DE68903812T2 - Verfahren und vorrichtung zur abtrennung eines bestandteils einer gasmischung. - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur abtrennung eines bestandteils einer gasmischung.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung eines bestimmten Bestandteils eines gasförmigen Gemisches. Insbesondere befaßt sie sich mit der Entfernung von CO&sub2; aus einem Gemisch von Wasserstoff, Kohlendioxid (CO&sub2;) und Kohlenmonoxid (CO).
- Die übliche Technik zur Durchführung einer solchen Beseitigung besteht im Waschen des Gemisches entweder mit Hilfe von Aminen (chemische Waschung) oder mit Hilfe von Produkten, die eine "physikalische Absorptionswirkung" haben. Dies führt zu einer erheblichen Investition und erheblichem Energieaufwand.
- Die Druckschrift US-A-3 250 080 beschreibt ein Verfahren zur Trennung eines Gasgemisches durch Diffusion und Fraktionierung unter Verwendung einer Batterie von Permeationszellen, die in Reihe zugleich an der Hochdruckseite und der Niederdruckseite angeordnet sind, und man läßt einen Teil des Restgases des Hochdruckausgangsendes zu dem Niederdwckeingangsende der Zellen zurückgehen.
- Eine solche Anlage ist besonders komplex.
- Die Druckschriften GB-A-2 053 021 und EP-A-0 029 600 beschreiben ebenfalls Trennsysteme für Gas, das aus einem Hochdruckraum einer Membrantrennvorrichtung zu dem Niederdruckraum geht. Im Laufe der Rückführung findet keine Behandlung statt.
- Die Erfindung hat zum Ziel, eine sehr einfache und sehr wirtschaftliche Trennmethode zu liefern.
- Hierzu ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß man
- - das Gemisch in den Eintrittsraum einer Permeationsvorrichtung gehen läßt, in welcher man durch Permeation wenigstens einen Teil eines Bestandteils abtrennt, der permeabler als der besagte bestimmte Bestandteil ist,
- - den Rückstand dieser Permeationsvorrichtung behandelt, indem man diesen bestimmten Bestandteil derart entfernt, daß man einen gasförmigen Zwischenstrom erzeugt, der einen dritten Bestandteil enthält, und
- - diesen gasförmigen Strom in den Produktionsraum der Permeationsvorrichtung einspritzt, wobei man während dieser Behandlung den Partialdruck dieses permeableren Bestandteils des Gemisches am Ausgang des Produktionsraumes der Permeationsvorrichtung auf einem Wert unterhalb desjenigen hält, den der permeablere Bestandteil in dem Ausgangsgemisch besitzt.
- Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beseitigt man diesen Bestandteil durch Permeation in einer zweiten Permeationsvorrichtung, deren Rückstand den gasförmigen Zwischenstrom bildet.
- Die Erfindung betrifft gleichermaßen eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie
- - eine Permeationsvorrichtung, deren Eintrittsraum mit einer Quelle dieses Gemisches verbunden ist und die die Permeation eines Bestandteils gestattet, der permeabler als der bestimmte Bestandteil ist,
- - eine Vorrichtung zur Behandlung des Rückstandes dieser Permeationsvorrichtung mit Einrichtungen zur Beseitigung dieses bestimmten Bestandteils und
- - Einrichtungen zum Einspritzen des Auslaufes dieser Apparatur in den Produktionsraum der Permeationsvorrichtung umfaßt,
- wobei die Behandlungsapparatur Einrichtungen besitzt, um den Partialdruck eines permeableren Bestandteils des Gemisches am Ausgang des Produktionsraumes der Permeationsvorrichtung auf einem Wert unterhalb desjenigen zu halten, den der permeablere Bestandteil in dem Ausgangsgemisch besitzt.
- Einige Beispiele für die Durchführung der Erfindung werden jetzt unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher die Fig. 1 bis 3 schematisch drei Varianten der Vorrichtung nach der Erfindung erläutern.
