DE69101591T2 - Hybrider Vorreiniger für kryogene Lufttrennungseinrichtung. - Google Patents

Hybrider Vorreiniger für kryogene Lufttrennungseinrichtung.

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Description

  • Diese Anmeldung betrifft eine Verbesserung des Verfahrens und der Vorrichtung, die in EP-A-0 397 192, offenbart wurden (angemeldet am 11.05.90, veröffentlicht am 14.11.90).
  • Die Erfindung betrifft Tieftemperatur-Luftzerlegung. Genauer betrifft sie die Vorbehandlung von Einsatzluft für Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen.
  • Stickstoff und Sauerstoff werden für viele chemische Verfahren, in der Raffination, bei der Metallherstellung und bei anderen industriellen Anwendungen benötigt. Während für die Erzeugung von Stickstoff und/oder Sauerstoff mittels Luftzerlegung verschiedene Techniken bekannt sind, werden in großem Umfang Tieftemperatur-Destillationsverfahren für die Erzeugung von Stickstoff und/oder Sauerstoff aus Luft oder für das Beseitigen von Stickstoff aus Bohrlochgasen benutzt. Bei jeder Tieftemperatur-Anwendung müssen Verunreinigungsstoffe mit hohem Gefrierpunkt, die sich andernfalls bei den niedrigen Temperaturen, bei denen die primäre Gaszerlegung stattfindet, verfestigen würden, von dem verdichteten Einsatzgasstrom entfernt werden. Solche Verunreinigungsstoffe werden gewöhnlich durch in der Technik bekannte Kombinationen von Kühl- und Adsorptionsverfahren entfernt. Bei Luftzerlegungsanwendungen kann bei dieser Vorreinigung eine Kombination aus reversiblem Wärmetauscher und einer Gelfalle am kalten Ende, oder eine Kombination aus mechanischem Luftkühler und Zeolithmolekularsiebadsorber eingesetzt werden. Bei dem vorgenannten Typ von Verarbeitungseinheit werden praktisch alle Verunreinigungen aus der Einsatzluft ausgefroren, wenn die Luft einen Wärmeaustausch mit den Tieftemperatur-Abfall und Produktgasströmen erfährt. Unglücklicherweise erfordert jedoch die Selbstreinigung der reversiblen Wärmetauschereinheit einen mit Bezug auf den Einsatzstrom großen Spülgasdurchfluß. Infolgedessen besteht die Tendenz, daß die Luftausbeute solcher Reinigungszyklen in unerwünschter Weise begrenzt ist. Reversible Wärmetauschereinheiten benötigen außerdem große Ventile, die sich zyklisch öffnen und schließen müssen, um zwischen den Durchlässen für die Einsatzluft und den Abfallspülstrom umzuschalten. Die Ventile sind oft in dem isolierten Kaltboxbereich des Tieftemperatursystems angeordnet, wodurch die Wartung erschwert wird. Für einen effektiven Betrieb muß ferner die Kombination aus Wärmetauscher und Gelfalle bei einer niedrigen Temperatur arbeiten, und sie erfordert daher eine beträchtlich lange Abkühldauer während dem Anfahren der Anlage.
