DE3879698T2

DE3879698T2 - Membrantrennsystem und -prozess.

Info

Publication number: DE3879698T2
Application number: DE8888116698T
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph Campbell; James Smolarek; Lente Timothy Scott Van
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1987-06-23
Filing date: 1988-10-07
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2008-10-08
Also published as: CA1322967C; GR3008223T3; CN1025656C; BR8805417A; US4787919A; EP0362436A1; ES2039016T3; DE3879698D1; CN1041885A; ATE87229T1; EP0362436B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft permeable Membrangastrennsysteme. Genauer betrifft sie die Verhinderung von Kondensation bei solchen Systemen.

Stand der Technik

Permeable Membrane, die selektiv eine Komponente einer Gasmischung permeieren können, werden in der Technik als ein zweckdienliches, potentiell höchst vorteilhaftes Mittel betrachtet, um erwünschte Gastrennungen zu erreichen. Um dieses Potential bei praktischen, kommerziellen Verfahren zu verwirklichen, müssen Membransysteme in der Lage sein, einen gewünschten Grad von Verfahrenseffizienz zu erzielen und aufrechtzuerhalten, ohne übermäßige Wartung oder unannehmbarer Abnahme der Membranlebensdauer, aufgrund von mit deren Verwendung verbundenen Umweltfaktoren.
Ein solcher Faktor betrifft die Kondensation von Bestandteilen des Einsatzgases an der Oberfläche der Membran. Solch eine Kondensation kann zu niedrigeren Permeationsraten, Korrosion, erhöhter Wartung und verminderter Lebensdauer der Membran führen. Außerdem kann Kondensation bei Membransystemen in manchen Fällen zu einer Kontamination der gewünschten Produktströme führen. Aufgrund solcher Kondensation wird daher allgemein mehr Membranoberfläche für ein gegebenes Gastrennvertähren gefordert. Infolgedessen sind sowohl die Kapitalkosten als auch die Wartungskosten höher als jene, die bei Membransystemen anfallen würden, die frei von Kondensationsproblemen sind.
Es ist daher wichtig, daß Anstrengungen in der Technik unternommen werden, um Kondensation in Membransystemen zu minimieren oder zu eliminieren. Ein Versuch, der zu diesem Zweck unternommen wurde, ist, die Zuleitung zu dem Membransystem zu überhitzen und die einzelnen Membranmoduln, die sich in einem Membransystem befinden, zu isolieren, um darin die Überhitzungsbedingungen aufrechtzuerhalten. Die Überhitzung wird typischerweise von externen Quellen, wie z.B. Dampf oder Elektroheizgeräten gespeist. Ein anderer Ansatz schließt das Vortrocknen des Einsatzstromes mittels eines adsorbierenden oder eines kühlenden Trockners auf eine Taupunktstempemperatur, die niedriger ist, als die Betriebstemperatur der Membran, ein.
Während solche Ansätze dazu dienen, Kondensation zu minimieren oder zu eliminieren, versteht sich, daß die mit diesen verbundenen Kapital- und Betriebskosten relativ hoch sind. So benötigen Vorheizungen typischerweise eine externe Energiequelle, und die Isolation für einzelne Membranbaugruppen ist relativ teuer und kann den Zugang zu der Membran zu Wartungszwecken erschweren. Trocknersysteme neigen ebenfalls dazu, teuer zu sein, sowohl bezüglich der Betriebskosten als auch bezüglich des Kapitalaufwandes.
Während somit Lösungen für das Kondensationsproblem bei Membransystemen entwickelt wurden, bleibt in der Technik die Notwendigkeit weiterer Verbesserung, wobei solch eine Entwicklung ein Minimieren oder Eliminieren der Kondensation bei verminderten Anfangskapitalkosten und niedrigeren Betriebs- und Wartungskosten, als jene, die mit den der bisherigen Techniken erzielt werden können, erlauben sollte. Solch eine Verbesserung in der Technik würde zu der technischen und wirtschaftlichen Eignung des Gebrauchs von permeablen Membransystemen bei einer großen Vielfalt von kommerziell bedeutsamen Gastrennverfahren beitragen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Membrantrennsystem und -verfahren zu schaffen, bei dem das Problem der Kondensation vermieden wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Membrantrennsystem und -verfahren zu schaffen, das verbesserte Mittel zum Eliminieren oder Minimieren der Kondensation von Bestandteilen des Einsatzgases auf Membranoberflächen beinhaltet.
Angesichts dieser und anderer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden detailliert beschrieben, wobei die neuartigen Merkmale derselben speziell in den angetügten Ansprüchen hervorgehoben werden.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem Aspekt derselben ein Gastrennsystem mit:
(a) einem permeablen Membransystem, das mindestens ein Membranmodul enthält, das ein selektives Permeieren einer leichter permeierbaren Komponente eines Einsatzgasstromes von einer weniger leicht permeietaren Komponente desselben erlaubt, wobei das System Mittel zum Überleiten des Einsatzgasstromes zu der Einsatzseite des Membranmoduls bei einem gewünschten Einsatzgasdruck und zum gesonderten Abführen der weniger leicht permeierbaren Komponente als Nicht-Permeatgas bei im wesentlichen dem Einsatzgasdruckpegel und der leichter permeierbaren Komponente als Permeatgas bei einem niedrigerem Druck aufweist und wobei das oder die Membranmodul(n) nicht einzeln für das Zuruckhalten von Wände im Modul isoliert ist (sind);
(b) einer Wärmeversorgungsanordnung, die in der Lage ist, dem Einsatzgasstrom ausreichend Wärme zuzutühren, um den Einsatzgasstrom auf eine Temperatur über der Sättigungstemperatur des Einsatzgases bei dem Einsatzgasdruck vor dem Überleiten des Einsatzgases zu dem permeablen Membransystem zu überhitzen;
