DE2218799C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen eines leichten Gases aus einem Gasgemisch - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Gewinnen eines leichten Gases aus einem Gasgemisch

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einem Adsorber und einer Tieftemperatur-Trenneinrichtung, die über eine Leitung miteinander verbunden sind, die das unkondensierte Gas aus der Tieftemperatureinrichtung zum Einlaß des Adsorbers führt.
Ein solches Verfahren und eine solche Vorrichtung sind aus der DE-OS 15 44 024 bekannt.
Bei den bekannten Vorschlägen ist jedoch insbesondere die Verwendung von Adsorbern, die bei unterschiedlichen Temperaturen arbeiten, nachteilig. Die Nachteile solcher Adsorber sind in der DE-OS 15 44 024 u. a. auf Seite 2, dritter Absatz dargelegt. Insbesondere müssen die bei verschiedenen Temperaturen arbeitenden Adsorber auf diese unterschiedlichen Temperaturen gebracht werden und noch auf einem generell sehr niedrigen Temperaturniveau gehalten werden. Dadurch wird ein erheblicher zusätzlicher verfahrensmäßiger und apparativer Aufwand nötig.
Aufgabe der Erfindung ist es, das in dem Gasgemisch enthaltene leichte Gas mit sehr hoher Ausbeute, dabei -, aber verringertem apparativem Aufwand zu gewinnen und insbesondere bei einem Zweikomponenten-Gemisch beide Bestandteile in hoher Ausbeute und hohem Reinheitsgrad zu erhalten.
Diese Aufgabe wird bei dem Verfahren dadurch ίο gelöst, daß ein Teil des im Adsorber gewonnenen Leichtgasstromes dem Adsorber unter verringertem Druck als Regenerierungsstrom wieder zugeführt wird und der aus dem Adsorber austretende Regenerierungsstrom auf einen erhöhten Druck komprimiert und an den Einlaß der Tieftemperatur-Trenneinrichtung gegeben wird.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst die Aufgabe dadurch, daß der Adsorber ein Druckschwingadsorber der Art ist, bei der das Adsorbens mit Hilfe eines Teils des gewonnenen Gases bei verringertem Druck regeneriert wird, und daß eine weitere, vom Adsorber zur Tieftemperatur-Trenneinrichtung führende Leitung vorgesehen ist, die den aus dem Adsorber erhaltenen Regenerierungsstrom über einen Kompressor zum
2ϊ Einlaß der Tieftemperatur-Trenneinrichtung führt.
Die Druckschwingadsorption ist an sich aus der Zeitschrift »Oil and Gas Journal«, 13. November 1967, Seite 78 und aus der Zeitschrift »Chemical Engineering Progress, 1969, Band 65, Nummer 9, Seite 78« bekannt.
in Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch erreicht, daß das Gasgemisch zuerst dem Adsorber zugeführt wird, wenn die Konzentration des leichten Gases im zugeführten Gas höher ist als im Regeneriergasstrom, der den
si Adsorber verläßt, aber zuerst der Tieftemperatur-Trenneinrichtung zugeführt wird, wenn das Umgekehrte der Fall ist.
Die erfindungsgemäße Lösung bietet den zusätzlichen Vorteil, daß sie die Gewinnung eines zweiten
-tu Gassiroms ermöglicht, welcher im wesentlichen frei vom Leichtgas ist, also daß zwei Komponenten in hoher Reinheit und also mit hoher Ausbeute gewonnen werden.
Nachfolgend wird die Erfindung an Hand der
4"> Zeichnungen an bevorzugten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert.