  • Im Gegensatz zu Kombinationen aus reversiblem Wärmetauscher und Gelfalle, können Kombinationen aus mechanischen Kühlern und adsorptiven Einheiten, wie sie in US-A-4 375 367 von Prentice offenbart werden, einen sauberen trockenen Einsatzluftstrom innerhalb von Minuten nach dem Anfahren liefern. Der mechanische Kühler senkt die Lufttemperatur auf etwa 4 ºC (40 ºF) von der Temperatur des Kompressornachkühlers von etwa 27 ºC (80 ºF) bis etwa 46 ºC (115 ºF). Die Luft, die bei den höheren Temperaturen gesättigt ist, verliert den Großteil ihrer Wasserlast durch Kondensation, wodurch die Einlaßwasserkonzentration zu der Adsorbereinheit gesenkt wird. Der Adsorptionsvorgang wird typischerweise unter Verwendung zweier Druckbehälter ausgeführt, wobei ein Bett zu Adsorptionszwecken benutzt wird, während das andere Bett eine Regeneration durchläuft. Die Druckbehälter sind mit einem Adsorptionsmittel gefüllt, wie z.B., Aluminiumoxid, zeolithischem Molekularsieb oder Kieselgel, das den verbleibenden Wasserdampf, Kohlendioxid und/oder andere Verunreinigungen von dem Einsatzluftstrom entfernt. Die Adsorberbetten werden üblicherweise bei einem Druck nahe dem Umgebungsdruck mit einem von Verunreinigungen freien Strom regeneriert, entweder mit einem Teil des Tieftemperaturabfalls oder mit trockener Luft, die erwärmt sein kann, um deren Desorptionskapazität zu erhöhen. Der Betrieb des mechanisches Kühlers verbessert wesentlich die Leistung der Adsorberbetten, indem deren Adsorptionskapazität erhöht, die Einlaßwasserkonzentration gesenkt und infolgedessen der Spülstrom- und Energiebedarf des Betriebes gesenkt werden. Aufgrund der Notwendigkeit, die Bildung von Eis an den Rohrwänden zu vermeiden, ist der mechanische Kühler auf einen minimalen Produkttaupunkt von etwa 3 ºC (38 ºF) begrenzt. Den Kühlern muß außerdem ein Feuchtigkeitsabscheider folgen, um das von der Einsatzluft gebildete Kondensat zu beseitigen und die Adsorberbetten vor übermäßiger Feuchtigkeit zu schützen. Die bei solchen Vorgängen benutzten mechanischen Kühler neigen dazu, hinsichtlich der Kapital- und Energieanforderungen teuer zu sein, insbesondere bei kleinen Anlagen. Außerdem ist allgemein bekannt, daß solche Kühler eine kostspielige Wartung erfordern.
  • Angesichts solcher Faktoren bestand in der Technik das Bedürfnis für neue Verfahren und Systeme, die die Funktion der oben genannten Komponenten, insbesondere des mechanischen Kühlers und des Feuchtigkeitsabscheiders, entweder ausschließen oder modifizieren würden um saubere, trockene Luft für eine Tieftemperatur-Gastrenneinheit wirtschaftlicher zu liefern. Ein mit Interesse beachtetes Verfahren ist der Gebrauch von Membransystemen zum selektiven Permeieren von Wasser und Kohlendioxid aus Einsatzluft. Es ist bekannt, daß bestimmte Materialien Wasser und Kohlendioxid selektiv permeieren können, während Luft oder andere Gase, die weniger leicht permeierbare Komponenten darstellen, als Nicht-Permeatgas gewonnen werden. Ein Membransystem, das solch ein Material benutzt, würde die Funktion des mechanischen Kühlers ersetzen. Solche Membransysteme sind bekannterweise relativ einfach und leicht zu bedienen und instandzuhalten. Da solche Membransysteme normal betrieben werden, erfordert jedoch das Beseitigen von Feuchtigkeit von dem Einsatzstrom die Kopermeation von wesentlichen Mengen wertvollen Produktgases. Es kann erforderlich sein, Membransysteme bei Stage-Cuts in der Größenordnung von 10 bis 20 % zu betreiben, um den durch den Gebrauch eines mechanischen Kühlers erreichten Taupunktpegel zu erzielen. Diese Umstände würde infolgedessen den erreichbaren Ausbeutepegel des gesamten Verfahrens senken, die Energieanforderungen des Verfahrens erhöhen und von einem wirtschaftlichen Standpunkt aus generell unattraktiv sein. Trotz solcher Faktoren, die den Gebrauch von Membrantrocknersystemen anstelle von mechanischen Kühlern oder von Kombinationen aus reversiblen Wärmetauschern und Gelfallen behindern, würde der Gebrauch von Membrantrocknersystemen in neuen, verbesserten Gesamtverfahren und -systemen, die den Bedarf der derzeit eingesetzten Techniken ausschließen, einen wünschenswerten Fortschritt in der Technik darstellen.
  • Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen von trockenem Stickstoff- und/oder Sauerstoffprodukt zu schaffen.
  • Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, bei welchen Tieftemperatursysteme für Gastrennung benutzt werden, und bei denen ein Membransystems für das Beseitigen von Feuchtigkeit und Kohlendioxid aus dem Einsatzgas benutzt wird.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Membrantrocknersystem zu schaffen, das eine verbesserte Trocknungseffizienz und ein verbessertes Beseitigen von Kohlendioxid in einem Gesamtverfahren und einer Vorrichtung für das Gewinnen von trockenem Stickstoff und/oder Sauerstoff unter Verwendung eines Tieftemperatur-Luftzerlegungssystems erreichen kann.
  • Angesichts dieser und anderer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden im Detail beschrieben, wobei die neuartigen Merkmale derselben insbesondere in den anhängenden Ansprüchen zum Ausdruck gebracht werden.
  • Der Erfindungsgegenstand schafft eine Vorrichtung, wie sie in Anspruch 1 definiert ist, und ein Verfahren, wie es in Anspruch 14 definiert ist.
  • Es wird ein Membrantrocknersystem in Verbindung mit einem aus einer Adsorptionseinheit und einer Tieftemperatur-Gaszerlegungseinheit bestehenden System eingesetzt, um eine gewünschte Erzeugung von trockenem Stickstoff- und/oder Sauerstoffprodukt zu erreichen. Der Membrantrockner wird vorzugsweise mit einer Gegenstrom-Stromverteilung betrieben und an der Niederdruck-Permeatseite desselben mit Rückfluß versorgt. Abfallgas von der Adsorptions-Tieftemperatureinheit wird als Spülgas benutzt. Der Flächenbedarf der Membran wird dadurch vermindert, und die gewünschte Produktausbeute wird merklich gesteigert. Der Membrantrockner entfernt Wasser- und Kohlendioxidverunreinigungen in der Einsatzluft in ein- oder zweistufigen Einheiten, bei welchen getrennte Wasser- und Kohlendioxid-Beseitigungsmembranen eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen im Detail beschrieben, in welchen:
  • FIG. 1 ein schematisches Flußdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung ist, bei welcher das Abfallgas von dem Tieftemperatur-Einsatzgastrennsystem als Spülgas für ein Membransystem zum Trocknen des Einsatzgases für das Tieftemperatursystem eingesetzt wird; und
  • FIG. 2 ein schematisches Flußdiagramm einer Ausführungsform ist, bei der von dem Adsorberbett-Vorreiniger für das Tieftemperatursystem entferntes Spülgas als Spülgas für ein Einsatzgas-Membrantrocknersystem benutzt wird.
  • Die Aufgaben der Erfindung werden durch die Vereinigung eines Membransystems zum Trocknen von Einsatzluft mit einem stromab liegenden Adsorptions-Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem unter Bedingungen erreicht, die das Erzielen der gewünschten Beseitigung von Feuchtigkeit von der Einsatzluft ermöglichen, ohne die Gesamtproduktausbeute des Verfahrens und der Vorrichtung auf unannehmbare Pegel zu senken. Solche Bedingungen betreffen vorteilhafterweise das Zusammenfügen der einzelnen Verarbeitungssysteme, die Selektivität für Feuchtigkeitsbeseitigung der speziellen eingesetzten Membranzusammensetzung und die Bedingungen des Entwurfs des Membranbündels, unter welchen in dem Membrantrocknersystem in zweckmäßiger Weise ein Gegenstrom erreicht wird. Dies ermöglicht, Stickstoff und/oder Sauerstoff in trockener Form bei minimalen Verlusten des besagten Produkts während des Trocknungsvorgangs zu gewinnen.
