömt durch den Austauscher und verläßt denselben bei (31) nach vollständiger Erwärmung. Beim Erwärmungsvorgang, d.h. während das Gas durch (29) strömt, liefert das Gas die benötigte Abkühlung für das Kondensationsverfahren.
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Da der Wärmetauscher (21) im wesentlichen identisch im Aufbau und der Wärmeübertragungscharakteristik mit (19) ist, werden in (21) mit (19) identische Zahlen für die jeweiligen Anlagenteile verwendet.
Das bei (28) ,(27) verlassende verunreinigungsfreie Gas wird durch (33) zum Dreiwegeventil (34) geführt. Von (34) zweigen die Leitungen (36) und (35) ab. (34) verbindet (33) und (36) miteinander, wenn sich (19) in der Kondensationsphase befindet und blockiert (35) sowie gleichzeitig (27) in (21). Das durch "(36) strömende verunreinigungsfreie Gas vereinigt sich mit einem durch (27) strömenden verunreinigungsfreien Gas. Die vereinigten Ströme werden durch (38) auf den Eingang einer zwischengeschalteten Expansionsturbine oder einer ähnlichen Maschine (39) zur Expansion auf eine gewünschte Temperatur gegeben, bevor dieser Gasstrom die Abkühlfunktion in (29) aufnimmt. Das expandierte verunreinigungsfreie Gas verläßt (39) und wird über das Dreiwege-Schaltventil (40) in (41) und (42) geführt, um anschließend bei (30) in (29) einzutreten. Gleichzeitig schließt (40) (45), während ein · ähnliches Ventil, (44), (43) bei der in (19) ablaufenden Kondensationsphase blockiert.
Ein erster oder Hauptstrom verunreinigungsfreien Gases verläßt (29) bei (31) und'wird durch (48) zu einem Vierwege-Ventil (49), wo er über (50) in die Saugleitung des Kompressors (51) gelenkt wird. Hier erfolgt die Komprimierung des verunreinigungsfreien Gasstromes auf einen'vorgegebenen, mit der späteren Verwendung in Einklang stehenden Druck. Das Gas verläßt (51) über (61), die mit der Hochdruckableitung von (51) verbunden ist.
Eine zweite Leitung (62) ist mit der Hochdruckableitung (6o) verbunden und transportiert einen kleineren oder zweiten veruiireinigungsfreien Gasstrom in den Kühler (12). Die Strömungsgeschv/indigkeit kann über die Drossel (63) kontrolliert werden. (12) kann dem Kühler (11) angegliedert sein oder un-•abhänj-g von (11) kontrolliert und gesteuert werden. (12) entläßt einen komprimierten Gasstrom durch (64) über das
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Vierwege-Ventil (49) in die Leitung (65), die die Verbindung zu (31f) bzw. (291) in (21) herstellt.
Der komprimierte Gasstrom strömt durch (29'), -wobei in (21) die Verdampfungs- oder Reinigungsphase seines Kreislaufs vollzogen wird, während in (19) die Kondensationsphase seines Kreislaufs abläuft, wird gekühlt und verläßt (21) bei (30'). Das gekühlte verunreinigungsfreie Gas strömt durch (47) und (46) zum Schaltventil (44), welches mit (37) in Verbindung steht. Der gekühlte Strom wird mit dem Gasstrom aus (35) vereinigt.
Der kleinere oder zweite verunreinigungsfreie Gasstrom, der (29) bei (32) verläßt, gelangt durch (66) in das Dreiwege-Ventil (67), von wo der Gasstrom durch (69) über das Drosselventil (70) und durch die Leitung (71) auf den Eingang einer Niedrigdruck-Turbine oder ähnlichen Expansionsmaschine (72) geführt wird. Der kleinere Gasstrom, der in der Turbine auf im wesentlichen Atmosphärendruck expandiert und abgekühlt wurde, wird aus (72) abgesaugt und durch (73) auf das Dreiwege-Ventil (74) geführt. (74) lenkt den Gasstrom durch (75) zum Kühlen auf Eingang (26') des Reaktors (21).