Das Gasgemisch mit zwei oder mehreren Komponenten wird der Vorrichtung unter erhöhtem Druck, gewöhnlich zwischen etwa J40 kP 5,4 MPa insbesondere
•so zwischen etwa 2,0 MPa und 3,4 MPa zugeleitet. Tieftemperatur-Trenneinrichtungen arbeiten gewöhnlich mit Einlaßdrücken zwischen etwa 685 kPa und 5,5 MPa und etwas unter den Einlaßdrücken liegenden Auslaßdrücken. Der Druckschwingungsadsorber arbeitet zufriedenstellend mit einem dem Auslaßdruck der Tieftemperatur-Trenneinrichtung etwa gleichen Einlaßdruck im wesentlichen bei Umgebungstemperaturen, so daß die Temperatur oder der Druck des ersten Gasstroms aus der Tieftemperatur-Trenneinrichtung vor dem Einleiten in den Druckschwingungsadsorber gewöhnlich nicht verändert zu werden brauchen.
Der Druck des aus dem Druckschwingungsadsorber gewonnenen Leichtgasstroms mit hohem Reinheitsgrad liegt gewöhnlich etwas niedriger als der Einlaßdruck des
b") Adsorbers, etwa im Bereich zwischen 165 k Pa und 5,1 MPa. Der von diesem Strom zur Verwendung als Regenerierungsstrom abgezweigte Teil wird vor dem Zurückleiten durch die Adsorberkammern hindurch auf
einen niedrigen Druck entspannt, vorzugsweise auf etwa atmosphärischen Druck. Nach dem Durchtritt durch die Adsorberkammer unter Abnahme des adsorbierten Gases von den Adsorbereinrichtungen wird der Regenerierungsstrom wieder auf einen zum Zuleiten zur Tief iemperatur-Trenneinrichtung geeigneten Druck komprimiert
Zwei Anordnungen zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in F i g. 1 und 2 der Zeichnung dargestellt. Darin sind die einzelnen Strome folgendermaßen bezeichnet:
10
F = Zufuhrströmung aus leichtem Gas und Verunreinigungen,
G = Zufuhrströmung plus Rückführstrom, r>
H = leichtes Gas mit hohem Reinheitsgrad,
/ = im wesentlichen von leichtem Gas freie
Verunreinigungen,
R = Regenerationsgasstrom,
P = teilweise gereinigtes leichtes Gas. jo
Die Entscheidung, ob man die Mehrkomponenten-Gasströmung der Tieftemperatur-Trenneinrichtung oder dem Druckschwingungsadsorber zuleitet, hängt von der Konzentration des leichten Gases in der j> Strömung ab. 1st diese Konzentration des leichten Gases in der zugeführten Strömung höher als in dem aus dem Druckschwingungsadsorber austretenden Regenerierungsstrom, so erfolgt die Zuleitung zum Adsorber. 1st sie dagegen niedriger, so wird die Strömung der Tieftemperatur-Trenneinrichtung zugeführt.
In jedem Falle ist der von der Einrichtung, welcher die Mehrkomponenten-Gasströmung nicht zugeleitet wird, zurückgeführte Gasstrom mit der Zuleitung für die Mehrkomponenten-Gasströmung verbunden.
Bei der Anwendung zum Gewinnen von Wasserstoff läßt sich so ein sehr großer Teil des Wasserstoffs mit hohem Reinheitsgrad abtrennen. Ferner lassen sich im wesentlichen die gesamten anderen Komponenten im wesentlichen frei von Wasserstoff getrennt gewinnen. Somit ist das Verfahren wirtschaftlich anwendbar, da der Verbrauch an Ausgangsmaterial gering ist. Ferner ist das Verfahren sehr anpassungsfähig und läßt sich zum Trennen der verschiedenartigsten Zusammensetzungen anwenden.
Die Erfindung ist auch auf andere Komponenten-Gelnische zur Gewinnung von Komponenten anwendbar.