(c) einer Ummantelung, die mindestens das Membransystem umgibt, wobei die Ummantelung isoliert ist, um den Wärmeverlust aus der Ummantelung derart zu steuern und/oder zu minimieren, daß jeder Wärmeverlust nicht größer als die von der Wärmeversorgungsanordnung angelieferte Wärme ist und Überhitzungsbedingungen mit Bezug auf den zu dem Membransystem übergeleiteten Einsatzgasstrom aufrechterhalten werden, wobei die Ummantelung so groß ist, daß Bedienungspersonal die Ummantelung zur Wartung des dort befindlichen Membransystems betreten kann,
wodurch eine Kondensation von Bestandteilen des Einsatzgasstromes innerhalb des Membransystems wirkungsvoll ausgeschlossen wird und/oder eine stabile, gleichmäßige Steuerung der Temperatur innerhalb des Membransystems mit vorteilhafter Flexibilität bezüglich der Änderung der Temperatur innerhalb des Systems aufrechterhalten werden kann, um einen effizienteren, optimalen Betrieb des Membransystems zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem weiteren Aspekt derselben ein Gastrennverfahren, bei dem:
(a) ein Einsatzgasstrom in eine isolierte Ummantelung eingeleitet wird, die den Wärmeverlust aus der Ummantelung derart steuern und/oder minimieren kann, daß für eine Überhitzungsumgebung für das Membransystem gesorgt wird, und die es Bedienungspersonal erlaubt, die Ummantelung zur Wartung des dort befindlichen Membransystems zu betreten;
(b) ausreichend Wärme zugeführt wird, um den Einsatzgasstrom auf eine Temperatur über der Sättigungstemperatur des Einsatzgases bei dem Einsatzgasdruck zu überhitzen, wobei die isolierte Ummantelung dazu dient, den Wärmeverlust aus der Ummantelung derart zu steuern und/oder zu minimieren, daß jeder Wärmeverlust nicht größer als die der isolierten Ummantelung zugelührte Wärme ist, so daß Überhitzungsbedingungen mit Bezug auf den Einsatzgasstrom innerhalb der isolierten Ummantelung aufrechterhalten werden;
(c) der so überhitzte Einsatzgasstrom einem innerhalb der isolierten Ummantelung angeordneten permeablen Membransystem zugeleitet wird, das mindestens ein Membranmodul enthält, das ein selektives Permeieren einer leichter permeierbaren Komponente des Einsatzgasstromes von einer weniger leicht permeierbaren Komponente desselben erlaubt, wobei das oder die Membranmodul(n) nicht einzeln für das Zurückhalten von Wärme im Modul isoliert ist (sind);
(d) die weniger leicht permeierbare Komponente von dem Membransystem und von der isolierten Ummantelung als Nicht-Permeatgas bei im wesentlichen dem Einsatzgasdruck abgeführt wird; und
(e) die leichter permeierbare Komponente von dem Membransystem und von der isolierten Ummantelung als Permeatgas bei einem niedrigeren Druck abgeführt wird,
wodurch eine Kondensation von Bestandteilen des Einsatzgasstromes innerhalb des Membransystems wirkungsvoll ausgeschlossen wird und/oder eine stabile, gleichmäßige Steuerung der Temperatur innerhalb des Membransystems aufrechterhalten werden kann, wobei eine vorteilhafte Flexibilität hinsichtlich der Änderung der Temperatur innerhalb des Systems erzielt wird, um einen effizienteren, optimalen Betrieb des Gastrennverfahrens zu erreichen.
Eine isolierte, erwärmte Ummantelung wird benutzt um das durch das in der Ummantelung befindliche Membransystem geleitete Einsatzgas mit Überhitzungswärme zu versorgen und/oder zu enthalten, wobei die Überhitzungswärme dazu dient, Kondensation an den Oberflächen des Membranmaterials zu vermeiden. Es ist nicht nötig, daß einzelne Membranmoduln erwärmt werden, oder daß das Einsatzgas vorerwärmt oder vorgetrocknet wird, bevor es durch das Membransystem geleitet wird. Wärme, die aus Kompressionsvorgängen des Einsatzgases wiedergewonnen wird, wird vorzugweise als die besagte Überhitzungswärme eingesetzt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ein schematisches Diagramm einer Ausführungsförm des Temperatursteuersystems der Erfindung ist, und
Fig. 2 ein schematisches Diagramm einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist, die für vorteilhafte Wärmewiedergewinnung und Temperatursteuerung sorgt.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung werden erreicht durch die Einrichtung eines Membransystems in dessen getrennter Ummantelung, die isoliert und erwärmt wird, um die gewünschte Überhitzung des Einsatzgases, das durch das Membransystem innerhalb der Ummantelung geleitet wird, aufrechtzuerhalten. Die einzelnen Membranmoduln weisen das besagte Membransystem auf und benötigen somit keine eigene Isolation. Bei der Anwendung der Erfindung werden die Kapital- und Betriebskosten für die Kondensationssteuerung vermindert. Außerdem wird eine verbesserte Flexibilität bezüglich der Steuerung der Betriebstemperaturen und bezüglich des Erzielens einer Verfahrensoptimierung erreicht.
Es versteht sich, daß die Erfindung auf jede gewünschte Membranstruktur anwendbar ist, die selektives Perineieren einer leichter permeierbaren Komponente einer Einsatzgasmischung erlaubt, die die besagte Komponente und eine weniger leicht permeierbare Komponente enthält. Somit können Verbundmembranen oder asymmetrische Membranen oder jede andere Form von Membranstruktur eingesetzt werden. Verbundmembranen weisen generell eine dünne Trennschicht oder einen Überzug eines geeigneten permeablen Membranmaterials auf, das auf einem porösen Substrat aufgebracht ist, wobei die Trennschicht die Trenncharakteristika der Verbundstruktur bestimmt. Andererseits sind asymmetrische Membranen im wesentlichen aus einem einzigen permeablen Membranmatenal aufgebaut, das eine dünne. dichte, semipermeable Haut aufweist, die die Trenncharakteristika der Membran bestimmt, und einen weniger dichten, porösen, nicht selektiven Trägerbereich, der dazu dient, ein Zusammenfallen des dünnen Hautbereiches bei Druckbeaufschlagung zu verhindern. Solche Membranstrukturen können in einer Vielfalt von Formen hergestellt werden, wie z.B. spiralförmig gewunden, als Hohlfaser, als flache Schicht und ähnliches.
