DE602004005472T2

DE602004005472T2 - Verfahren zum trennen von gasen von einem gasgemisch und vorrichtung zur anwendung solch eines verfahrens

Info

Publication number: DE602004005472T2
Application number: DE602004005472T
Authority: DE
Inventors: Ben Paul Van Hove
Original assignee: Atlas Copco Airpower NV
Current assignee: Atlas Copco Airpower NV
Priority date: 2003-10-01
Filing date: 2004-09-24
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2024-09-25
Also published as: EP1670568A1; WO2005030367A1; BE1015698A3; KR100944481B1; US7815711B2; DE602004005472D1; JP4787754B2; DK1670568T3; US20070034080A1; BRPI0415036A; CN100415347C; KR20060117927A; EP1670568B1; CN1859963A; ATE357284T1; BRPI0415036B1; JP2007507330A; NO20061297L; ES2284041T3; NO329962B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung, die ein solches Verfahren zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch anwendet.
Spezieller betrifft die Erfindung ein bekanntes Verfahren zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch, beispielsweise zum Abscheiden von Stickstoff und/oder Sauerstoff aus Luft oder zum Abscheiden von Wasserdampf aus einem Gasstrom oder dergleichen, wobei von einem Membranabscheider Gebrauch gemacht wird und wobei das zu behandelnde Gasgemisch mittels einer Verdichteranlage durch den Membranabscheider geleitet wird, und wobei das verdichtete Gasgemisch üblicherweise in der Verdichteranlage gekühlt wird, um das Gasgemisch mittels Kondensationstechniken zu trocknen und zu filtern.
Es ist bekannt, dass der Ausstoß der Abscheidung von Gasen durch Anwenden eines solchen Verfahrens, wobei eine Membranabscheidung verwendet wird, durch Wiedererhitzen des in der Verdichteranlage gekühlten Gasgemischs, bevor es durch den Membranabscheider geleitet wird, verbessert werden kann.
Ein höherer Ausstoß bedeutet eine höhere Selektivität des Abscheidungsvorgangs, eine größere Reinheit und weniger Verluste der abgeschiedenen Gase und eine höhere Permeabilität des Membranabscheiders für dieselbe beabsichtigte Reinheit der abgeschiedenen Gase.
Das Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs nach dessen Verlassen der Verdichteranlage fand bis dato mittels Wärme statt, die von einer externen Wärmequelle stammt, wie etwa einem elektrischen Widerstand, einem Dampfkreislauf oder dergleichen.
Ein Nachteil einer solchen externen Wärmequelle ist, dass das Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs zusätzliche Energie erfordert, was selbstverständlich nachteilig für die Produktionskosten und die Kosten der abgeschiedenen Gase ist.
Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, eine Lösung für die oben erwähnten und andere Nachteile zu bieten, indem sie ein verbessertes Verfahren zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch verschafft, wobei das zu behandelnde Gasgemisch mittels einer Verdichteranlage durch einen Membranabscheider geleitet wird und wobei das zu behandelnde verdichtete Gasgemisch in der Verdichteranlage gekühlt wird, unter anderem zum Abscheiden von Kondensat aus dem Gasgemisch, wonach es beim Verlassen der Verdichteranlage wieder erhitzt wird, bevor es in den Membranabscheider gelangt, und wobei für das Wiederhitzen des zu behandelnden Gasgemischs beim Verlassen der Verdichteranlage von der Rückgewinnungswärme der Verdichteranlage selbst Gebrauch gemacht wird.
Ein Vorteil eines solchen erfindungsgemäßen verbesserten Verfahrens ist, dass das Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs, um den Ausstoß des Membranabscheiders zu maximieren, nicht zu zusätzlichen Energiekosten führt, sodass die bezweckte Abscheidung von Gasen selektiver und kostengünstig verwirklicht werden kann.
Vorzugsweise wird für das Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs von der Wärme des verdichteten Gasgemischs am Ausgang eines Verdichterelements der Verdichteranlage Gebrauch gemacht, wobei spezieller die Wärme genutzt wird, die bei dem vorgenannten Kühlen zum Abscheiden von Kondensat dem zu behandelnden Gasgemisch am Ausgang eines Verdichterelements entzogen wird.
Wenn spezieller ein Verdichterelement mit Flüssigkeitseinspritzung verwendet wird, wobei die eingespritzte Flüssigkeit auf bekannte Weise am Ausgang des betreffenden Verdichterelements abgeschieden wird und anschließend zu dem Verdichterelement rückgeführt wird, um wieder eingespritzt zu werden, so kann auch die Wärme der abgeschiedenen Flüssigkeit zum Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs beim Verlassen der Verdichteranlage verwendet werden.