Gleichzeitig sind die Ventile (67) und (74) geschlossen. Der abgekühlte expandierte. Gasstrom strömt durch die Packungen von (21) und nimmt die erneut verdampfenden Begleitstoffe mit. Reinigungsgas und wiederverdampfte Begleitstoffe, zusammen als Restgas bezeichnet, verlassen (21) bei (241) und treten in Leitung (18) ein. Das Dreiwege-Ventil (16) lenkt das Reinigungssystem in die Abgasleitung (89), während Leitung (13) blockiert ist. Normalerweise wird das Gas zur Verwendung seiner Verbrennungswärme verbrannt.
Die voranstehende Beschreibung der Ströme und Ventilschaltungen behandelte ein Verfahren, in welchem die Ablagerung der Verunreinigungen und die Reinigung des Prozeßganes im Wärmetauscher (19) erfolgte, während gleichzeitig Lm Wärmetauschor (21) die Reinigung von den Verunreinigungen durchgeführt vnirde. (19) befindet sich in der KomlenaatLonsphase BeLiie«
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zweiphasigen oder -teiligen Kreislaufes und (21) in der Reinigungsphase seines zweiphasigen oder -teiligen Kreislaufes. Das beschriebene Verfahren enthält eine Ventilanordnung, die ein gleichzeitiges Zweiphasen-Verfahren ermöglicht. Die Ventilanordnung kann ein Zweiphasen-Verfahren bei Gegenwart einer beliebigen Anzahl Wärmetmischereinheiten bewerkstelligen. Jedoch zeigen auch zwei Wärmetauscher (19,21) die dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegenden Prinzipien.
. Um einen kontinuierlichen Produktgasstrom herzustellen, werden die Gasströme zwischen den Wärmetauschern (19) und (21) durch die Ventilanordnung derart gesteuert, daß in einem Wärmetauscher kondensiert und im anderen Kondensatentreinigung betrieben wird. In der nachfolgenden Beschreibung der betriebenen Anlage, bei der (19) in der Kondensationsphase und (21) in der Reinigungsphase arbeiten, werden die Einstellungen der die Gasströme regelnden Strömungskontrollventile (14), (16), (34), (40), (44), (50), (67) und (74) umadressiert und die Funktion der Wärmetauscher (19) und (21) umgekehrt.
Aus der Zeichnung geht deutlich hervor, daß, wenn alle Schaltventile gedreht werden - in der Zeichnung durch eine 90°-Drehung der Ventilflügel vorstellbar -, der soeben beschriebene Gasstrom nunmehr in entgegengesetzten Reaktoren, Leitungen und Wärmetauschern auftritt. D.h., Reaktor (19) befindet sich nun in der Entreinigungsphase und (21) wird in der Kondensations- oder Reinigungsphase sein. Dieses zweite Fließschema enthält den zweiten Teil des zweiteiligen oder Zweiphasen-Kreislaufs.
Die Kreislaufführung des Verfahrens kann zur Erzielung eines ständigen Ausstoßes gereinigten Gases beliebig wiederholt werden. Die Schalt- oder Kreislaufhäufigkeit (-frequenz) ist natürlich abhängig von der Ablagerungngeschwindigkeit oder der Aufnahmekapazität der TrerirLkammer-Packungen; sie ist aber nicht von der Wärmekapazität der Packungen abhängig.
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Diese Abhängigkeit tritt bei konventiellen Reinigungs-Regeneratoren auf. Die vorherrschenden Temperaturprofile in (19) und (21) sind innerhalb einer gegebenen Phase eines Kreislaufes im wesentlichen statisch. Dies gilt für einen Wärmetauscher sowohl in der Kondensations- als auch in der (Ent-)Reinigungsphase. Schließverluste, wie sie normalerweise während des Schaltens thermischer Regeneratoren oder bei der Strömungsumkehrung von Wärmetauschern auftreten, sind durch Aufrechterhalten einer niedrigen Kreislauffrequenz minimisiert. Hierdurch können relativ große Druckdifferenzen zwischen der Kondensations- und der Reinigungsphase eines Kreislaufes toleriert werden. Große Druckdifferenzen zwischen den einzelnen Phasen eines Kreislaufes sind erwünscht, da sie in gewissem Umfang für hohe Ausbeuten und hohe Kühlleistungen verantwortlich sind.