  • Bei der Anwendung der Erfindung wird Abfallgas von dem Tieftemperatur-Luftzeilegungssystem benutzt, um Spülgas für ein Membrantrocknersystem und für das stromauf von dem Tieftemperatursystem liegende Adsorptionssystem zu liefern. Die Erfindung ermöglicht aufgrund der Anforderungen des Trockenvorgangs, einen trockenen, hochreinen Stickstoff- und/oder Sauerstoffproduktstrom bei minimalen Verlusten des gewünschten Produkts zu erzielen. Das gesamte Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen veranschaulicht. Weitere Informationen, welche die bei der Anwendung der Erfindung benutzten Tieftemperaturgesamtsysteme und die zwecks Erreichen eines verbesserten Trocknens der Einsatzluft mit diesen vereinigten Membransysteme betreffen, werden untenstehend dargelegt.
  • In FIG. 1 der Zeichnungen wird Einsatzluft in einer Leitung 1 zu einem Luftverdichter 2 geleitet, von welchem feuchte, verdichtete Luft in einer Leitung 3 zu einem Membrantrocknersystem 4 geleitet wird. In dem Membransystem 4 permeiert Wasser selektiv durch das Membranmaterial, und es wird von dem System als Abfallgas durch eine Leitung 5 abgegeben. Einsatzluft wird von dem Membrantrocknersystem 4 als trockenes Nicht-Permeat- oder Retentatgas durch eine Leitung 6 gewonnen, um zu einem Adsorptionssystem 7 übergeleitet zu werden, das zum Beseitigen von Verunreinigungen von der trockenen Einsatzluft vor dem Überleiten der Einsatzluft zu dem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem benutzt wird. Man sieht, daß das Adsorptionssystem 7 zwei Betten mit Adsorbermaterial einschließt, d.h. Betten 8 und 9, wobei ein Bett im allgemeinen für dessen beabsichtigte Adsorptionszwecke benutzt wird, während das andere Bett regeneriert wird. Das trockene, gereinigte Einsatzgas wird von dem Adsorptionssystem 7 in einer Leitung 10 zu einem Tieftemperatur-Luftzeilegungssystem 11 geleitet, von welchem das gewünschte, trockene, hochreine Produktgas durch eine Leitung 12 gewonnen wird. Ein trockener Abfallstrom von dem Tieftemperatursystem wird durch eine Leitung 13 abgezogen. Ein Teil dieses trockenen Abfallstromes, d.h. Sauerstoff oder Stickstoff, wird durch eine Leitung 14 abgezogen, um durch das Adsorptionssystem 7, d.h. entweder durch Bett 8 oder durch Bett 9, als trockenes Adsorptionsmittel-Spülgas für das Bett, bei welchem Regeneration erfolgt, geleitet zu werden. Ein Adsorptionsmittel-Abfallstrom wird von dem Adsorptionssystem 7 durch eine Leitung 15 abgezogen, wobei der Abfallstrom das Adsorptionsmittel-Spülgas und von den Adsorberbetten während deren Regeneration desorbierte Verunreinigungen enthält. Der verbleibende Teil des trockenen Abfallgases von dem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem 11 wird durch eine Leitung 16 geleitet, um in das Membrantrocknersystem 4 als trockenes Spülgas an der Niederdruck-Permeatseite des Membransystems eingeleitet zu werden. Dieses trockene Spülgas wird benutzt, um das Beseitigen von Permeat-Abfallgas von der Oberfläche der Membran zu erleichtern, und es wird zusammen mit dem Permeatgas durch Leitung 5 abgegeben.