Die Erfindung ist an Hand der nachstehenden Beispiele näher erläutert, wobei sich die Beispiele 1 und 2 auf die Trennung eines aus Wasserstoff und Stickstoff bestehenden Gasstroms beziehen. Zur Vereinfachung der Berechnung ist eine Gewinnung der einzelnen Gase mit einem Reinheitsgrad von 100% angenommen, obgleich der Wasserstoffstrom H in der Praxis einige Teile pro Million (ppm) Stickstoff enthält, dessen tatsächliche Gesamtmenge von den gewählten Betriebsbedingungen abhängig ist und der Stickstoffstrom ebenfalls geringe Mengen, beispielsweise 0,5% Wasserstoff enthält, wobei diese Menge wiederum von den Verfahrensbedingungen abhängig ist. Das Beispiel 3 bezieht sich auf die erfindungsgemäße Gewinnung von Helium mit Nohem Reinheitsgrad.
Beispiel 1
Das Beispiel bezieht sich auf die Gewinnung von Wasserstoff und Stickstoff aus einem Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis von 90:10 enthaltenden Gasgemisch unter Anwendung der in F i g. 1 gezeigten Anordnung. Die dem Druckschwingungsadsorber 1 zugeführte Strömung hatte einen Druck von 3,8MPa bei Umgebungstemperatur.
Der Regenerierungsstrom für den Druckschwingungsadsorber (1) wurde durch die Druckverminderungseinrichtung (4) auf etwa 35 kPa entspannt und anschließend zum Zuleiten zur Tieftemperatur-Trenneinrichtung (2) wieder auf 3,95 MPa komprimiert. Die Zufuhr zur Tieftemperatur-Trenneinrichtung (2) erfolgte bei Umgebungstemperatur, und in der Trenneinrichtung wurde das Gas auf 66° K gekühlt. Die Rückführung zum Druckschwingungsadsorber (1) erfolgte unter dem Zuleitungsdruck. Die Zusammensetzung und der Durchsatz der verschiedenen Ströme waren wie folgt:
M%
Μ1!/..
nvVh
M'/I,
iivVh
90 25.5 6" 11: 91 33
N, 10 2.8 N, 9 3,2
100
28.3
100
36,2
N,
100
0
100
25,5 0
25,5
M"
nvVli
M% nrVh
M%
nvVh
N,
100
100
2,8
2,8
II,
N,
95
100
H,
70
30
100
11,5
Beispiel 2
Das Beispiel bezifeht sich auf die Gewinnung von Wasserstoff und Stickstoff aus einem Gasgemisch mit einem Wasserstoff'Stickstoff-Volumenverhältnis von 60 :40 unter Verwendung der in F i g. 2 gezeigten Anordnung. Die Zufuhr erfolgte unter einem Druck von 2,95 MPa bei Umgebungstemperatur mit anschließender Abkühlung auf 66° K in der Tieftemperatur-Trenneinrichtung (2). Der mit Wasserstoff angereicherte Strom wurde dem Druckschwingungsadsorber (1) unter einem Druck von 39 MPa bei Umgebungstemperatur
5 6
zugeführt. Das Regenerierungsgas für den Adsorber Zuleitung zur Tieftemperatur-Trenneinrichtung wieder wurde durch die Druckverminderungseinrichtung (4) auf 3,95 MPa verdichtet. Die Zusammensetzung und der auf etwa 35 kPa entspannt und anschließend für die Durchsatz der verschiedenen Ströme waren wie folgt:
M"'.. iivVli M':'„ niVli M% in'/h
H U; 60 17
F
N, 40 11,3
100 28,3
63.3 36,7
100 21,5
12,5
N,
100 0
100
M'Vi.
m'/li
M';■;, in Vh
M1X,
0
100
100
11.3
N,
95
100 21,5
22,6
N,
80 20
100
Wenngleich die Erfindung vorstehend in zwei Verfahrensbeispielen für die Gewinnung von Wasserstoff aus Gemischen desselben mit Stickstoff Kohlenmonoxid und/oder Methan erläutert ist, eignet sie sich auch zur Anwendung beim Trennen von anderen Gasgemischen. Insbesondere sei hier die im nachstehenden Beispiel 3 beschriebene Gewinnung von Helium aus Gemischen desselben mit Methan und/oder Stickstoff angeführt.