Die Kondensationsphase eines Kreislaufes arbeitet bei Bereitstellen ausreichender Abkühlung zum Erzielen zweier Absichten: Abkühlen des Prozeßgases und Auskondensieren der in diesem enthaltenen Verunreinigungen. Dieses Abkühlen wird eigentlich insgesamt durch die verunreinimngsfreien Gas-
durcn die
ströme, die/Wärmetauscherrohre strömen, bewerkstelligt. Die Abkühlung wird durch Wiedererwärmen aller Gasströme vor deren Austritt aus der Anlage erhalten. Ferner wird das Abkühlen aus der Gasexpansion in den Turbinenexpandern (39,72) gespeist. Weiter wird das Abkühlen, falls notwendig, mit den kalten Enden der Wärmetauscherrohre einer Kondensationseinheit und mit den in voller Länge zum Wärmetausch zur Verfügung stehenden Rohren (29,29') in beiden Wärmetauschern übertragen. Der Gasstrom, der durch die "Langrohre11 (29,29') in jeder der zu reinigenden Kondensationseinheiten strömt, überträgt sowohl die latenten als auch die fühlbaren Kondensationswärmen aus dem Wärmetauscher auf den Gasstrom, der in die andez-e Wärmetauscher- oder Kondensationseinheit eintritt, um die benötigte Abkühlung zu erzielen.
Der Rehigungsschritt oder -operation beruht auf einer niedrigen Maase-Stroingcschwindigkeit des Gases bei relativ niedrigem Druck, um die -wiederverdampf enden Verunreinigungen zu
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entfernen und einen die Wiederverdampfung begünstigenden Druck einzustellen. Der Reinigungsschritt beruht ferner auf der Wärme, die durch den Kreislaufstrom, der die in voller Länge zum Wärmetausch zur Verfügung stehenden Rohre passiert, herangeführt wird und die Verdampfungswärme zur Verfügung stellt. Der Kreislaufstrom kühlt sich dabei ab und überträgt hierbei die Abkühlungswärme, was zur Verdampfung der Verunreinigungen und zum Erwärmen des Reinigungsgases für die Kondensationseinheit führt.
Eine erwünschte Einstellung des Wärmegleichgewichts des Verfahrens wird sowohl durch das Herstellen geeigneter Gasdrucke und -ströme zur benötigten Reinigung aufrechterhalten, als auch durch die Gasstromregulierungen im arbeitenden Verfahren erzielt. Diese Gasstromregulierungen werden in erster Linie durch die Drosselventile (63,70), die manuell oder automatisch geregelt werden können, erreicht. Regulierungen sind nur zur Korrektur von Abweichungen notwendig und sind kein notwendiger Bestandteil in der Ventilschaltung der Kreislauffrequenz.
Um die potentielle Systemenergie weiter auszunutzen, wird die in den Expansionsmaschinen (39,72) erzeugte Arbeit als ein Teil der im Kompressor (51) aufzubringenden Kompressionsarbeit zur Verfügung gestellt. Die restliche zur Gaskompression benötigte Arbeit wird einer externen Quelle entnommen, die als Dampfturbine, elektrischer Motor oder als eine andere geeignete Vorrichtung vorhanden sein kann. Im allgemeinen ist die Verbrennungswärme des Restgases mehr als ausreichend zum Unterhalten dieser zusätzlichen Energiezufuhr.
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Die betriebene Anlage
Zur Veranschaulichung des beschriebenen erfindungsgemäßen Gasreinigur.gs- oder -anreicherungsyerfahrens wurde die Reinigung eines aus einem katalytisehen Benzinreformer stammenden Abgases ausgewählt. Das Rohprozeßgas ist bei Beginn mit einem Druck von annähernd 31,6 ata und im wesent- ' liehen Raumtemperatur gegeben. Die Gaszusammensetzung enthält annähernd 80 Mol.-% H2; 12,5 Hol-% Methan; 4,0 Mol.-%.Aethan; 2.0 Hol.—% Propan und 1,5 Mol.-% schwerere Kohlenwasserstoffe. Ein Hp-Produkt von 98% Reinheit oder höher ist in guten Ausbeuten bei einem Minimumdruck von 30 ata gefordert.