Wenn die Verdichteranlage mit einer Kühlung versehen ist, die ein Kühlmedium anwendet, beispielsweise zum Kühlen von einem oder mehreren Verdichterelementen, so kann die Rückgewinnungswärme dieses Kühlmediums auf energiesparende Weise zum Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs beim Verlassen der Verdichteranlage verwendet werden.
Es versteht sich von selbst, dass zum Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs gleichzeitig und in Kombination die Wärme des verdichteten Gasgemischs und/oder die Wärme der rückgewonnenen Einspritzflüssigkeit und/oder die Wärme des Kühlmediums eines Kühlkreislaufs oder dergleichen verwendet werden kann.
Das verdichtete Gas in der Verdichteranlage wird vorzugsweise getrocknet und gefiltert, bevor es in die Membran geleitet wird, um Flüssigkeitstropfen, Schmutzteilchen und andere Verunreinigungen aus der Gasmischung zu entfernen, die den Membranabscheider verstopfen oder beschädigen könnten.
Die Erfindung betrifft auch eine verbesserte Vorrichtung zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch gemäß dem vorangehend beschriebenen Verfahren, welche Vorrichtung im Wesentlichen aus einer Verdichteranlage mit einem Einlass und einem Auslass für das zu behandelnde Gasgemisch und einem Membranabscheider besteht, dessen Eingang mittels einer Zufuhrleitung an den obenerwähnten Auslass der Verdichteranlage angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser Zufuhrleitung ein Radiator aufgenommen ist, durch den das zu behandelnde Gasgemisch fließt und welcher Teil mindestens eines Wärmetauschers der Verdichteranlage selbst ist.
Zur besseren Erläuterung der Merkmale der Erfindung ist hiernach die nachfolgende bevorzugte Ausführungsform einer verbesserten Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch angeführt, nur als Beispiel, ohne in irgendeiner Weise einschränkend zu sein, unter Verweis auf die begleitenden Zeichnungen, worin:
die 1 bis 7 schematisch verschiedene Varianten einer verbesserten Vorrichtung gemäß der Erfindung darstellen.
Die verbesserte Vorrichtung 1 von 1 besteht im Wesentlichen aus einer Verdichteranlage 2 und einem Membranabscheider 3, der an diese Verdichteranlage 2 angeschlossen ist.
Die Verdichteranlage 2 besteht in diesem Fall aus einem Verdichterelement 4, spezieller einem ölfreien Verdichterelement, dessen Einlass über einen Ansaugfilter 5 mittels einer Ansaugleitung 6 mit dem Einlass 7 der Verdichteranlage 2 verbunden ist, während der Auslass des Verdichterelements 4 mittels einer Druckluftleitung 8 mit dem Auslass 9 der Verdichteranlage 2 verbunden ist.
In der Druckluftleitung 8 ist ein Wärmetauscher 10 vorgesehen, der auf bekannte Weise aus zwei einander gegenüber aufgestellten Radiatoren 11 beziehungsweise 12 zusammengesetzt ist, wobei der Radiator 11 in die vorgenannte Druckluftleitung 8 zu dem Auslass 9 der Verdichteranlage 2 aufgenommen ist.
Nach dem Radiator 11 ist ein Wasserabscheider 13 in dieselbe Druckluftleitung 8 aufgenommen.
Gegenüber dem Wärmetauscher 10 ist ein Ventilator 14 vorgesehen, der auf den Wärmetauscher 10 gerichtet ist.
Der oben erwähnte Membranabscheider 3 weist einen Eingang 15 auf, der mittels einer Zufuhrleitung 16 an den oben erwähnten Auslass 9 der Verdichteranlage 2 angeschlossen ist, wobei der oben erwähnte zweite Radiator 12 des Wärmetauschers 10 der Verdichteranlage 2 in diese Zufuhrleitung 16 aufgenommen ist.
Der Membranabscheider 3 ist in diesem Fall mit zwei Ausgängen, 17 beziehungsweise 18, versehen, kann jedoch auch mehrere Ausgänge haben.
Die Funktionsweise und der Gebrauch der Vorrichtung 1 zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch ist sehr einfach und wie folgt.