Beispiel 3
Das Beispiel beschreibt die Gewinnung von Helium aus einem typischen Helium-Stickstoffgemisch, wie es als Nebenprodukt in einer Anlage zum Aufbereiten von heliumhaltigem Dünngas anfällt. Der Rückführstrom R enthält hier einen höheren Anteil an Helium als das Gasgemisch, so daß das Verfahren in der in F i g. 2 gezeigten Anordnung durchgeführt wird, in der das Gasgemisch zusammen mit dem Rückführstrom zunächst der Tieftemperatur-Trenneinrichtung 2 zugeführt wird. Die Zufuhr erfolgte unter einem Druck von 2,45 MPa bei Umgebungstemperatur mit anschließender Kühlung auf 66° K in der Tieftemperatur-Trenneinrichtung 2. Der aus der Tieftemperatur-Trenneinrichlung 2 austretende teilweise gereinigte Heliumstrom wurde dem Druckschwingungsadsorber 1 unter einem Druck von etwa 2,35 MPa bei Umgebungstemperatur zugeführt. Der Regenerierungsstrom für den letzteren wurde durch die Druckverminderungseinrichtung (4) auf etwa 35 kPa entspannt und anschließend zur erneuten Zuleitung zur Tieftemperatur-Trenneinrichtung 2 wieder auf 2,45 MPa verdichtet. Die verschiedenen Ströme hatten die folgende Zusammensetzung und Durchsatzrate. Aus Gründen der Einfachheit ist der Heliumstrom H mit einem Gehalt von 100% Helium angegeben, obgleich er in der Praxis einige Teile pro Million (ppm) Stickstoff in Abhängigkeit von den Verfahrensbedingungen enthält.
m7h
Μ1',, niVh
M"/
He
N
100
24.9
3.4
28.3
He
89 11
100
31,2 4,0
He
100 0
100
M \
m7h
M"/ m-Vh
M%
He
N-
2
98		 0,05
3,4		 He
P
N2 		98
2		 31,1
0,6
100 3,45 100 31,7
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
He
N7
92 8
100

Claims (3)

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Gewinnen eines leichten Gases aus einem Gasgemisch,
bei dem das Gasgemisch bei erhöhtem Druck durch ein aus einem Adsorber und einer Tieftemperatur-Trenneinrichtung bestehendes Trennsystem geführt wird
und bei dem aus der Tieftemperatur-Trenneinrichtung erhaltenes, unkondensiertes Gas an den Einlaß des Adsorbers gegeben wird
und aus dem Adsorber ein Leichtgasstrom mit hohem Reinheitsgrad abgeführt wird
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Teil des im Adsorber gewonnenen Leichtgasstromes dem Adsorber unter verringertem Druck als Regenerierungsstrom wieder zugeführt wird und der aus dem Adsorber austretende Regenerierungsstrom auf einen erhöhten Druck komprimiert und an den Einlaß der Tieftemperatur-Trenneinrichtung gegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch zuerst dem Adsorber zugeführt wird, wenn die Konzentration des leichten Gases im zugeführten Gas höher ist als im Regeneriergasstrom, der den Adsorber verläßt, aber zuerst der Tieftemperatur-Trenneinrichtung zugeführt wird, wenn das Umgekehrte der Fall ist.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Adsorber und einer Tieftemperatur-Trenneinrichtung, die über eine Leitung miteinander verbunden sind, die das unkondensierte Gas aus der Tieftemperatureinrichtung zum Einlaß des Adsorbers führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Adsorber ein Druckschwingadsorber (1) der Art ist, bei der das Adsorbens mit Hilfe eines Teils des gewonnenen Gases bei verringertem Druck regeneriert wird, und daß eine weitere, vom Adsorber (1) J,;ur Tieftemperatur-Trenneinrichtung (2) führende Leitung (3) vorgesehen ist, die den aus dem Adsorber erhaltenen Regeneriergasstrom über einen Kompressor zum Einlaß der Tieftemperatur-Trenneinrichtung (2) führt.
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