Für den Gebrauch bei praktischen, kommerziellen Vertähren werden solche Membransysteme gewöhnlich in Membranbaugruppen eingesetzt die typischerweise in Ummantelungen untergebracht sind, um ein Membranmodul zu bilden, das ein Hauptelement eines Gesamtmembransystems aufweist. Unter Bezugnahme auf die Erfindung weist ein Membransystem, wie hier verwendet, ein Membranmodul oder eine Anzahl von solchen Moduln auf, die entweder für einen Parallel- oder einen Serienbetrieb angeordnet sind. Wie oben angedeutet, ist das Membransystem von einer getrennten, isolierten Ummantelung umgeben, die erwärmt wird, um Überhitzungsbedingungen aufrechtzuerhalten, wobei die einzelnen Moduln im System keine eigene Isolation wie bei früheren Verfahren der Technik benötigen. Die Membranmoduln können in Form von spiralförmig gewundenen Patronen, Hohlfaserbündeln, gefalteten flachen Schichtmembranbaugruppen und anderen solchen Baugruppen, die in der Membranindustrie üblich sind, konstruiert werden. Das Membranmodul ist so konstruiert, das es eine Einsatzoberflächenseite und eine gegenüberliegende Permeatausgangsseite aufweist. Bei konventionellen Moduln ist der Ummantelungsteil derselben so gebaut, daß er ein Inkontaktbringen der Einsatzstrommischung mit der Einsatzflächenseite der Membran gestattet. Leitungsanordnungen sind vorgesehen, um den Nicht-Permeatteil des Einsatzstromes abzuflihren, und um getrennt das Permeatgas abzuführen, das die Membran passiert hat.
Während eine große Vielfalt von praktischen Gastrennverfahren anfällig für unerwünschte Kondensationsprobleme ist, wird die Natur des Problems und der Bedarf für ein verbessertes Verfahren und System zum Aufrechterhalten einer überhitzten Umgebung stabiler Temperatur für einen optimalen Betrieb von Gastrennmembransystemen hier bezüglich Lufttrennung zur Erzeugung von mit Stickstoff angereichertem Produktgas demonstriert. Bei solchen Lufttrennverfahren gibt es einen Verlust der Membranpermeabilität, d.h. einen Verlust bezüglich der Permeationsrate, wenn die relative Feuchtigkeit der Luft erhöht wird. Falls andererseits das Einsatzgas erwärmt wird, um dessen relative Feuchtigkeit zu vermindern, wird die Permeationsrate für die leichter permeierbare Sauerstoftkomponente der Luft erhöht. Wenn die Permeationsrate erhöht wird, versteht sich, daß weniger Membranoberfläche für eine gegebene Gastrennung benötigt wird, z.B. Sauerstoff von Stickstoff bei besagtem Fall von Gastrennung. Somit wird das Einsatzgas mehr überhitzt, wenn es auf eine Temperatur über dessen Taupunktstemperatur erwärmt wird, wobei der verfügbare Flächenbedarf der Membranoberfläche für das spezielle Membransystem und somit die mit dem Gastrennverfahren verbundenen Kapitalkosten vermindert werden können.
Verschiedene andere Probleme können durch die Bildung von Wasser oder anderen Kondensaten in der Membranbaugruppe verursacht werden. Somit kann Korrosion zu einem Hauptproblem werden, wodurch zusätzliche Anfangskapitalausgaben für die Konstruktion von Materialien, die solcher Korrosion standhalten, und/oder erhöhte Wartungskosten benötigt werden. Außerdem kann sich das gebildete Kondensat eventuell in den Produktgasstrom übertragen und somit das Produkt kontaminieren. Im Falle der Lufttrennung könnte Wasser im Membranmodul kondensieren und in den Nicht-Permeat-, Stickstoffproduktstrom getragen werden. Wasserdampf ist jedoch hoch permeierbar. Falls er überhitzt wird, würde er normalerweise durch die Membran permeieren und aus dem System mit anderen Permeatabfallprodukten, d.h. dem sauerstoffangereicherten Permeatgasstrom bei typischen Lufttrennverfahren austreten.
Zusätzlich zu solchen Effekten relativ hoher Feuchtigkeit und Kondensation auf die Leistung der Membran, hat auch die Betriebstemperatur der Membran eine wesentliche Wirkung auf die Leistung der Membran. Die Kapazität eines Membransystems pro Flächeneinheit der Membranoberfläche und die Kapazität pro Einheit Einsatzgas variieren daher beträchtlich mit der Betriebstemperatur. Wenn die Temperatur steigt, steigt die Kapazität pro Flächeneinheit, jedoch nimmt die Kapazität pro Einheit Einsatzgas ab. Infolgedessen kann mehr Produktgas für eine gegebene Membranfläche bei höheren Betriebstemperaturen erzeugt werden, jedoch wird proportional mehr Einsatzgas unter solchen Bedingungen höherer Temperatur benötigt. Solch ein Anstieg des Bedarfs an Einsatzgas bedeutet notwendigerweise, daß ein größerer Luftkompressor benötigt wird, und größere Mengen Strom verbraucht werden. Bei niedrigeren Betriebstemperaturen tritt der umgekehrte Effekt auf, und die Anforderungen bezüglich Kompressor und Strom sind geringer, jedoch wird eine größerer Menge von Membranfläche für ein gegebenes Gastrennverfahren benötigt.
Bei gebührender Erwägung solcher Temperatureffekte ist es natürlich höchst wünschenswert, daß die Gestaltung des Membransystems für eine spezielle Betriebstemperatur bezüglich der Oberfläche und den Einsatzgasanforderungen optimiert wird. Wenn ein Membransystem einmal entworfen ist, ist es wichtig, das System während gewöhnlichen kommerziellen Verfahren bei der Temperatur, für die es entworfen wurde, halten zu können. Es ist auch wünschenswert, die Möglichkeit einer Änderung der Betriebstemperatur des Systems zu haben, um besser die Anforderungen bezüglich Produktion und/oder Reinheit während Zeiten veringerter Nachfrage, d.h. während eines Herunterführens von den Entwurfsbedingungen zu befriedigen. Die Anwendung der Erfindung schafft eine wünschenswerte Flexibilität bei der Abänderung der Betriebstemperatur zwischen der Entwurfstemperatur und der gewünschten Temperatur bei verschiedenen herabgesetzten Bedingungen, oder zwischen einer herabgesetzten Temperatur und einer anderen, oder sogar zwischen solchen Temperaturen und Temperaturen, die die besagte Entwurfstemperatur übersteigen. Wie es sich aus dieser Offenbarung versteht, schafft die Erfindung ein zweckmäßiges, billiges, effizientes Mittel zur Bereitstellung einer konstanten, stabilen, flexiblen Überhitzungsumgebung für Gastrennung mittels permeabler Membransysteme.