Das zu behandelnde Gasgemisch, beispielsweise Umgebungsluft, wird durch die Verdichteranlage, wie in 1 dargestellt, mittels des Einlasses 7 und des Filters 5 angesaugt und wird durch das Verdichterelement 4 verdichtet und über die Druckluftleitung 8 durch den Radiator 11 und den Wasserabscheider 13 gezwungen und anschließend mittels der Zufuhrleitung 16 durch den Radiator 12 und den Membranabscheider 3 geleitet, wobei das Gasgemisch in diesem Membranabscheider 3 auf bekannte Weise in zwei oder mehr Komponenten, beispielsweise Stickstoff und Sauerstoff, zerlegt wird, die an den jeweiligen Ausgängen 17-18 aufgefangen werden.
Der relativ kalte Luftstrom, der durch den Ventilator 14 erzeugt wird, fließt nacheinander durch die Maschen des Radiators 11 und durch die Maschen des Radiators 12 des Wärmetauschers 10, wodurch das zu behandelnde heiße Gasgemisch, das direkt aus dem Verdichterelement 4 durch den Radiator 11 fließt, gekühlt wird und dann, nach weiterer Abkühlung in dem Wasserabscheider 13, in dem Radiator 12 wieder erhitzt wird, bevor es zu dem Membranabscheider 3 fließt.
In dem Wasserabscheider 13 wird Wasserdampf aus dem zu behandelnden Gasgemisch mittels Kondensation oder dergleichen abgeschieden, wodurch verhindert wird, dass der Membranabscheider durch Wasser gesättigt würde, was nachteilig für seine gute Funktionsweise wäre.
Da das zu behandelnde Gasgemisch nach dem Verlassen der Verdichteranlage wieder erhitzt wird, bevor es durch den Membranabscheider strömt, wird die Gasabscheidung in dem Membranabscheider effizienter verlaufen.
Obwohl in dem dargestellten Beispiel von 1 der gesamte Ausstoß des Verdichterelements 4 durch den Membranabscheider fließt, ist es nicht ausgeschlossen, dass einer Variante gemäß nur ein Teil dieses Ausstoßes durch den Membranabscheider geleitet wird, mittels einer Abzweigung der Druckluftleitung 8 oder dergleichen.
2 stellt eine Variante von 1 dar, wobei in diesem Fall ein Zweistufenverdichter angewendet wird, mit zwei Verdichterelementen 4, die in Serie hintereinander aufgestellt sind und die mittels einer Zwischenleitung 19, worin ein Zwischenkühler 20 und ein zusätzlicher Wasserabscheider 13 für das Zwischenkühlen und Trocknen des zu behandelnden Gasgemischs aufgenommen sind, miteinander verbunden sind.
Der Wärmetauscher 10 ist in diesem Fall kein luftgekühlter Wärmetauscher wie in 1, sondern wird durch einen getrennten Kühlkreislauf 21 mit einem zusätzlichen Kühlradiator 22 und einer Kühlflüssigkeit, die Wärme aus dem Radiator 11 aufnimmt und diese Wärme an dem Radiator 12 wieder abgibt, um somit das zu behandelnde Gasgemisch beim Verlassen der Verdichteranlage 2 wieder zu erhitzen, gekühlt.
3 stellt eine Variante dar, wobei in diesem Fall, im Vergleich zu der Vorrichtung von 2, ein zusätzlicher Trockner 23 vorgesehen ist, der mit einem Trockenmittel gefüllt ist, wobei dieser Trockner 23 nach dem Wasserabscheider 13 in die oben erwähnte Druckluftleitung 8 aufgenommen ist und für eine zusätzliche Trocknung des zu behandelnden Gasgemischs sorgt.
Gegebenenfalls kann die Verdichteranlage 2 mit den nötigen Funktionen versehen werden, die es ermöglichen, das gesättigte oder teilweise gesättigte Trockenmittel auf die bekannte Weise zu regenerieren.
4 stellt eine Variante dar, wobei ein zusätzlicher Kühler 24 zwischen dem Wärmetauscher 10 und dem Wasserabscheider 13 angewendet wird, der eine zusätzliche Kühlung des zu behandelnden Gasgemischs gestattet, um in der Lage zu sein, mehr Wasser mittels Kondensation in dem Wasserabscheider 13 abzuscheiden.
Es ist deutlich, dass auch die Rückgewinnungswärme dieses zusätzlichen Kühlers 24 zum Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs verwendet werden kann.
5 stellt eine andere Variante einer Vorrichtung 1 gemäß der Erfindung dar.