- Die in Fig. 1 wiedergegebene Vorrichtung ist dazu bestimmt, unter einem mittleren Druck ein Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus einem gasförmigen Gemisch zu liefern, welches im wesentlichen aus Wasserstoff, Kohlenmonoxid und CO&sub2; besteht Diese Vorrichtung besitzt eine erste Permeauonsvorrichtung 1, die einen Hochdruckeintrittsraum 1A und einen Mitteldruckproduktionsraum 1B umfaßt, sowie eine zweite Permeationsvorrichtung 2, die einen Hochdmckraum 2A und einen Niederdruckraum 2B umfaßt. Die Räume 1A und 2A sind durch einen erste Leitung 3 miteinander verbunden; die Räume 2A und 1B sind durch eine zweite Leitung 4 miteinander verbunden, die mit einem Entspannungsventil 5 ausgestattet ist.
- Die Permeationsvorrichtung 1 eignet sich zur Abtrennung des Wasserstoffs von den übrigen Bestandteilen des hier eingeführten Gemisches, beispielsweise aufgrund eines Bündels von Hohlfasern, die aus einer Membran mit selektiver Permeabilitätbestehen. Solche Permeationsvorrichtungen sind im Handel erhältlich.
- Ebenso eignet sich die Permeationsvorrichtung 2 zur Abtrennung des CO&sub2; von den übrigen Bestandteilen des hier eingeführten Gemisches, beispielsweise dank eines Bündels von Hohlfasern, die aus einer Membran mit selektiver Permeabilität bestehen. Solche Permeationsvorrichtungen sind auch im Handel erhältlich.
- Im Betrieb kommt das Ausgangsgemisch unter einem hohen Druck in dem Raum 1A durch eine Leitung 6 an und unterliegt einer ersten Permeation, im Verlauf derer der enthaltene Wasserstoff in den Raum 1B geht. Der Rückstand dieser Permeation, der im wesentlichen aus einem Gemisch von Kohlenmonoxid und CO&sub2; besteht, geht in den Raum 2A und unterliegt einer zweiten Permeation, im Verlauf welcher das CO&sub2; in den Raum 2B geht. Der Rückstand dieser zweiten Permeation, der im wesentlichen aus in dem Anfangsgemisch enthaltenem Kohlenmonoxid besteht, wird in dem Ventil 5 entspannt und in den Raum 1B geschickt. Dort wird das Kohlenmonoxid mit dem Wasserstoff vermischt, der aus der ersten Permeation stammt, was am Produktionsausgang der Permeationsvorrichtung 1 über eine Leitung 7 ein Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid unter mittlerem Druck liefert. Damit diese Funktionsweise möglich ist, genügt es, daß der Partialdruck des Wasserstoffes in dem Endgemisch unterhalb jenem in dem Anfangsgemisch liegt. So Iiegt bei einem Anfangsgemisch mit 60 % Wasserstoff unter 35 bar der Partialdruck des Wasserstoffes bei 21 bar. Man kann also beispielsweise ein Gemisch von Wasserstoff und Kohlenmonoxid mit 80 % Wasserstoff unter 20 bar anliefern, wobei der Partialdruck des Wasserstoffes in einem solchen Gemisch 16 bar beträgt
- Wie in Fig. 1 gezeigt ist, kann die Zirkulation der beiden Gasströme in der Permeationsvorrichtung 1 vorteilhafterweise im Gegenstrom erfolgen.
- Die Vorrichtung der Fig. 2 unterscheidet sich von jener der Fig. 1 nur durch die Tatsache, daß das Entspannungsventil 5 weggelassen ist, während eine Leitung 8, die mit einer Quelle 9 eines Hilfsgases verbunden ist, in die Leitung 4 mündet. Das Hilfsgas enthält wenig oder keinen Wasserstoff und wenig oder kein CO&sub2; und ist beispielsweise Methan, Kohlenmonoxid und/oder Stickstoff.