Für die Zwecke der Erfindung wird eine billige Ummantelung oder Umbauung über das Meinbransystem, das typischerweise eine Anzahl von Membranmoduln aufweist, eingerichtet. Die Ummantelung ist unter Verwendung von typischem B aukonstruktions-Isolationsmaterial, wie z.B. 8 mm oder 15 mm (3" oder 6") von R-11 oder einem anderen typischen Fiberglas oder einem anderen geeigneten Isolationsmaterial isoliert. Die Ummantelung versteht sich als groß genug, um Bedienungspersonal ein Betreten der Ummantelung zur Wartung des darin befindlichen Membransystems zu erlauben. Die Ummantelung kann aus Bandmaterial oder einem anderen geeigneten Material gefertigt und mit einer solchen Isolation ausgekleidet sein. Verschiedene geeignete Sicherheitseinrichtungen werden auch als ein Teil der Ummantelungskonstruktion eingeschlossen, wie z.B. Lüftungen, Ventilatoren, Schnüffelanschlüsse und ähnliches. Zur Einfachheit der Benutzung wird die Ummantelung mit geeigneten Türen oder ähnlichen Anordnungen versehen, um das Einrichten und Warten des darin befindlichen Membransystems zu erleichtern.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnungen wird die Erfindung weiter beschrieben bezüglich einer isolierten Ummantelung, die von einer externen Wärmequelle, wie z.B. Dampf-, Gas- oder Elektroheizgeräten, beheizt wird. Bei dieser Ausführungsform wird Einsatzgas in einer Leitung 1 zu einem geeigneten Kompressor 2 gebracht, um dort auf einen gewünschten Einsatzgasdruck komprimiert zu werden. Das komprimierte Einsatzgas wird dann in einer Leitung 3 zu einer geeigneten Gaskühlzone 4 konventionellen Aufbaus gebracht, um unter den Entwurfspegel der Betriebstemperatur des Membransystems zu kühlen. Bei der Kühlung wird das Einsatzgas typischerweise übersättigt, d.h. es wird mit kondensierbarem Dampfbestandteilen desselben gesättigt, und es wird auch freie Flüssigkeitströpfchen enthalten. Somit wird ein Einsatzluftstrom, hier für ein Lufttrennverfähren, typischerweise kompnmierte Luft bei einer Temperatur unterhalb der Entwurfsbetriebstemperatur zusammen mit Wassertröpfchen aufweisen. Das Einsatzgas wird von besagter Kühlzone 4 in einer Leitung 5 zu einer konventionellen Wassertrennzone 6 jedes gewünschten Typs gebracht, um alle freien Wasser- oder andere Flüssigkeitströpfchen zu entfernen, die im Einsatzgasstrom anwesend sind. Abgetrennte Flüssigkeit wird von der Trennzone 6 durch eine Leitung 7 abgeführt, während das Einsatzgas von der Trennzone 6 durch eine Leitung 8 abgeführt wird. An diesem Punkt ist der komprimierte, gekühlte Einsatzgasstrom typischerweise bei dem speziellen Betriebsdruck mit den besagten, kondensierbaren Dampfbestandteilen desselben gesättigt z.B. ein mit Wasserdampf gesättigter Einsatzgasstrom. Der Einsatzgasstrom strömt durch Leitung 8 in eine erwärmte, isolierte Ummantelung 9 der Erfindung. Die Isolationsschicht der besagten Ummantelung wird allgemein durch die Nummer 10 repräsentiert; die Türen, Lüftungen, Ventilatoren, Schnüffelanschlüsse zur Erfassung von Gasleckagen und ähnliches sind in dieser Zeichnung nicht gezeigt. Die isolierte Ummantelung 9 wird in dem anschaulichen Beispiel mittels einer Heizanordnung 11 beheizt, die innerhalb der Ummantelung angeordnet ist, und die ihre Wärme von einer externen Anordnung erhält, welche allgemein durch die Nummer 12 repräsentiert wird.
Das Einsatzgas wird in besagter Leitung 8 zu einem permeablen Membransystem 13 innerhalb der beheizten, isolierten Ummantelung 9 gebracht, um das Einsatzgas in die einzelnen Membranmoduln (nicht gezeigt) strömen zu lassen, die das besagte System in jedem gewünschten Serien- und/oder Parallelströmungsbad aufweisen. Die leichter permeierbare(n) Komponente(n) der Einsatzgasmischung treten durch das permeable Membranmaterial in den Meinbranmoduln, um an der Permeataustrittseite des Membransystems durch eine Leitung 14 abgeführt zu werden. Die weniger leicht permeierbaren Komponenten der Einsatzgasmischung werden von den Membranmoduln an der Einsatzflächen- oder Nicht-Permeatseite derselben entfernt, um von dem Membransystem 13 durch eine Leitung 15 abgeführt zu werden.
Fachleuten versteht sich, daß das Einsatzgas innerhalb der isolierten Ummantelung 9 auf eine Überhitzungstemperatur erwärmt werden muß, d.h. auf eine Temperatur oberhalb der Sättigungstemperatur des Einsatzgases bei dem Betriebsdruck des Membrantrennverfahrens. Zu diesem Zweck muß die zugeführte Wärmemenge ausreichend sein, das Einsatzgas zu überhitzen und Wärmeverluste von der isolierten Ummantelung zu kompensieren. Der Betrag der Überhitzungstemperatur des Einsatzgases sollte mindestens 1,7 ºC (3 ºF) und vorzugsweise 2,8 ºC (5 ºF) betragen, um gegen unerwünschte Kondensation vorzusorgen. Die Wärmezugabe kann in die Umgebung innerhalb der isolierten Ummantelung 9 mittels der Heizanordnung 11 oder direkt zum Einsatzgas erfölgen, wie unten beschrieben.