  • Die in FIG. 1 veranschaulichte Ausführungsform der Erfindung dient dazu, die Notwendigkeit für einen Kühler auszuschließen, der andernfalls als Teil einer Kühler-Adsorberbett- Kombination für das Beseitigen von Wasser und Kohlendioxid von den verdichteten Luftströmen konventioneller Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen mit Vorreinigung eingesetzt werden würde. Dieser Ausschluß des Kühlers ist wie oben angedeutet wünschenswert, da er hinsichtlich sowohl der Investitions- als auch der Energiekosten teuer ist, und da er bekanntlich eine umfangreiche Instandhaltung erfordert. Das bei der Anwendung der Erfindung benutzte Membrantrocknersystem ist andererseits bekanntlich von Natur aus sehr einfach und kostengünstig, und es erfordert keine umfangreiche Instandhaltung. Während diese Ausführungsform der Erfindung, die Membransysteme mit Adsorptions-Tieftemperatur-Luftzerlegungssystemen integriert, ein vorteilhafter Fortschritt gegenüber konventionellen Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlagen mit Vorreinigung darstellt, ist eine Weiterentwicklung der Technik ebenfalls wünschenswert. Eine Begrenzung der Ausführungsform der Erfindung von FIG. 1 liegt darin, daß der Permeatspülgasbedarf für das Membrantrocknersystem, der typischerweise näherungsweise 10-20 % der Einsatzluft zu dem Membrantrocknersystem beträgt, zu dem 10-15 %igen Spülbedarf für das Vorreinigungs-Adsorptionssystem hinzukommt. Infolgedessen erschwert der relativ große Gesamtspülbedarf des Systems von näherungsweise 20-35 % das Erreichen einer hohen Ausbeute an Stickstoff oder Sauerstoff in Tieftemperatur- Luftzerlegungssystemen, wenn solche großen Mengen von Abfallgas nicht zur Verfügung stehen.
  • Die in FIG. 2 veranschaulichte Ausführungsform ist auf die Notwendigkeit des Minimierens der Gesamtspülanforderungen des Systems ausgerichtet. Bei dieser Ausführungsform wird Luft in einer Leitung 20 in einem Luftverdichter 21 verdichtet, wobei die verdichtete Luft in einer Leitung 22 zu einem Flüssigkeitsabscheider 23 geleitet wird, von dem Wasser durch eine Leitung 24 entfernt wird. Der so behandelte, verdichtete Luftstrom wird in einer Leitung 25 zu einem Membrantrockner 26 der ersten Stufe geleitet, der den ersten Teil eines zweistufigen Membrantrocknersystems darstellt. Das meiste des noch in der Einsatzluft vorhandenen Wassers wird in diesem Trockner der ersten Stufe entfernt, der einen Rückstrom in die Permeatseite durch einen im folgenden angedeuteten trockenen Spülstrom erhält. Die teilweise trockene, verdichtete Einsatzluft wird als Nicht-Permeatgas von dem Membrantrockner 26 der ersten Stufe durch eine Leitung 27 zu einem Membrantrockner 28 der zweiten Stufe geleitet, in welchem Restwasser entfernt wird, so daß trockene Einsatzluft von diesem als ein Nicht- Permeatstrom abgeleitet wird, um in einer Leitung 29 zu einem Vorreinigungs-Adsorptionssystem 30 zwecks Reinigung vor dem Zuleiten zu dem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem geleitet zu werden. Das dargestellte Adsorptionssystem 30 enthält zwei Adsorberbetten, nämlich Bett 31 und Bett 32, wobei es sich versteht, daß eines dieser Betten gewöhnlich für eine Reinigung des trockenen Einsatzgases benutzt wird, während das andere Bett eine Regeneration durchläuft. Trockene, gereinigte Einsatzluft, die das Adsorptionssystem 30 verläßt, wird in einer Leitung 33 zu einem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem 34 geleitet, von welchem das gewünschte, trockene, hochreine Stickstoff- oder Sauerstoffprodukt durch eine Leitung 35 gewonnen wird. Trockenes Abfallgas von dem Tieftemperatursystem 34 wird durch eine Leitung 36 abgeführt, in einem Wärmetauscher 37 erwärmt und durch eine Leitung 38 zu dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem 30 als Spülgas geleitet, um bei der Regeneration desjenigen der Betten, d.h. Bett 31 oder Bett 32, benutzt zu werden, das zu einem gegebenen Zeitpunkt regeneriert wird. Da praktisch das gesamte, in der Einsatzluft enthaltene Wasser in dem Membrantrocknersystem entfernt wird, wird das verbrauchte Spülgas, welches das Vorreinigungs-Adsorptionssystem 30 verläßt, relativ trocken sein, obschon es andere Verunreinigungen wie z.B. Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe enthalten kann. Dieses verbrauchte Spülgas wird in einer Leitung 39 zu dem Membrantrockner 26 der ersten Stufe geleitet, um in diesem als Spülgas an der Permeatseite der Membran benutzt zu werden. Dieses Spülgas wird zusammen mit Wasserdampf; der durch den Membrantrockner 26 permeiert, durch eine Leitung 40 abgezogen, um zum Abfall abgegeben zu werden. Das Durchleiten von solchem Recycle-Spülgas durch den Membrantrockner 26 erleichtert das Wegtragen des besagten Permeatwassers von der Oberfläche der Membran an der Permeatseite, so daß eine starke Antriebskraft über den Membrantrockner 26 aufrechterhalten wird, um das gewünschte Beseitigen von Feuchtigkeit von dem Einsatzluftstrom zu unterstützen, der zu dem Membrantrockner 26 geleitet wird.
  • Bei der Ausführungsform von FIG. 2 wird der Membrantrockner 28 der zweiten Stufe zum Trocknen der Einsatzluft auf höhere Pegel als die in dem Membrantrockner 26 der ersten Stufe erreichten benutzt. Um diesen Trockner zu spülen, kann als das trockene Spülgas jeglicher trockene Niederdruckstrom benutzt werden, der von dem Tieftemperaturverfahren zur Verfügung steht, wie z.B. Abfallgas von dem Tieftemperatursystem 34, hochreines Stickstoff- oder Sauerstoffproduktgas, expandierte Einsatzluft oder ähnliches, oder Abfallgas von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem 30. In FIG. 2 ist zu sehen, daß ein Teil des Abfallgases des Tieftemperatursystems 34 durch eine Leitung 41 zu dem Membrantrockner 28 der zweiten Stufe geleitet wird, um in diesem als Spülgas benutzt zu werden. Solch ein Spülgas erleichtert das Wegtragen des Permeatwassers von der Oberfläche der Membran an der Permeatseite der Membran, so daß eine starke Antriebskraft über die Membran 28 aufrechterhalten wird, um das gewünschte zusätzliche Trocknen des Einsatzluftstromes zu unterstützen, der zu der Membran 28 geleitet wird. Spülgas wird zusammen mit weiterem Permeatwasser durch eine Leitung 42 von dem Membrantrockner abgeführt.
  • Fachleuten versteht sich, daß der Gebrauch des Membrantrockners 28 der zweiten Stufe in Abhängigkeit von dem bei jedem speziellen Erzeugungsvorgang von trockenem, hochreinem Stickstoff und/oder Sauerstoff gewünschten Trocknungsgrad der Einsatzluft fakultativ ist. Der Membrantrockner 28 der zweiten Stufe, wenn er wie bei der Ausführungsform von FIG. 2 eingesetzt wird, wird typischerweise kleiner sein und viel weniger Spülgas erfordern als der Membrantrockner 26 der ersten Stufe, da der größte Teil der Wasserbeseitigung von der Einsatzluft in dem Membrantrocknersystem der ersten Stufe erfolgt.