Die Einstellung der Geschwindigkeit des einströmenden Gases auf einen gewünschten Wert erfolgt in erster Linie durch das Strömungsventil (9)- Diese Strömungsgeschwindigkeit ist als Basis für die Festlegung aller anderen im Verfahren durchgeführten Gasströme.anzusehen.
Im vorliegenden Beispiel werden weder Kompression oder Expansion in (10) noch der Kühler (11) benötigt oder verwendet, da das Gas als stabilisiert zu betrachten ist. Der regulierte Rohprozeßgasstrom tritt in die Trennkammer (22) durch (24) mit annähernd 30,9 atü und 26,7°C ein. Die Temperaturen in den Trennkammem sind im wesentlichen mit der Zeit konstant, während die Temperaturen der noch zu beschreibenden eingeregelten Gasströme sich mit dem vertikalen Verlauf ändern. Am v/armen Ende, in der Hähe von (24) und (31) ( beträgt die Kammertempera tür annähernd 25,60C. Die Kammertemperaturen nehmen kontinuierlich in Richtung des kalten Endes zum Verbindungsstück (30) hin ab. BLe nehmen aber nicht notwendige rv/eLse linear mit der Länge ab. Die Temperatur am kalten Kammerende beträgt annähernd -1700C.
Das firn oberen Kaiamerende eingeführte} Prozeßgaf; strömt durch die Kammern, wobei die höher siedenden Begieibntofi'e zur Auskondensierung neigen und auf.' den Kondensat tu·. L torn (23)
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zurückgehalten werden. Die Kondensation setzt sich in dem Maße fort, wie die Temperatur des eingeströmten Gases kontinuierlich niedriger wird in enger Übereinstimmung mit de"n in der Kondensationskammer aufrechterhaltenen Temperaturen. Kennzeichnenderweise tritt die Kondensation als natürliche Tendenz der Partialdrucke der höher siedenden Begleitstoffe in Übereinstimmung mit der Abnahme ihrer Dampfdrucke auf, wenn sich das Abkühlen der Gasmischung fortsetzt.
Der Partialdruck jedes Begleitstoffes ist gleich der Anzahl Gasmole der Begleitstoffe, multipliziert mit dem Gesamtdruck der Gasmischung und dividiert durch die Gesamtzahl der Gasmole der Mischung. Der Dampfdruck jedes Begleitstoffes ist eine Punktion der Temperatur und natürlich eine Eigenschaft jedes Begleitstoffes.
Die Übereinstimmung von Partialdruck und Dampfdruck ist nicht vollständig, da Löslichkeit und andere Effekte zu berücksichtigen sind. Bei den vorliegenden Verfahrensbedingungen sind diese Abweichungen aber unerheblich. Die von Hiza und Herring in "International Advances in Cryogenic Engineering", S. 190, 1965, Plenium-Press, New York, veröffentlichten Ergebnisse beispielsweise sind brauchbar bei der Einregulierung des kalten Trennkammerendes, um die gewünschten Ergebnisse zu er-P zielen, und wurden in diesem Beispiel verwendet.
Das Prozeßgas erreicht das kalte Trennkammerende von (22) und hat die gewünschte Reinheit und besteht aus Wasserstoff, sowie 2% Methan und weist keine höher siedenden Begleitstoffe auf. Die molare Gasstromgeschwindigkeit beträgt etwa 81,63% des eintretenden Gases und weist einen Druck von annähernd 30,8 ata und —169 C auf. Die Masseverteilung des eintretenden Gases wird dadurch gestört, daß die Kondensatrückhalter (23) Flüssigkeit und einen geringen Anteil Feststoff, der aiis den höchst siedenden Begleitstoffen stammt, aufnehmen.
