DE4324526A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Reinigung und Zerlegung eines Gasgemisches - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reinigung oder Zerle­ gung eines Einsatzgasstromes unter Verwendung einer aus min­ destens zwei zyklisch vertauschbaren Adsorbern bestehenden Druckwechseladsorptionsanlage, in die der Einsatzgasstrom zur Reinigung oder Zerlegung geführt und wobei nach der ein- oder mehrstufigen Entspannungsphase und vor der ein- oder mehrstufi­ gen Druckaufbau- bzw. Adsorptionsphase eine ein- oder mehrstu­ fige Spülphase folgt.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Reinigung oder Zerlegung eines Einsatzgasstromes nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren, bestehend aus einer Membrantrenneinheit und mindestens zwei Adsorbern.

Aus der Literatur ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Druckwechseladsorptionsverfahren und -vorrichtungen zur Reinigung oder Zerlegung von Gasgemischen bekannt. Diese Adsorptionsverfahren bestehen wenigstens aus einer ein- oder mehrstufigen Druckaufbau- bzw. Adsorptionsphase und einer ein- oder mehrstufigen Entspannungsphase. Bei Verfahren, deren Ziel sowohl eine hohe Produktausbeute als auch -reinheit ist, wird in der Regel zwischen die Entspannungs- und die Adsorptions­ eine Spülphase geschaltet. Auf diese Weise wird erreicht, daß ein entspannter Adsorber vor dem Wiederaufdrücken mit dem Ein­ satzgasstrom und gegebenenfalls weiteren Verfahrensströmen von noch im Adsorber vorhandenen Verunreinigungen befreit werden kann.

Als ein möglicher Vertreter für diese Verfahrensweise sei das Europäische Patent 0 146 124 genannt. In ihm wird ein Druck­ wechsel-Adsorptionsverfahren zur Reinigung oder Zerlegung eines Gasstromes unter Verwendung von sechs im zyklischen Wechsel betriebenen Adsorbern beschrieben, bei dem im Anschluß an die Adsorptions-, mehrstufige Gleichstromentspannungs- und Gegen­ stromentspannungsphase auf den niedrigsten Verfahrensdruck eine Spülung mit Gleichstromentspannungsgas aus einem anderen Adsor­ ber erfolgt. Der Spülphase schließt sich ein mehrstufiges Auf­ drücken auf den Adsorptionsdruck mit Gleichstromentspannungsgas und gereinigtem bzw. zerlegtem Produktgas an.

Im Falle der EP-PS 0 146 124 wird das als Spülgas verwendete Gleichstromentspannungsgas aus einem anderen Adsorber dem zu spülenden Adsorber direkt und ohne Zwischenspeicher zugeführt. Es sind jedoch auch Druckwechseladsorptionsverfahren bekannt, bei denen eine Zwischenspeicherung des Spülgases vorgesehen ist.

Da der Desorptionsvorgang gegenüber den Druckausgleichen aufgrund der Desorptionskinetik verhältnismäßig lange dauert, steht der Spülgas-liefernde Adsorber, im Falle der direkten Zuleitung des Spülgases in den zu spülenden Adsorber, für eine verhältnismäßig lange Zeit nicht für andere Phasen, also Adsorption, Druckausgleich oder Druckaufbau, zur Verfügung. Bei einer Spülgaszwischenspeicherung wird dieser Nachteil zwar teilweise vermieden, jedoch sind nun ein zusätzlicher Spei­ cher-/Pufferbehälter sowie entsprechende Leitungen und Ventile erforderlich. Um diese Nachteile zu vermeiden, wäre auch eine Spülgasentnahme aus dem Produktstrom denkbar, doch würde dies die Ausbeute vermindern und unter der Vorgabe einer gleichblei­ benden Produktmenge eine Erhöhung der Produktionsleistung mit höheren Investitionskosten und höherem Energiebedarf erfordern.

Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfah­ ren zur Reinigung oder Zerlegung eines Gasgemisches anzugeben, bei dem die obigen Nachteile der bekannten Verfahren vermieden werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß als Einsatzgas für die ein- oder mehrstufige Spül- und/oder Druckaufbauphase ein im wesentlichen die Produktgaskomponenten enthaltender Permeatstrom aus einer Membrantrenneinheit verwendet wird.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es nun möglich, auf die spülgasliefernde Gleichstromentspannungsphase zu ver­ zichten. Dadurch entfallen bei gleichbleibender Anzahl von Druckausgleichen die der Anzahl der spülgasliefernden Phasen entsprechende Anzahl von Adsorbern. Bei einer gleichbleibenden Anzahl von Adsorbern kann nun also mit zusätzlichen Druckaus­ gleichen gearbeitet und damit höhere Ausbeuten erzielt werden.

Eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der Membrantrenneinheit ein Teil des Ein­ satzgasstromes zugeführt wird.

Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dann Anwendung finden, wenn neben dem Einsatzgasstrom für die Druck­ wechseladsorption kein, den Anforderungen der Membrantrennein­ heit entsprechender Einsatzgasstrom zur Verfügung steht.

Sinnvollerweise wird in einer weiteren Ausführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens der aus der Membrantrenneinheit ab­ strömende Eluatstrom dem Einsatzgasstrom vor der Druckwechsel­ adsorption beigemischt wird.

Außerdem kann der aus der Membrantrenneinheit abströmende Elu­ atstrom zu anderen Zwecken, wie z. B. Druckaufbau etc., in das Druckwechseladsorptionsverfahren geleitet werden.

Die Erfindung weiterbildend wird vorgeschlagen, den in der Druckwechseladsorption aus einer Gegenstromentspannungs- und/ oder aus einer Spülphase gewonnenen Restgasstrom zumindest teilweise der Membrantrenneinheit zuzuführen. Dies kann natür­ lich auch zusammen mit einem Teil des Einsatzgasstromes, wie bereits beschrieben, geschehen.

Unter Umständen kann es von Vorteil bzw. unumgänglich sein, den der Membrantrenneinheit zugeführten Restgasteilstrom zu ver­ dichten.

Für den Fall, daß der aus der Membrantrenneinheit abströmende Eluatstrom nicht dem Einsatzgasstrom zugeführt wird, kann er dem Teilstrom des in der Druckwechseladsorption anfallenden Restgases, der nicht der Membrantrenneinheit zugeführt wird, beigemischt werden.

Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Membrantrenneinheit austretende Permeatstrom vor seiner Verwendung als Spülgas in einem Speicher- bzw. Pufferbehälter zwischengespeichert wird.

Eine letzte vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß zeitgleich mit oder nach der Spülung eines Adsorbers mit dem aus der Membrantrenn­ einheit stammenden Spülgas, dieser Adsorber zusätzlich mit dem Entspannungsgas aus einem anderen Adsorber gespült wird.

Ziel und Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, eine Vorrichtung zur Reinigung oder Zerlegung eines Gasgemisches anzugeben, bei der die obigen Nachteile des Standes der Technik vermieden werden.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Permeat­ strom-Seite der Membrantrenneinheit über eine Leitung mit den Auslaßenden der Adsorber verbunden ist.

Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 10 bis 14 beschrieben.

Die Erfindung sowie weiterbildende Ausführungen davon seien anhand der Fig. 1 bis 7 erläutert. Hierbei besitzen iden­ tische Verfahrensschritte bzw. Vorrichtungsmerkmale gleiche Bezugszeichen.

Fig. 1 zeigt den Grundgedanken der Erfindung. Die darge­ stellte Anlage zur Druckwechseladsorption weist vier zyklisch umschaltbare Adsorber A, B, C und D auf. Die Druckwechselad­ sorptionsverfahrensweise sei am Beispiel des Adsorbers A beschrieben. Die Anordnung der fünf Ventile V1 bis V5 ist für alle Adsorber identisch; auf die Bezeichnung der Ventile der Adsorbern B, C und D wurde daher der Übersichtlichkeit halber verzichtet.