Es wurde festgestellt, daß die Anwendung der Erfindung eine Reihe von wesentlichen Vorteilen gegenüber dem oben beschriebenen Stand der Technik schafft. So können die Kapitalkosten des Gesamtsystems im Vergleich zum Ansatz des Standes der Technik vermindert werden, bei welchem Einsatzgas direkt überhitzt wird und die einzelnen Membranmoduln, z.B.: Bündel einzeln isoliert sind, und die gewünschten Überhitzungsbedingungen aufrechtzuhalten. Dies ist speziell dann der Fall, wenn Mehrfachmembranmodulsysteme eingesetzt werden. Außerdem wird der Wartungszugang zu den Moduln bei der Anwendung der Erfindung, bei der die Moduln nicht einzeln isoliert sind, verbessert im Vergleich zu der bekannten Anwendung von individueller Membranmodulisolation.
Es wurde auch festgestellt, daß ein gleichmäßigerer, stabiler Temperaturzustand im Gesamtmembransystem unter Verwendung des Ansatzes mit der erwärmten, isolierten Ummantelung der Erfindung aufrecht erhalten werden kann, als im Falle eines Gebrauchs des bekannten Ansatzes. Auch zeigte sich die Betriebstemperatur des Membransystems durch Änderung der Gesamttemperatur innerhalb der Ummantelung als leichter einstellbar im Gegensatz zu dem bekannten Ansatz mit direkter Erwärmung des Einsatzgases und individueller Modulisolation. Somit erlauben das Verlähren und das System der Erfindung das Erreichen einer wunschenswert größeren Flexibilität, als bisher bei der Optimierung von Membransystemen unter verschiedenen Betriebsbedingungen erreicht wurde.
Die Vorteile der Erfindung kommen immer dann zur Geltung, wenn das Membransystemverfahren zur Gastrennung nachteilig durch die Kondensation von Bestandteilen des verarbeiteten Einsatzgasstromes beeinflußt wird. Die Erfindung kann auch immer dann vorteilhaft angewendet werden, wenn das Membransystem temperaturgesteuert sein muß, um das Gesamtverfahren / den Membransystembetrieb zu optimieren. Die Vorteile der Erfindung werden weiter bei Ausführungsformen wie den unten beschriebenen verbessert, wenn der Energiebedarf des Gastrennverfahrens durch Wiedergewinnung von Wärme aus dem Gesamtgastrennsystem vorteilhaft vermindert werden kann.
Unter Bezugnahme auf Fig. 2 der Zeichnungen, ist zu sehen, daß die dort veranschaulichte bevorzugte Ausführungsform die isolierte Ummantelung, wie sie oben beschrieben und bei der Ausführungsform von Fig. 1 veranschaulicht wurde, benutzt. Anstelle eines Einsatzes einer externen Heizanordnung zum Erreichen und Aufrechterhalten der gewünschten Überhitzungsbedingungen innerhalb der isolierten Ummantelung wird jedoch Wärme aus dem Gesamtgastrennsystem selbst wiedergewonnen, und diese wiedergewonnene Wärme wird dazu benutzt, Überhitzungsbedingungen innerhalb des Membransystems zu erreichen, vorzugsweise durch die direkte Erwärmung des Einsatzgases innerhalb der isolierten Ummantelung. Daher wird Einsatzgas aus einer Leitung 21 zu einem ölberieselten Schraubenkompressor 22 geleitet, von dem komprimiertes Einsatzgas in einer Leitung 23 zu einem konventionellen Ölabscheider 24 gebracht wird. Der so behandelte Einsatzgasstrom wird dann in einer Leitung 25 zu einer Nachkühleinheit 26 gebracht und in einer Leitung 27 zu einem konventionellen Flüssigkeits-, z.B. Wasserabscheider 28. Kondensiertes Wasser oder andere Flüssigkeit wird von dem besagten Abscheider durch eine Leitung 29 abgeführt. Der Einsatzgasstrom wird dann durch eine Leitung 30 geleitet und tritt in eine isolierte Ummantelung 31 gemäß der Erfindung. Die Isolation, mit der die besagte Ummantelung isoliert ist, wird allgemein durch die Nummer 32 repräsentiert.
Nach Eintritt in die isolierte Ummantelung 31, die so ausgelegt ist, daß sie den Wärmeverlust steuert und/oder minimiert, wird das Einsatzgas in Leitung 30 zu einer koaleszierenden Filterzone 33 geleitet, in der jegliche im Einsatzgas vorhandenen verbleibenden Öltröpfchen vom Einsatzgas getrennt werden, um durch eine Leitung 34 entfernt zu werden. Von besagter Zone 33 wird das Einsatzgas in einer Leitung 35 einer Wärmetauscherzone 36, z.B. Mantel- und Rohrwärmeaustauscher zugeführt, wo das Einsatzgas mittels heißem Öl von dem Einsatzgaskompressor 22 erwärmt wird. Die Ausgangstemperatur des Gases wird zweckmäßig durch die Steuerung der durch die besagte Wärmetauscherzone 36 geleiteten Ölmenge gesteuert. Der Grad der gewünschten Überhitzungswärme ist daher leicht einstellbar, um sich verschiedenen Taupunktsbedingungen oder anderen Faktoren anzupassen, die eine bestimme Gastrennungsanwendung betreffen. Wie zuvor erwähnt, wird das Einsatzgas in jedem Fall auf eine Temperatur oberhalb der Sättigungstemperatur des Einsatzgases bei dem gewünschten Betriebsdruck überhitzt.
Nach dem Überhitzen in besagter Zone 36 wird das Einsatzgas durch eine Leitung 37 zu den Membranmoduln eines permeablen Membransystems 38 innerhalb der isolierten Ummantelung 31 gebracht, wobei der Durchtritt durch diese in Serien- oder Paralleldurchflußmustern bezüglich der einzelnen, im System enthaltenen Moduln erfolgt. Wie aus dem Obigen ersichtlich ist, sind die Moduln, z.B. Hohlfaserbündel nicht einzeln isoliert. Die weniger leicht permeierbare Komponente der Einsatzgasmischung wird dem Meinbransystem 38 bei im wesentlichen dem Einsatzgasdruck entzogen, während nichtpermeierbares Gas auf der Einsatzseite des Systems durch eine Leitung 39 entzogen wird. Die leichter permeierbare Komponente des Einsatzgases wird getrennt bei einem niedrigeren Druck entzogen, als Permeatgas auf der Permeatseite des Systems durch eine Leitung 40.
Es versteht sich, daß Öl, das von dem komprimierten Einsatzgas in dem Ölabscheider 24 abgeschieden wurde, durch eine Leitung 41 zu dem besagten ölberieselten Schraubenkompressor 22 geleitet werden kann. Die mit dem Gebrauch des besagten Kompressors 22 verbundene Kompressionswärme wird bei dieser bevorzugten Ausführungsform wiedergewonnen und anstelle von oder zusätzlich zu externen Wärmequellen, wie jene, die unter Bezugnahme auf die veranschaulichte Ausführungsform von Fig. 1 gezeigt wurden, genutzt. Aus diesem Grund ist eine externe Wärmequelle in Fig. 2 nicht gezeigt, obwohl es sich versteht, daß solch eine externe Wärmequelle auch zusammen mit dem vorteilhaften Gebrauch der innerhalb des Systems wiedergewonnenen Kompressionswärme eingesetzt werden kann.