  • Man wird sehen, daß die Ausführungsform von FIG. 2 insofern vorteilhaft ist, als sie eine Senkung des Gesamtspülbedarfs des Verfahrens gegenüber jenem der Ausführungsform von FIG. 1 ermöglicht. Wenn der gesamte Spülbedarf des Membrantrockners 20 % beträgt und der Spülbedarf des Vortrockner-Adsorptionssystems 30 15 % beträgt, wären bei dieser Ausführungsform somit nur 5 % Spülgas zusätzlich zu dem für die Vorreinigung eingesetzten erforderlich. Das Beseitigen von praktisch dem gesamten Wasser in dem Membrantrockner vermindert außerdem in großem Maße die Wasserlast auf das Vorreinigungs-Adsorptionssystem. Dies wiederum senkt in großem Maße die für die Regeneration des Vorreinigers erforderliche Wärmeenergie, wodurch vielleicht der Gebrauch von Verdichterabwärme für die Regeneration des Vorreinigers möglich wird.
  • Da Wasser eine in dem Vorreiniger stark adsorbierte Komponente darstellt, kann das Beseitigen des meisten Wassers von dem Vorreinigereinsatzgas zu einer verbesserten Leistung des Adsorptionsmittels hinsichtlich dem Beseitigen anderer Komponenten führen, die entfernt werden sollen, wie z.B. Kohlendioxid, Kohlenwasserstoffe und ähnlichem. Es versteht sich, daß dies zu einem wünschenswert verbesserten Betrieb des Vorreinigers führen könnte. Es sollte bemerkt werden, daß zum Beseitigen von Wasser geeignete Membrantrockner generell ebenfalls relativ selektiv für das Beseitigen von Kohlendioxid sind. Dieses Beseitigen von Kohlendioxid wird ebenfalls die Last auf die stromab liegende Adsorptionseinheit senken.
  • Während das Beseitigen von Kohlendioxid durch für das Beseitigen von Wasser geeignete Membrantrockner somit erwünscht ist, beinhalten andere Ausführungsformen, die den Gesamtbetrieb weiter verbessern, den Gebrauch von ein- oder zweistufigen Membransystemen, bei welchen getrennte Membranen zum Beseitigen von Wasser und Kohlendioxid eingesetzt werden. Bei dem einstufigen System werden zwei Membranmaterialien eingesetzt, wobei eines eine für Wasser optimierte Selektivität aulweist, und das andere für Kohlendioxid optimiert ist. Die einzelnen Membranmaterialien können in jeder gewünschten Form angeordnet werden, wie z.B. in einer Seite-an-Seite- oder einer Schicht-auf-Schicht-Anordnung. Der Gebrauch von zwei unterschiedlichen permeablen Membranen, die unterschiedliche Komponenten eines Fluidgemisches abtrennen können, ist in US-A-4 880 440 von Perrin beschrieben. Bei solch einem einstufigen Membransystem, das zum verbesserten Beseitigen von sowohl Wasser als auch Kohlendioxid ausgelegt ist, kann wie bei den oben veranschaulichten Ausführungsformen ein relativ trockenes Spülgas in zweckmäßiger Weise von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem und/oder von dem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem zugeführt werden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform des hybriden Vorreinigers gemäß der Erfindung können zwei getrennte Membranstufen eingesetzt werden. Bei der letzteren Ausführungsform enthält jede Stufe Membranmoduln, die Membranmaterialien enthalten, die speziell für die in erster Linie in dieser abzutrennende Komponente geeignet sind. Die zweistufige Ausführungsform ist vorzugsweise so angeordnet, daß die Einsatzluft zu einer Membran der ersten Stufe geleitet wird, die für das Beseitigen von Wasser ausgelegt ist, wobei das getrocknete Nicht-Permeat- Einsatzgas zu einer Membran der zweiten Stufe geleitet wird, die in erster Linie für das Beseitigen von Kohlendioxid ausgelegt ist. Bei einer solchen Ausführungsform kann ein Teil des Abfallgases von dem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem wie bei der Ausführungsform von FIG. 1 zu dem Membransystem geleitet werden, wobei getrennte Anteile des besagten Spülgases zu der ersten und zweiten Membranstufe geleitet werden. Es versteht sich, daß die zweistufige Membranausführungsform ermöglicht, das Spülgasverhältnis getrennt für jede Komponente, d.h. Wasser oder Kohlendioxid, die von der Einsatzluft entfernt wird, zu optimieren.