Das zu zerlegende bzw. zu reinigende Einsatzgas gelangt über Leitung 1 und das geöffnete Ventil V1 in den Adsorber A. Im Adsorber A werden die leichter adsorbierbaren Komponenten fest­ gehalten, während nicht adsorbierte Bestandteile austreten und über das geöffnete Ventil V2 in die Produktgasleitung 2 abgege­ ben werden. Die Adsorptionsphase im Adsorber A wird solange fortgesetzt, bis der gewünschte Beladungszustand des Adsorbers A erreicht ist, wonach die Ventile V1 und V2 des Adsorbers A geschlossen und die Ventile V1 und V2 des Adsorbers C geöffnet werden, so daß die Adsorption unter kontinuierlicher Produktab­ gabe über Leitung 1 im Adsorber C fortgesetzt wird. Im Adsorber A wird nunmehr der Druck auf einen ersten Zwischendruck gesenkt (R1). Dies geschieht durch Druckausgleich mit dem Adsorber D über die geöffneten Ventile V4 der Adsorber A und D. Der Adsor­ ber D durchläuft während dieser Phase seine Druckausgleichs- Aufdrückphase R1. Nach erfolgtem Druckausgleich wird Ventil V4 geschlossen. Nun wird der Adsorber A durch Öffnen des Ventiles V3 im Gegenstrom zur Adsorptionsrichtung auf den niedrigsten Verfahrensdruck (D) entspannt, bevor das Spülen des Adsorbers A beginnt. Im Falle der vorliegenden Erfindung wird das Spülgas mittels der Membrantrenneinheit M gewonnen. Hierzu wird der Einsatzgasstrom für die Membrantrenneinheit M über Leitung 5 herangeführt und in der Membrantrenneinheit M in einen Eluat­ strom 6 und einen Permeatstrom 7, der den Spülgasstrom bildet, zerlegt. Die Wahl sowohl des Einsatzgasstromes für die Membran­ trenneinheit M als auch für die in der Membrantrenneinheit M verwendete Membrane wird sich an der Art der Reinigung bzw. Zerlegung, die in dem Druckwechseladsorptionsverfahren durchge­ führt wird, orientieren. Der Spülgasstrom 7 sollte im wesent­ lichen die Komponenten enthalten, die mittels des Druckwechsel­ adsorptionsverfahrens gewonnen werden sollen. Die Reinheit des Spülgasstromes muß jedoch nicht der Produktreinheit entspre­ chen, sondern lediglich den Anforderungen an ein Spülgas bei niedrigem Druck genügen.

Fig. 2 zeigt die Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens laut Anspruch 2 und 3. Hierbei wird der Einsatzgasstrom in Leitung 1 durch das Regulierventil V6 so angedrosselt, daß ein Teilstrom des Einsatzgasstromes über Leitung 1a zur Mem­ brantrenneinheit M strömt. Der in der Membrantrenneinheit M anfallende Eluatstrom wird über Leitung 6 dem gedrosselten Einsatzgasgemisch in Leitung 1 zugeführt und das gebildete Gasgemisch über Leitung 1b den Adsorbern A bis D zugeleitet.

Fig. 3 zeigt die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfah­ rens laut Anspruch 4. Während hierbei wiederum, wie bereits in Fig. 1 geschehen, der Einsatzgasstrom über Leitung 1 den Adsorbern A bis D zugeführt wird, wird der während der Desorp­ tionsphase anfallende Restgasstrom in Leitung 3 aufgeteilt. Mittels des Regulierventiles V7 wird die Gasmenge, die über Leitung 3a zur Membrantrenneinheit M und die Gasmenge, die über Leitung 3b aus der Anlage abgeführt wird, eingestellt. Falls erforderlich, wird der Teilstrom des Restgases, der mittels Leitung 3a der Membrantrenneinheit M zugeführt wird, verdichtet. Das in der Membrantrenneinheit M anfallende Spülgas wird über Leitung 7 zunächst einem Speicher- bzw. Pufferbehäl­ ter S zugeführt. Dieser dient zum Zwischenspeichern und/oder Glätten der Spülgasmenge. Bei Bedarf wird das Spülgas aus dem Zwischenspeicher S über Leitung 7a den Adsorbern A bis D zugeführt.

Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das Spülgas für einen Adsorber nicht mehr wie üblich aus einem Gleichstromentspan­ nungstakt eines anderen Adsorbers stammt, können diese Takte, die im Schaltzyklus einen verhältnismäßig langen Zeitraum beanspruchen, entfallen. Somit können entweder zusätzliche Druckausgleichstakte, die zu höheren Ausbeuten führen, in das Adsorptionsverfahren aufgenommen werden oder es kann auf Adsorber verzichtet werden.

Die Fig. 4 bis 7 zeigen Beispiele für Taktdiagramme, bei denen entweder auf einen Adsorber verzichtet wurde oder zusätz­ liche Druckausgleichstakte eingebaut wurden. Speziell die Fig. 4 und 5 zeigen Beispiele für Taktdiagramme, bei denen mit einer geringeren Adsorberzahl "gearbeitet" wird. Das Taktschema nach Fig. 4 entspricht im Prinzip der Arbeits­ weise einer herkömmlichen 4-Adsorberanlage und das Taktschema nach Fig. 5 einer 5-Adsorberanlage, bei denen jeweils ein Adsorber eingespart werden konnte. Die Fig. 6 und 7 zeigen Beispiele, bei denen zusätzliche Druckausgleichstakte durchgeführt werden.