Das gereinigte oder verunreinigungsfreie Gas verläßt den kalten Trennkammerteil von (22), indem es in den unteren Teil des Wärmetauschrohres (27) bei (25) eintritt. Hach dem Wieder-
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holen der Abkühlung durch Wärmetausch in der Kammer (22) mit der Wärmetauscherschlange (27) verläßt der verunreinigungsfreie Strom (19) am Verbindungsstück (28) mit annähernd 30,7 ata und -123°C· Der Strom passiert Leitung (33)· über das Schalt\;entil (J4) und Leitung (36) und wire hier mit einem aus (37) kommenden verunreinigungsfreien Gas \rereinigt. Die vereinigten durch (38) strömenden Gase haben eine Geschwindigkeit von annähernd 137% (bezogen auf' das Ausgangsgas), einen Druck vor, annähernd 30,7 ata und eine Temperatur von annähernd -1480C.
Der aus (38) kommende Strom wird in der Turbine (39) mit annähernd 80% der adiabatischen Wirksamkeit expandiert und weist einen angenäherten Druck von 9·>6 ata und eine Temperatur von -annähernd -175°C auf. Die Expansion lieferte eine notwendige Abkühlungsleistung zum Betrieb des Verfahrens und ergibt eine Wellenleistung,.die zur Unterstützung des Kompressors (51) dienen kann. Der expandierte Gasstrom wird dem Wärmetauscherrohr (29) in (19) über das Schaltventil (40), sowie die Leitungen (41) und (42) und dem Verbindungsstück (30) zugeführt. Das verunreinigungsfreie Gas strömt durch (29) tmd wird in der Trennkammer und durch das entgegenströmende Gas, welches gereinigt werden soll, erwärmt.
Der Hauptteil des Gases verläßt (29) bei (31)· Hier ist der Gasstrom annähernd 125% (bezogen auf das Rohgas). Annähernd 8,79 atü and 21,7°C sind die Verfahrensbedingungen bei (31)· Der zweite oder kleinere Gasstromanteil, der (29) bei (32) verläßt, wird später beschrieben.
Der Hauptgasanteil, der (29) .bei (31) verläßt, wird durch (48), das Schaltventil (49) und' Leitung (50) auf den Eingang des Kompressors (51) geführt, der bei annähernd 80% adiabatischer Wirksamkeit arbeitet. Der komprimierte Strom wird aus (51) durch (60) mit annähernd 31,4 ata und 92,80G abgeführt und in zwei Ströme aufgespalten: 68,8% des in (11) eingetretenen Ganen worden als gereinigter 9C% Wasserstoff über (61) abge-.Tjü" 55i7% über (62) aln Kreislauf strom zur Verfü-
-ur.'p i-.t(;}jf;r;. Uns iVLrömungslrontrollvcntil (63) regelt diese
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Aufteilung ein.
. Das Ereisiaufgas aus (62) wird auf annähernd 26,7°G im Kühler (12) gekühlt und durch (64) über das Schaltventil (19) ■> durch (65) in (21) über -(311) eingeführt. Beim Abströmen "vom -warmen Ende der Wärmeaustauscherschlange (29') liefert das warme Kreislaufgas die zur Verdampfung der flüssigen und festen Begleitstoffe, die in der Trennkammer zurückgehalten wurden ,.und aus dem vorhergehenden Kreislauf stammten, die notwendige Wärme. Ebenso liefert das Kreislauf gas die Wärme zur Erwärmung
• der im Gegenstrom geführten Gase. Hierbei kühlt sich das Kreislaufgas ab und verläßt (2-1) bei (30 ·) als 55,7% Strom mit an- ψ nähernd 30,7 ata und -14-80C. Dieser Gasstrom wird durch (47), (46), über das Schaltventil (44) mit dem aus (36) kommenden Gas vereinigt.