In diesem Fall wird ein Verdichterelement 4 mit Flüssigkeitseinspritzung angewendet, wobei ein Flüssigkeitsabscheider am Ausgang des Verdichterelements 4 in der Druckluftleitung 8 angebracht ist und wobei der Ausgang dieses Flüssigkeitsabscheiders 25 mittels einer Rückführleitung 26 an das Flüssigkeitseinspritzsystem 27 des Verdichterelements 4 angeschlossen ist, wobei in der Rückführleitung 26 ein Radiator 28 vorgesehen ist, der Teil eines Wärmetauschers 29 ist, der einen zweiten Radiator 30 umfasst, welcher zweite Radiator 30 in die Zufuhrleitung 16 zu dem Membranabscheider 3 aufgenommen ist.
Der Wärmetauscher 29 ist mit einem Ventilator 31 ausgerüstet.
In der Druckluftleitung 8 ist nach dem Ölabscheider 25 ein Kühler 24 vorgesehen, der von einem Wasserabscheider 13 gefolgt wird und der wiederum von einem Filter 32 oder von einem Satz von Filtern und Adsorptionselementen gefolgt wird.
Der Ventilator 31 bläst relativ kühle Umgebungsluft durch die betreffenden Radiatoren 27–29, wodurch eine Wärmeübertragung zwischen der heißen Einspritzflüssigkeit in dem ersten Radiator 27 und dem zu behandelnden Gasgemisch, das durch den zweiten Radiator 29 strömt, stattfindet, sodass dieses Gasgemisch beim Verlassen der Verdichteranlage 2 wieder erhitzt wird, bevor es in den Membranabscheider 3 geleitet wird, und eine besserer Ausstoß des Membranabscheiders 3 erhalten wird.
Dank dem Filter 32 oder Satz von Filtern, die am kältesten Punkt in der Druckluftleitung aufgestellt sind, werden Dämpfe, Schmutzteilchen und andere Verunreinigungen aus dem zu behandelnden Gasgemisch mittels Adsorption, Kondensation oder dergleichen ausgefiltert.
Die Vorrichtung gemäß 6 unterscheidet sich von der Vorrichtung in 5 dadurch, dass in der Druckluftleitung 8, zwischen dem Wasserabscheider 13 und dem Filter 32, ein zusätzlicher Kühltrockner 33, bestehend aus einem Wärmetauscher 34, einem an einen Kühlkreislauf 35 angeschlossenen Wärmetauscher 36 und einem zusätzlichen Wasserabscheider 13, vorgesehen ist, wobei in dem Wärmetauscher 34 des Kühltrockners 33 das zu behandelnde Gasgemisch, nachdem es in dem Wärmetauscher gekühlt worden ist, wieder erhitzt wird, und wobei dieses Gasgemisch, nachdem es den Filter 32 durchlaufen hat, in dem Wärmetauscher 29 noch weiter erhitzt wird, bevor es in den Membranabscheider 3 gelangt.
7 stellt noch eine Variante der Vorrichtung von 5 dar, wobei in diesem Fall eine Umgehungsleitung 37 in der Rückführleitung 26 vorgesehen ist, die den vorgenannten Radiator 28 überbrückt und worin ein regelbares Ventil 38 angebracht ist, das Teil eines Regelkreises 39 mit einem Temperatursensor 40, der in der Zufuhrleitung 16 am Eingang 15 des Membranabscheiders 3 aufgestellt ist, bildet.
In diesem Fall wird, in Funktion der Position des Ventils 38, der Ausstoß der Einspritzflüssigkeit in einen Teil, der durch den Radiator 28 geht, und einen Teil, der mittels der Umgehungsleitung 37 direkt zu dem Einspritzsystem 27 fließt, aufgeteilt, sodass die Wärmeübertragung in dem Wärmetauscher 29 eine Funktion der Position des Ventils 38 ist.
Der Regelkreis 39 sorgt dafür, dass die Öffnung des Ventils 38 so gesteuert wird, dass die Temperatur des zu behandelnden Gasgemischs am Eingang 15 des Membranabscheiders 3 konstant und gleich einem eingestellten Sollwert ist.
Ein zusätzlicher Kühlradiator 41 sorgt in diesem Fall dafür, dass, wenn das Ventil 38 vollständig offen ist, die Einspritzflüssigkeit noch ausreichend gekühlt wird, um jede Beschädigung des Verdichterelements 4 zu verhindern.
Es ist deutlich, dass das oben beschriebene Verfahren und die Vorrichtungen mit guten Ergebnissen an allen Arten von Membranabscheidern 3 angewendet werden können, entweder mit oder ohne Anwendung eines Gases zum Spülen der abgeschiedenen Gase.