In den Fig. 4 bis 7 werden folgende Bezeichnungen verwen­ det:
A: Adsorption
E: Entspannung im Gleichstrom zum Druckausgleich
D: Entspannung im Gegenstrom zum Druckausgleich
P: Spülen mit Permeat
R: Druckaufbau mit Gleichstromentspannungsgas aus einem "E-Takt"
RO: Druckaufbau auf Adsorptionsdruck mit Produktgas
Zudem ist jeweils eine Systembezeichnung angegeben, wobei die erste Zahl die Anzahl der Adsorber, die zweite Zahl die Anzahl der Adsorber, die sich gleichzeitig in Adsorption befinden, und die dritte Zahl die Anzahl der Druckausgleichstakte angibt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Reinigung oder Zerlegung eines Einsatzgas­ stromes unter Verwendung einer aus mindestens zwei zyklisch vertauschbaren Adsorbern bestehenden Druckwechseladsorp­ tionsanlage, in die der Einsatzgasstrom zur Reinigung oder Zerlegung geführt und wobei nach der ein- oder mehrstufigen Entspannungsphase und vor der ein- oder mehrstufigen Druck­ aufbau- bzw. Adsorptionsphase eine ein- oder mehrstufige Spülphase folgt, dadurch gekennzeichnet, daß als Einsatz­ gas für die ein- oder mehrstufige Spül- und/oder Druckauf­ bauphase ein im wesentlichen die Produktgaskomponenten enthaltender Permeatstrom (7) aus einer Membrantrenneinheit (M) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Membrantrenneinheit (M) ein Teil des Einsatzgasstromes (1a) zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Membrantrenneinheit (M) abströmende Eluatstrom (6) dem Einsatzgasstrom (1) vor der Druckwechseladsorption beigemischt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in der Druckwechseladsorption aus einer Gegenstromentspan­ nungs- und/oder aus einer Spülphase gewonnene Restgasstrom (3) zumindest teilweise (3a) der Membrantrenneinheit (M) zugeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der der Membrantrenneinheit (M) zugeführte Restgasteilstrom (3a) verdichtet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der aus der Membrantrenneinheit (M) abströmende Eluatstrom (6) dem nicht der Membrantrennein­ heit (M) zugeführten Restgasteilstrom (3b) beigemischt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der aus der Membrantrenneinheit (M) austre­ tende Permeatstrom (7) vor seiner Verwendung als Spülgas in einem Speicher- bzw. Pufferbehälter (S) zwischengespeichert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zeitgleich mit oder nach der Spülung eines Adsorbers mit dem aus der Membrantrenneinheit (M) stammen­ den Spülgas (7, 7a), dieser Adsorber zusätzlich mit dem Entspannungsgas aus einem anderen Adsorber gespült wird.

9. Vorrichtung zur Reinigung oder Zerlegung eines Einsatzgas­ stromes nach einem der in den Ansprüchen 1 bis 8 beschrie­ benen Verfahren, bestehend aus einer Membrantrenneinheit (M) und mindestens zwei Adsorbern (A, B, . . . ), dadurch gekennzeichnet, daß die Permeatstrom-Seite der Membran­ trenneinheit (M) über eine Leitung (7) mit den Auslaßenden der Adsorber (A, B, . . . ) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsseite der Membrantrenneinheit (M) über eine Leitung (1a) mit der Einsatzgasleitung (1 bzw. 1b) verbun­ den ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich­ net, daß die Eluatstrom-Seite der Membrantrenneinheit (M) über eine Leitung (6) mit der Einsatzgasleitung (1 bzw. 1b) verbunden ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsseite der Membrantrenneinheit (M) über eine Restgasteilleitung (3a) mit der Restgasleitung (3) verbun­ den ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Eluatstrom-Seite der Membrantrenneinheit (M) über eine Leitung (6) mit der Restgasteilleitung (3b) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Eluatstrom-Seite der Membrantrenn­ einheit (M) über eine Leitung (7) mit einem Speicher- bzw. Pufferbehälter (S) und dieser über eine Leitung (7a) mit den Auslaßenden der Adsorber (A, B, . . . ) verbunden ist.