Um die Kompressionswärme von Kompressor 22 abzuführen, wird erwärmtes Öl von dem besagten Kompressor in einer Leitung 42 zu einem Ölkühler 43 gebracht, von dem gekühkes Öl durch eine Leitung 44 zum Kompressor zurückgeführt wird. Zu den Zwecken der Wärmebenutzung der Erfindung kann ein Teil des Öles in Leitung 42 unter Umgehung des besagten Ölkühlers 43 durch eine Leitung 45 abgezweigt werden, um durch den besagten Wändetauscher 36 außerhalb oder innerhalb der isolierten Ummantelung 31 zu fließen. Gekühltes Öl, das den Tauscher verläßt fließt durch eine Leitung 46, um sich mit dem gekühlten Öl in Leitung 44 zu vereinigen und zu dem Kompressor 22 zurückzukehren. Die wünschenswerte Sieuerung der Betriebstemperatur kann bei dieser Ausführungsform einfach durch den Gebrauch eines geeigneten Steuerventils 47 erreicht werden, das sich in der Nebenleitung 48 befindet, um die Menge von erwärmten Öl zu steuern, das durch den Wärmetauscher 36 fließen soll, wobei das verbleibende Öl durch die besagte Leitung 48 fließt, um sich mit dem gekühlten Öl in Leitung 46 zu vereinigen, das dem Wärmetauscher rückgeführt wird. Es versteht sich, daß das Steuerventil 47 betrieben werden kann, indem es auf eine geeignete Temperaturmeßanordnung antwortet, wie z.B. die Meßanordnung 49 in besagter Leitung 37, die zu dem Membransystem 38 führt, wobei die Nummer 50 eine konventionelle Verbindungsanordnung zwischen dem besagten Temperaturmesser 49 und dem Steuerventil 47 bezeichnet.
Fachleuten versteht sich, daß verschiedene Veränderungen und Modifikationen bei den Details der Erfindung vorgenommen werden können, ohne sich vom Rahmen der Erfindung zu entfernen, wie er in den anhängenden Ansprüchen dargelegt wird. Bei der Anwendung zur Lufttrennung, auf die oben Bezug genommen wurde, ist es üblich ein permeables Membranmaterial zu benutzen, das von Sauerstoff als der leichter permeierbaren Komponente des Einsatzluftstromes permeiert werden kann. Stickstoff bildet somit die weniger leicht permeierbare Komponente des Einsatzluftstromes, und ein stickstoffreicher Produktstrom würde falls erwünscht als der Nicht-Permeatstrom mit dem Permeatgas, das den restlichen Sauerstoff-Stickstoffstrom aufweist, der verglichen mit dem Einsatzgasstrom sauerstoffangereichert ist, wiedergewonnen werden Bei anderen Anwendungen der Erfindung wäre es möglich, ein permeables Membranmaterial zu benutzen, das die entgegengesetzten Permeationsmerkmale aufweist, so daß z.B.: bei der Lufttrennungsanwendung die permeable Membran eher Stickstoff als Sauerstoff als die leichter permeierbare Komponente des Einsatzluftstromes permeieren würde. Fachleuten versteht sich, daß das verbesserte Membrantrennsystem und -verfahren der Erfindung generell anwendbar auf jedes gewünschte Gastrennverfahren ist, bei welchem Kondensation von Bestandteilen des Einsatzgases ein Problem darstellt, das günstigerweise überwunden werden sollte, und/oder auf Verfahren, bei welchen es anderweitig nötig oder wünschenswert wäre, eine überhitzte, konstante, stabile Temperaturuingebung mit einer günstigen Temperatursteuermöglichkeit zu erreichen, die über jene hinausgeht, die einzeln isolierte Membranmoduln benutzt. Die Reinigung von Wasserstoff aus einem Abgas, das auch Methan, Ethan oder andere Kohlenwasserstoffe enthält ist ein Beispiel einer solchen Gastrennungsanwendung, wie auch die Rückgewinnung von Wasserstoff aus einem Ammoniakspülgas und Kohlendioxid- und Methantrennungen.
Wie oben angedeutet können die permeablen Membrane, die die Membransysteme innerhalb der isolierten Ummantelung der Erfindung aufweisen, in jeder gewünschten Form vorliegen, wobei Hohlfäsermembranen allgemein bevorzugt werden. Es versteht sich, daß das bei einer speziellen Gastrennungsanwendung eingesetzte Membranmaterial jedes geeignete Material sein kann, das selektiv eine leichter permeietare Komponente einer Gas- oder Flüssigkeitsmischung, die eine weniger leicht permeierbare Komponente enthält, permeieren kann. Zellulosederivate, wie z.B. Zelluloseacetat, Zelluloseazetatbutyrat und ähnliches; Polyamide und Polyimide, einschließlich Arylpolyamide und Arylpolyimide; Polysulfone; Polystyrole und ähnliches sind repräsentative Beispiele solcher Materialien. Es versteht sich in der Technik, daß zahlreiche andere permeable Membranmaterialien in der Technik bekannt und geeignet für den Gebrauch bei einer großen Vielfalt von Trennverfahren sind. Wie angemerkt, können die Membranen, wie sie bei der Anwendung der Erfindung eingesetzt werden, in Verbundmembranform, in asymmetrischer Form oder in jeder solchen Form vorliegen, die geeignet und wirksam für die spezielle ausgeführte Gastrennung unter Anwendung des Systems und Verfahrens der Erfindung ist.
Durch die wirkungsvolle und zweckdienliche Überwindung der Kondensationsprobleme, auf die man bei praktischen, kommerziellen Verfahren trifft, schafft die Erfindung somit einen höchst wünschenswerten Fortschritt in der Membrantechnik, soweit sie Gastrennverfahren betrifft. Die Erfindung schafft auch eine höchst wünschenswerte Anordnung zum Einrichten einer konstanten, stabilen Temperaturumgebung, die weiter die Effizienz des Membransystems und -verfahrens zur Gastrennung verbessert, und somit permeablen Membranen erlaubt, wirkungsvoller den Bedürfnissen für praktische und zweckdienliche Mittel zur Durchführung von Gastrennungen auf einer praktischen, kommerziellen Basis zu dienen.