Die vorliegende Erfindung ist keineswegs auf die als Beispiel angeführten und in den begleitenden Zeichnungen dargestellten Ausführungen beschränkt; vielmehr können ein solches Verfahren und eine Vorrichtung gemäß verschiedenen Varianten verwirklicht werden, ohne die Reichweite der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch, wobei das zu behandelnde Gasgemisch mittels einer Verdichteranlage (2) durch einen Membranabscheider (3) geleitet wird und wobei das zu behandelnde verdichtete Gasgemisch in der Verdichteranlage (2) gekühlt wird, unter anderem zum Abscheiden von Kondensat aus dem Gasgemisch, wonach es beim Verlassen der Verdichteranlage (2) wieder erhitzt wird, bevor es in den Membranabscheider (3) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass für das Wiederhitzen des zu behandelnden Gasgemischs beim Verlassen der Verdichteranlage (2) von der Rückgewinnungswärme der Verdichteranlage (2) selbst Gebrauch gemacht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs von der Wärme des verdichteten Gasgemischs am Ausgang eines Verdichterelements (4) der Verdichteranlage (2) Gebrauch gemacht wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs von der Rückgewinnungswärme, die dem zu behandelnden Gasgemisch bei dem vorgenannten Kühlen des Gasgemischs, unter anderem zum Abscheiden des Kondensats, entzogen wird, Gebrauch gemacht wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranlage (2) ein Verdichterelement (4) mit Flüssigkeitseinspritzung umfasst, dessen eingespritzte Flüssigkeit am Ausgang des betreffenden Verdichterelements (4) von einem Flüssigkeitsabscheider (25) abgeschieden wird, wobei die Wärme der abgeschiedenen Flüssigkeit zum Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs beim Verlassen der Verdichteranlage (2) verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranlage (2) mit einem Kühler ausgerüstet ist, worin ein Kühlmedium angewendet wird und wobei die Rückgewinnungswärme dieses Kühlmediums zum Wiedererhitzen des zu behandelnden Gasgemischs beim Verlassen der Verdichteranlage (2) verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem vorgenannten Kühlen des zu behandelnden Gasgemischs in der Verdichteranlage (2) das Gasgemisch durch einen Trockner (23–33) geleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch durch einen Trockner (23) auf Basis eines Trockenmittels geleitet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gasgemisch durch einen Kühltrockner (33) geleitet wird.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem vorgenannten Kühlen des zu behandelnden Gasgemischs in der Verdichteranlage (2) das Gasgemisch durch einen Filter (32) oder durch einen Satz von Filtern und Adsorptionselementen geleitet wird.
Vorrichtung zum Abscheiden von Gasen aus einem Gasgemisch gemäß einem Verfahren eines der vorhergehenden Ansprüche, welche Vorrichtung (1) im Wesentlichen aus einer Verdichteranlage (2) mit einem Einlass (7) und einem Auslass (9) für das zu behandelnde Gasgemisch und einem Membranabscheider (3) besteht, dessen Eingang (15) mittels einer Zufuhrleitung (16) an den obenerwähnten Auslass (9) der Verdichteranlage (2) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dieser Zufuhrleitung (16) ein Radiator (12–30) aufgenommen ist, durch den das zu behandelnde Gasgemisch fließt und welcher Teil eines Wärmetauschers (10-34-29) der Verdichteranlage (2) selbst ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der oben erwähnte Wärmetauscher (10–34) in eine Druckluftleitung (8) zwischen dem Ausgang eines Verdichterelements (4) und dem Ausgang (9) der Verdichteranlage (2) aufgenommen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der oben erwähnte Wärmetauscher (34) ein Kühler ist, der Teil eines Kühltrockners (33) der Verdichteranlage (2) ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranlage (2) ein Verdichterelement (4) mit Flüssigkeitseinspritzung umfasst und einen Flüssigkeitsabscheider (25), der in die vorgenannte Druckluftleitung (8) am Ausgang des betreffenden Verdichterelements (4) aufgenommen ist und dessen Ausgang mittels einer Rückführleitung (26) an das Flüssigkeitseinspritzsystem (27) des Verdichterelements (4) angeschlossen ist und wobei der vorgenannte Wärmetauscher (29) in besagte Rückführleitung (26) aufgenommen ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranlage (2) mit wenigstens einem Kühlkreislauf (21) ausgerüstet ist und dass der oben erwähnte Wärmetauscher (10) in der Zufuhrleitung (16) zu dem Membranabscheider (3) Teil dieses Kühlkreislaufs (21) ist.