Der zweite oder kleinere Strom verläßt (29) bei (32) mit annähernd 12,8% (bezogen auf die molare Rohgasgeschwindigkeit). Dieser verunreinigungsfreie 98% Wasserstoffstrom ist bei Druck und Temperatur von jeweils annähernd 9,3 atü und -116,50C. Die gewünschte Geschwindigkeit \«jird mit dem Kontrollventil (70) geregelt und das Gas strömt durch (66) - (71) "und das Schaltventil (67) auf den Eingang der Mederdruckturbine (72). Die Turbine expandiert das Gas mit annähernd 80% adiabatischer . Wirksamkeit auf etwa 1,4.5 atü und etwa -170°C, wobei Abkühlungsleistung und Wellenleistung produziert werden. Die Wellenleistung kann teilweise den Energiebedarf des Kompressors (51) decken. . .
Der den Ttmbinenausgang (72) verlassende Gasstrom wird durch (73), das Schaltventil (74) und Leitung (75) auf die Öffnung (26') der Kondensationskammer (221) geführt. Dieser Reinigungsgasstrom verdampft erneut die im vorhergehenden Schritt kondensierten Begleitstoffe im Reaktor (21). Während des Strönens durch (22') erwärmt sich das Träger- oder Reinigungsgas und der molare Gasstrom wächst infolge des aufgenommenen verdampften Materials. Die 'zur GasStromerwärmung notwendige Wärme wird durch Wärmetaubch aus (291) vom Kreislaufgas entnommen, wodurch das Kreislauf gas die Abküblungßkapasitüt des Jicinigungs-
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gasstromes aufnimmt und auf die Kondensationseinheit (19) über trägt .
Das erwärmte Reinigungsgas zuzüglich der wiederverdampften und aufgewärmten Begleitstoffe xvird zum Ausgang (24-1) geführt. Hier wird das Gas als "Restgas" bezeichnet und besitzt eine molare Strömungsgeschwindigkeit von annähernd 31 > 2% (bezogen auf den eintretenden Gasstrom). Das Restgas weist einen Druck von annähernd 1,4- atü und eine Temperatur von annähernd 22,2°C auf. Es enthält annähernd 16% Ausgangswasserstoff, 89% Ausgangsmethan und alle vorhandenen höher siedenden Begleitstoffe. Das Restgas wird durch (18), Ventil (16) und Leitung (89) in die Luft oder zur weiteren Verwendung abgegeben.
Die Umkehrung der einzelnen Phasen des Verfahrens erfolgt durch entsprechende Regelung der Schaltventile, wobei sodann Reaktor (19) als Reiniger und Reaktor (21) als Kondensator arbeiten. In diesem Fall wird das Restgas durch die Leitung (91) aus der Anlage abgegeben. Ströme, Drucke und Temperaturen entsprechen sodann den aufgeführten Werten.
Da normale Systemgleichgewichte im wesentlichen statische Temperaturprofile in den beiden Wärmetauscheinheiten( (19) und (21)) benötigen, ist es klar, daß die Ströme variiert oder geregelt werden müssen, trenn der Prozentgehalt der Begleitstoffe im Prozeßgasausgangsmaterial variiert. Insbesondere müssen Kreislauf- und Reinigungsgasstrom anwachsen, wenn der Begleitsboffanteil steigt. Diese Ströme werden durch die Ventile (65) und (70) kontrolliert. ELn geeignetes Wärmegleichgewicht wird durch zahlreiche Vorrichtungen, einschließlich Kontrolle der Teu^peratüren in den kalben Bereichen der Reaktoren, und durch Stromregulierungeii überwacht.
Die Schaltfrequenz, die sich durch Entwurf der Irilago ergibt, wird durch die Strömungsgeschwindigkeiten! und die Begleibßtoffaufnahmekapai'.ibäfc der Böden oder Packungen in den Kondensat ionskamrnern beeinflußt. En wurde gefunden., daß eine Schal bpüriüde von 10 IH mit en al« mi^eiiensen >.ur erfolgreichen
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Durchführung des beschriebenen Verfahrens angesehen werden kann.
Die ITettoleistung des Verfahrens im obigen Beispiel beträgt annähernd 79 PS/28300nr Produkt pro Tag. Die' Verbrennungswärme, die aus dem abgeführten Restgas erhältlich ist, liefert eine Energiemenge, die um das 10-fache größer ist als die in Wärme- oder Kraftmaschinen mit mittlerer leistung erzeugte.
Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Anlage ist in der lage, gevrünschte Produktreinheiten, von mehr als zu erzielen, wenn eine Gleichgewichtsverlagerung zu niedri geren Temperaturen in den kalten Teilen der Trennkammern vorgenommen wird.
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Claims (1)

  1. T 71 036 (D 70
    Patentansprüche
    ) Anlage zur kontinuierlichen Hochdruckreinigung von Gasen durch periodische Kondensation von im Gas enthaltenen höher siedenden Begleitstoffen zur Herstellung eines angereicherten Produktgasstromes,
    gekennzeichnet durch
    a. mindestens zwei in ihrer Wärme charakteristik im wesentlichen identischen Wärmetauschern, wobei jeder Wärmetauscher eine senkrecht aufgestellte Trennkammer mit verbundenem Eingang un,d Ausgang enthält und die Trennkammern mit Kondensatrückhaltevorrichtungen ausgerüstet sind und die Wärmetauscher während der Kondensations- und Spülphasen für ein periodisches Arbeiten geeignet sind;
    b. Vorrichtungen für ein periodisches Verbinden der Trennkammern mit dem komprimierten Prozeßgas, welches höher siedende Begleitstoffe enthält;
    c. ein zur Anlage gehörigen Spülsystem, welches
    1. ein Leitungssystem zum Verbinden der Trennkammern,
    2. eine Arbeit produzierende Expansionsvorrichtung, die in diesem Leitungssystem zur Druckreduzierung eines Gasstromes angeordnet sind und mit den Trennkammern auf der Seite des abströmenden Gases zur Entnahme eines verunreinigungsfreien Gases verbunden sind,
    und
    3« Strömungsregulierungsvorrichtungen enthält, die mit dem Leitungssystem verbunden sind und zur Hinführung eines ITi ed erdruck spül gases zu mindestens einer iTrennkammcr einstellbar sind, wobei die k one! on ni ort cn in den Trennliammern festgehaltenen 209883/0229
    BAD OBlGINAt
    Begleitstoffe, die aus dem Prozeßgas, welches in der Kondensationsphase der Trennkammer behandelt wurde, entfernt wurden, mit dem Ulederdruckspülgas in Kontakt treten«
    2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als Expansionsvorrichtung eine Gasexpansionsturbine vorgesehen ist.
    3- Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß jede Wärmetauschertrenn-
    im
    kammer eine Gaskreislauf schlange auf-weist, die/Wärmetausch mit der Trennkammer steht,und daß das Spülleitungssystem einen Eingang aufweist, der mit der Kreislaufschlange verbunden ist, um mindestens einen Teil des die Gaskreislaufleitung passierenden Gases aufzunehmen.
    4. Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, g e — kennzeichn-et d τι r c h eine in dem leitungssystem befindliche Ventilvorrichtung zur Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit der das Leitungssystem in die Arbeit produzierende Expansionsvorrichtung passierenden Gase.
    5- Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Ventilvorrichtung zur Regulierung des Spülgasstromes entsprechend den Wärmebedingungen in den zu spülenden Trennkammern automatisch arbeitet.
    6- Anlage nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
    -a.. ,,mindestens zwei in ihrer Wärmecharakteristik im we-,. ...,;.: ,,sen-t^chen identischen Wärmetauschern, wobei jeder •-.;;-λ.Wärmetauscher eine senkrecht aufgestellte Trennkammer mit verbundenem Eingang und Ausgang enthält und die kamiaern mit Eondensatrückho 11evorrichtungcn 209 8iÖ:3/p2;2;9;,r; . ;-BAkORfGiNAl.