- Durch das Einspritzen des Hilfsgases in die Leitung 4 wird das Permeat der Permeationsvorrichtung 1 verdünnt, was gestattet, daß ohne nennenswertes Sinken des Gesamtdruckes eine Reduktion des Partialdruckes des Wasserstoffs in dem Raum 1B gewährleistet wird. So kann unter Berücksichtigung der Beschickungsverluste ein 60 % Wasserstoff, 20 % CO&sub2; und 20 % CO unter einem Druck von 35 bar enthaltendes Anfangsgemisch unter 32 bar ein Gemisch mit 50 % Wasserstoff (nämlich mit einem Partialdruck des Wasserstoffes von 16 bar), 15 % CO und 35 % Hilfsgas liefern. Diese Variante gestattet es sogar, in der Leitung 7 Gemische mit einem Gesamtdruck oberhalb des Ausgangsdruckes zu erhalten.
- Als eine Variante kann, wie strichpunktiert angezeigt ist, die oben genannte Verdünnung aufstromwärts von der Permeationsvorrichtung 2 mit Hilfe einer Leitung 8A erfolgen, die in die Leitung 3 mündet, wenn das Hilfsgas CO&sub2; enthält.
- Die in Fig. 3 wiedergegebene Vorrichtung unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 durch die Tatsache, daß das Entspannungsventil 5 weggelassen ist, während eine Zwischenpermeationsvorrichtung 10, die mit Wasserstofftrennmembranen ausgestattet ist, zwischen den Permeationsvorrichtungen 1 und 2 angeordnet ist. Genauer gesagt mündet die Leitung 3 in den Hochdruckraum 10A der Permeationsvorrichtung 10, der mit einer Leitung 11 an dem Hochdruckraum 2A der Permeationsvorrichtung 2 verbunden ist.
- Im Betrieb permeiert ein Teil nur des Wasserstoffes, der in dem Anfangsgemisch enthalten ist, in den Raum 1B, wobei der Rest dieses Wasserstoffes durch Permeation in dem Niederdruckraum 10B der Zwischenpermeationsvorrichtung 10 beseitigt wird. Diese Beseitigung eines Teils des Wasserstoffes erlaubt erneut eine Verminderung des Partialdruckes des Wasserstoffes in dem Raum 1B und folglich eine Erzeugung eines Gemisches von H&sub2;/CO ohne nennswertes Sinken des Druckes.
- Bei einer Variante kann man, wenn die Wasserstoffproduktion bei niedrigem Druck nicht angestrebt wird, die Permeationsvorrichtung 10 weglassen. Tatsächlich lassen die für CO&sub2; permeablen Membranen auch Wasserstoff durchgehen, so daß die Permeationsvorrichtung 2 durch geeignete Regulierung der Betriebsparameter für sich allein die Beseitigung des Wasserstoffüberschusses und jenes von CO&sub2; gewährleisten kann.
- Die Vorrichtungen der Fig. 2 und 3 sind insbesondere für die Produktion eines Gemisches von Wasserstoff und Kohlenmonoxid aus einem Kohlenwasserstoffkrack-oder-reformiergas geeignet, welches ein gegenüber dem Bedarf zu hohes Verhältnis von Wasserstoff zu Kohlenmonoxid hat.
- In allen diesen Fällen kann die Gesamtbeseitigung des CO&sub2; eine chemische oder physikalische Waschung des Endgemisches erfordern. Diese Waschung erfordert nur eine geringe Investition und geringen Energieaufwand, da der wesentliche Anteil des CO&sub2; vorher durch Permeation beseitigt wurde.
- Es ist zu bemerken, daß die Erfindung im wesentlichen die Beseitigung von CO&sub2; durch Permeation betrifft, die nicht durchführbar ist, weil die Permeationsvorrichtungen gleichzeitig den Wasserstoff durchlassen. Die Erfindung gestattet jedoch auch Einsparungen, weil die Permeationsvorrichtung 2 durch eine andere Vorrichtungstype zur Beseitigung von CO&sub2; ersetzt wird, wie beispielsweise durch Waschung mit Aminen. Tatsächlich wird der behandelte Strom durch diese Vorrichtung erheblich vermindert.