Claims

1.Gastrennsystem mit:

(a) einem permeablen Membransystem (13, 38), das mindestens einen Membranmodul enthält, der ein selektives Permeieren einer leichter permeierbaren Komponente eines Einsatzgasstromes von einer weniger leicht permeierbaren Komponente desselben erlaubt, wobei das System Mittel zum Überleiten des Einsatzgasstromes zu der Einsatzseite des Membranmoduls bei dem gewünschten Einsatzgasdruck und zum gesonderten Abführen der weniger leicht permeierbaren Komponente als Nicht-Permeatgas bei im wesentlichen dem Einsatzgasdruckpegel und der leichter permeierbaren Komponente als Permeatgas bei einem niedrigerem Druck aufweist und wobei der oder die Membranmodul(n) nicht einzeln für das Zurückhalten von Wärme im Modul isoliert ist (sind);

(b) einer Wärmeversorgungsanordnung (11, 12; 22, 36), die in der Lage ist, dem Einsatzgasstrom ausreichend Wärme zuzuführen, um den Einsatzgasstrom auf eine Temperatur über der Sättigungstemperatur des Einsatzgases bei dem Einsatzgasdruck vor dem Überleiten des Einsatzgases zu dem permeablen Membransystem (13, 38) zu überhitzen;

(c) dadurch gekennzeichnet, daß eine Ummantelung (9, 31) mindestens das Membran-System (13, 38) umgibt, wobei die Ummantelung isoliert ist, um den Wärmeverlust aus der Ummantelung derart zu steuern und/oder zu minimieren, daß jeder Wärmeverlust nicht größer als die von der Wärmeversorgungsanordnung angelieferte Wärme ist und Überhitzungsbedingungen mit Bezug auf den zu dem Membran-System übergeleiteten Einsatzgasstrom aufrecht erhalten werden, wobei die Ummantelung so groß ist, daß Bedienungspersonal die Ummantelung zur Wartung des dort befindlichen Membransystems betreten kann,

wodurch eine Kondensation von Bestandteilen des Einsatzgasstromes innerhalb des Membransystems wirkungsvoll ausgeschlossen wird und/oder eine stabile, gleichmäßige Steuerung der Temperatur innerhalb des Membransystems aufrechterhalten werden kann, um einen effizienten, optimalen Betrieb des Membransystems zu erreichen.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Wärmeversorgungsanordnung (11, 12) Mittel (11) aufweist, um der isolierten Ummantelung (9) bezüglich der Gastrennoperation externe Wärme zuzuführen.

3. System nach Anspruch 2, bei dem die Wärmeversorgungsanordnung (11, 12) eine innerhalb der isolierten Ummantelung angeordnete elektrische Heizeinrichtung aufweist.

4. System nach Anspruch 2, bei dem die Wärmeversorgungsanordnung (11, 12) Dampf aufweist, der in die isolierte Ummantelung eingeleitet wird.

5. System nach Anspruch 1 mit einer Anordnung (22) zum Verdichten des Einsatzgasstromes auf den gewünschten Druckpegel zum Überleiten zu der Wärmeversorgungsanord nung (36) und zu dem Membransystem (38), wobei die Wärmeversorgungsanordnung (36) außerhalb oder innerhalb der isolierten Ummantelung angeordnet ist.

6. System nach Anspruch 2 mit einer Verdichteranordnung (22) zum Verdichten des Einsatzgasstromes auf den gewünschten Druckpegel zum Überleiten zu einer weiteren Wärmeversorgungsanordnung (36) und zu dem Membransystem (38).

7. System nach Anspruch 5 oder 6 mit einer Einrichtung (26,28) zum Kühlen des verdichteten Einsatzgases und zum Beseitigen von Flüssigkeitströpfchen aus diesem Gas, so daß das Einsatzgas bei dem gewünschten Druckpegel im wesentlichen gesättigt ist, wenn es zu der Wärmeversorgungsanordnung (36) und zu dem Membransystem (38) übergeleitet wird.