    ausgerüstet sind und die Wärmetauscher während der Kondensations- und Spülphasen für ein periodisches Arbeiten geeignet sind;
    b. Vorrichtungen für ein periodisches Verbinden der Trennkammern mit dem komprimierten Prozeßgas, welches höher siedende Begleitstoffe enthält;
    c. ein zur Anlage gehöriges Spülsystem, welches ein Leitungssystem zur Verbindung der brennkammern enthält, wobei der Gasstrom durch dieses Leitungssystem zu mindestens eine der zu reinigenden Trennkammern strömt,
    sowie durch
    d. ein System, welches
    1. eine Schlange zur Gaswiedererwärmung, die longitudinal mit einem unteren und einem oberen Ende in den Trennkammern angeordnet ist und mit diesen, in Wärmetausch steht,
    CL*
    1. eine Kreisiaufleitung,(die mit dem oberen Ende der Kreislaufschlange verbunden ist),durch welche ein gereinigter Prozeßgasstrom aus einer Trennkammer, die sich in der Kondensationsphase befindet, in eine Trennkammer, die sich in der Spülphase befindet, strömt,
    und
    3· Vorrichtungen in der Kreis Lauf leitung zur Kontro Lie von Druck und Temperatur der sich in der Spüiphase befindlichen Trennkainmer
    aufweint.
    7« Anlage nach Anspruch 6, go k e η η ζ & i c h ri e t d u r c h eine llmschaItLeitung, die die unteren Enden dv.r Kreislauf schlangen in dun Treüiikariimern verbindet»
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    8. Anlage nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Kreislaufleitung mit
    1. einer Gaskompressionsvorrichtung, die ein durchströmendes Kreislaufgas komprimiert
    und
    2. einstellbare Ventilvorrichtungen zur Regulierung der Strömungsgeschwindigkeit des Kreislaufstromes.
    9. Verfahren zur kontinuierlichen Hochdruckreinigung durch Abtrennung unterscheidbarer verdampfbarer Begleitstoffe aus einem komprimierten Prozeßgas, wobei die Bsgleitstoffe höher sieden als das Prozeßgas, dadurch gekennzeichnet , daß
    a. die höher siedenden Begleitstoffe aus dem Prozeßgas in einer ersben Trennkammer kondensiert werden, in welcher ein Druck aufrechterhalten wird, der größer als der Siedepunktsdruck der verdampfbaren Begleitstoffe isb, wobei ein im wesentlichen von Begleitstoffen freier Gasstrom erzeugt xvird;
    b. das verunreinigungsfreie Gas zur Arbeitsgew-innung expandiert wird, um Energie zu gewinnen, wobei ein gekühlter iriederdruckgassbrom erhaLten wird;
    c. periodisch der Druck Ln der ersben Trennkammer, die die kondensierten Begleibstoffe enthält, zur Verdampfung derneLben■vermindert wird, während gleichzeitig das einströmende) Prozeßgas an der ersben Trennkammer vorbei in eine zweite Trennkammer geleitet wird;
    d. der gekühlte verunreiriLgurigsfreie Gassbrom im l/ärmetausch mit dem ProzeiJgaöfjbro-m Ln der ersten Trennkammer wieder erwärmt wird;
    e. ein kleinerer teiLweise erwärmter Strom aus dem ver-
    unreinigurigsfreien Gasstrom gebildet wird; 20 980 3 /0 229
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    und
    f. der kleinere teilweise erwärmte Strom auf einen reduzierten Druck unter Gewinnung von Arbeit expandiert und in die erste Trennkammer zur Entfernung der verdampfbaren Begleitstoffe dieser Trennkammer eingeführt wird.
    10. Verfahren nach Anspruch 9i dadurch gekennzeichnet , daß der Druck in der Trennkammer und der verunreinigungsfreie kleinere Strom auf im wesentlichen Atmosphärendruck während dieses Spülvorganges erniedrigt wird.
    11. Verfahren nach Anspruch 9i dadurch gekennzeichnet , daß eine periodische Druckminderung in der ersten Trennkammer erfdgt, während gleichzeitig ein verunreinigungsfreies Spülgas in die erste Trennkammer einströmt.
    12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Geschwindigkeitsregulierung des kleineren Gasstromes nach der teilweisen Erwärmung und vor der Expansion erfolgt.
    13· Verfahren nach Amspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der kleinere Gasstrom entsprechend den Temperaturbedingungen in der ersten und zweiten Trenn-Kreislauf geführt wird.
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