Claims (11)
1. Verfahren zur Abtrennung eines bestimmten Bestandteiles eines gasförmigen Gemisches,
dadurch gekennzeichnet, daß man
- das Gemisch in den Eintrittsraum (1A) einer Permeationsvorrichtung (1) gehen
läßt, in welcher man durch Permeation wenigstens einen Teil eines Bestandteils
abtrennt, der permeabler als der besagte bestimmte Bestandteil ist,
- den Rückstand dieser Permeationsvorrichtung behandelt, indem man diesen
bestimmten Bestandteil derart entfernt, daß man einen gasförmigen
Zwischenstrom erzeugt, der einen dritten Bestandteil enthält, und
- diesen gasförmigen Strom in den Produktionsraum (1B) der
Permeationsvorrichtung (1) einspritzt, wobei man während dieser Behandlung den Partialdruck
dieses permeableren Bestandteils des Gemisches am Ausgang des
Produktionsraumes (1B) der Permeationsvorrichtung auf einem Wert unterhalb desjenigen
hält, den der permeablere Bestandteil in dem Ausgangsgemisch besitzt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den bestimmten
Bestandteil durch Permeation in einer zweiten Permeationsvorrichtung (2) entfernt, deren
Rückstand den gasförmigen Zwischenstrom bildet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man (bei 5) den gasförmigen
Zwischenstrom vor dem Einspritzen in den Produktionsraum (1B) entspannt.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man den gasförmigen
Zwischenstrom mittels eines Hilfsgases vor dem Einspritzen in den Produktionsraum (1B)
verdünnt.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß man, bevor man den
Rückstand der ersten Permeationsvorrichtung (1) in die zweite Permeationsvorrichtung (2)
gehen läßt, aus diesem Rückstand einen Überschuß der permeableren
Bestandteils durch
Überführung in den Hochdruckraum (10A) einer Zwischenpermeationsvorrichtung (10)
beseitigt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
gasförmige Gemisch als Hauptbestandteile Wasserstoff, CO&sub2; und Kohlenmonoxid enthält.
7. Vorrichtung zur Abtrennung eines bestimmten Bestandteils eines gasförmigen Gemisches,
dadurch gekennzeichnet, daß sie
- eine Permeationsvorrichtung (1), deren Eintrittsraum (1A) mit einer Quelle dieses
Gemisches verbunden ist und die die Permeation eines Bestandteils gestattet, der
permeabler als der bestimmte Bestandteil ist,
- eine Vorrichtung (2, 5; 2, 8, 8A; 2, 10) zur Behandlung des Rückstandes dieser
Permeationsvorrichtung mit Einrichtungen (2) zur Beseitigung dieses bestimmten
Bestandteils und
- Einrichtungen (4) zum Einspritzen des Auslaufes dieser Apparatur in den
Produtionsraum (1B) der Permeationsvorrichtung umfaßt,
wobei die Behandlungsapparatur Einrichtungen (5; 8, 8A; 10) besitzt, um den Partialdruck
des permeableren Bestandteils des Gemisches am Ausgang des Produktionsraumes (1B)
der Permeationsvorrichtung auf einem Wert unterhalb desjenigen zu halten, den der
permeablere Bestandteil in dem Ausgangsgemisch besitzt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsapparatur
eine zweite Permeationsvorrichtung (2) aufweist, deren Hochdruckraum (2A)
aufstromwärts durch eine erste Leitung (3) mit dem Eintrittsraum (1A) der ersten
Permeationsvorrichtung (1) und abstromwärts durch eine zweite Leitung (4) mit dem Produktionsraum
(1B) der letzteren verbunden ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine
Entspannungseinrichtung (5) in der zweiten Leitung (4) angeordnet ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Leitung (8, 8A) zum
Einspritzen eines Hilfsgases in der zweiten Leitung (4) oder in der ersten Leitung (3)
mündet.
11. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine
Zwischenpermeationsvorrichtung (10) besitzt, deren Hochdruckraum (10A) in die erste Leitung (3)
eingeschaltet ist.
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