8. System nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei dem die das verdichtete Einsatzgas aufnehmende Wärmeversorgungsanordnung (36) eine Wärmetauscheranordnung zum Beaufschlagen des Einsatzgasstromes mit Wärme innerhalb der isolierten Ummantelung (31) aufweist.

9. System nach Anspruch 8, bei dem die Wärmetauscheranordnung (36) Wärme unmittelbar an den Einsatzgasstrom abgeben kann.

10. System nach Anspruch 9 mit einer Anordnung zum Rückgewinnen der Verdichtungswärme, die beim Verdichten des Einsatzgasstromes erzeugt wird, und zum Überleiten dieser Wärme an die das verdichtete Einsatzgas aufnehmende Wärmetauscheranordnung (36).

11. System nach Anspruch 10, bei dem die Verdichteranordnung (22) eine mit Öl überflutete Verdichteranordnung aufweist und bei dem eine Leitungsanordnung (42, 45) vorgesehen ist, um in der Verdichteranordnung erhitztes Öl zu der Wärmetauscheranordnung (36) zu leiten.

12. System nach Anspruch 11 mit einer Steuer- oder Regelanordnung (40, 49, 50) zum Einstellen der der Wärmetauscheranordnung zugeführten Menge an erhitztem Öl.

13. Gastrennverfahren, bei dem:

(a) ein Einsatzgasstrom in eine isolierte Ummantelung eingeleitet wird, die den Wärmeverlust aus der Ummantelung derart steuern und/oder minimieren kann, daß für eine Überhitzungsumgebung für das Membransystem gesorgt wird, und die es Bedienungspersonal erlaubt, die Ummantelung zur Wartung des dort befindlichen Membransystems zu betreten;

(b) ausreichend Wärme zugeführt wird, um den Einsatzgasstrom auf eine Temperatur über der Sättigungstemperatur des Einsatzgases bei dem Einsatzgasdruck zu überhitzen, wobei die isolierte Ummantelung dazu dient, den Wärmeverlust aus der Ummantelung derart zu steuern und/oder zu minimieren, daß jeder Wärmeverlust nicht größer als die der isolierten Ummantelung zugeführte Wärme ist, so daß Überhitzungsbedingungen mit Bezug auf den Einsatzgasstrom innerhalb der isolierten Ummantelung aufrecht erhalten werden;

(c) der so überhitzte Einsatzgasstrom einem innerhalb der isolierten Ummantelung angeordneten permeablen Membransystem zugeleitet wird, das mindestens einen Membranmodul enthält, der ein selektives Permeieren einer leichter permeierbaren Komponente des Einsatzgasstromes von einer weniger leicht permeierbaren Komponente desselben erlaubt, wobei der oder die Membranmodul(n) nicht einzeln für das Zurückhalten von Wärme im Modul isoliert ist (sind);

(d) die weniger leicht permeierbare Komponente von dem Membransystem und von der isolierten Ummantelung als Nicht-Permeatgas bei im wesentlichen dem Einsatzgasdruck abgeführt wird; und

(e) die leichter permeierbare Komponente von dem Membransystem und von der isolierten Ummantelung als Permeatgas bei einem niedrigeren Druck abgeführt wird,

wodurch eine Kondensation von Bestandteilen des Einsatzgasstromes innerhalb des Membransystems wirkungsvoll ausgeschlossen wird und/oder eine stabile, gleichmäßige Steuerung der Temperatur innerhalb des Membransystems aufrechterhalten werden kann, wobei eine vorteilhafte Flexibilität hinsichtlich der Änderung der Temperatur innerhalb des Systems erzielt wird, um einen effizienteren, optimalen Betrieb des Gastrennverfahrens zu erreichen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Wärme innerhalb der isolierten Ummantelung zugeführt wird, indem in die isolierte Ummantelung Wärme eingeleitet wird, die extern mit Bezug auf den Gastrennprozess ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Wärme zugeführt wird, indem eine elektrische Heizeinrichtung innerhalb der isolierten Ummantelung angeordnet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Wärme zugeführt wird, indem Dampf in die isolierte Ummantelung eingeleitet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem der Einsatzgasstrom auf den gewünschten Druckpegel zum Einführen in die isolierte Ummantelung verdichtet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem das verdichtete Einsatzgas gekühlt wird und Flüssigkeitströpfchen von dem Gas abgeführt werden, so daß das Einsatzgas nach dem Überleiten zu der isolierten Ummantelung bei dem gewünschten Druckpegel im wesentlichen gesättigt ist

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem die Wärme zum Überhitzen des Einsatzgasstromes innerhalb der isolierten Ummantelung durch eine Wärmeaustauscheranordnung geliefert wird, die außerhalb oder innerhalb der isolierten Ummantelung angeordnet ist.

20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die Wärmetauscheranordnung Wärme unmittelbar dem Einsatzgasstrom zuführen kann.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem die Wärme, die dem Einsatzgas mittels der Wärmetauscheranordnung zugeführt wird, Wärme einschließt, die aus der Verdichtungswärme zurückgewonnen wird, die beim Verdichten des Einsatzgasstromes erzeugt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem das Einsatzgas unter Verwendung eines mit Öl überfluteten Verdichters verdichtet wird und das erhitzte Öl von dem Verdichter zu der Wärmetauscheranordnung geleitet wird, um die zum Überhitzen des Einsatzgases erforderliche Wärme bereitzustellen.

23. Verfahren nach Anspruch 22, bei dem zusätzliche Wärme der isolierten Ummantelung zugeführt wird, wobei diese zusätzliche Wärme Wärme einschließt, die extern mit Bezug auf das Gastrennverfahren ist.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 23, bei dem das Einsatzgas Luft aufweist, die weniger leicht permeierbare Komponente Stickstoff aufweist und die leichter permeierbare Komponente Sauerstoff aufweist.