  • Unter Bezugnahme auf das zweistufige Verfahren sollte bemerkt werden, daß das von der zweiten Stufe, der Membraneinheit zum Beseitigen von Kohlendioxid, entfernte Abfallspülgas relativ trocken sein wird und in zweckmäßiger Weise als Spülgas zu der ersten Stufe, der Membraneinheit zum Beseitigen von Wasser, geleitet werden kann. Da der Adsorptionsabfall ebenfalls relativ trocken sein wird, kann dieser Strom auch zum Spülen benutzt werden, und er kann wie bei der Ausführungsform von FIG. 2 für solche Spülzwecke zu der Membran der ersten Stufe geleitet werden. Die Abfallströme von der zweiten Membranstufe und von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem können zweckmäßig kombiniert werden, um das gesamte Spülgas oder einen Teil des Spülgases für die Membraneinheit der ersten Stufe zu bilden. Diese Ausführungsform wird typischerweise zu einer wesentlichen Verminderung der Gesamtmenge von Gas führen, das für das Rückführen für Spülzwecke erforderlich ist. In dieser Hinsicht versteht sich, daß trotz dem Gebrauch von getrennten Materialien und Stufen für das Beseitigen von Wasser und Kohlendioxid wahrscheinlich etwas Kohlendioxid in der ersten Stufe, die für das Beseitigen von Wasser ausgelegt ist, entfernt wird, und daß etwas Wasser in der Kohlendioxidbeseitigungseinheit der zweiten Stufe entfernt wird.
  • Es sollte auch bemerkt werden, daß die Adsorption von Wasser in dem Vorreiniger exotherm ist und erhebliche Wärmemengen erzeugt. Dies führt dazu, daß die Temperatur der den Vorreiniger verlassenden Luft steigt, was wiederum die Kühllast auf das Tieftemperatursystem erhöht. Das Beseitigen von Wasser von der Zufuhr zu dem Vorreiniger durch den Gebrauch des Membrantrocknersystems wird dazu neigen, die während einer Adsorption in dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem erzeugte Wärme in großem Maße zu senken, woraus für das stromab stattfindende Tieftemperaturverfahren Vorteile entstehen.
  • Man wird sehen, daß bei der Anwendung der Erfindung Membrantrocknersysteme effektiv mit Vorreinigungs-Adsorptions-Tieftemperatur-Luftzerlegungssystemen integriert werden können, um die Einsatzluft zu den besagten Adsorptions-Tieftemperatursystemen in einer Weise zu trocknen, die einen stark erwünschten Fortschritt gegenüber den üblicherweise in der Technik eingesetzten konventionellen Verfahren darstellt. Der Betrieb des Membrantrocknersystems wird durch den Gebrauch von Spülgas an der Permeatseite der Membran verbessert, wobei trockenes Abfallgas von dem Adsorptions-Tieftemperatursystem oder ein Teil des trockenen, hochreinen Stickstoffproduktstromes von dem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem zu dem Membrantrocknersystem geleitet wird, auch wenn bei diesem System zwei Membranmaterialien für das getrennte Beseitigen von Wasser und Kohlendioxid eingesetzt werden, oder bei den oben beschriebenen zweistufigen Membransystemen, um darin als das gewünschte Spülgas benutzt zu werden.
  • Es ist bekannt, daß bestimmte Membranen Feuchtigkeit aus verdichteter Einsatzluft, Stickstoffströmen oder ähnlichem selektiv beseitigen. Unglücklicherweise wurde herausgefunden, wie offenbart in US-A-4 783 201, daß solche Membranen, wenn sie mit Querstrom-Permeation betrieben werden, einen Stage-Cut, d.h. das Verhältnis des Permeatgasstromes zu dem Einsatzgasstrom, von ungefähr 30 % erfordern können, z.B. bei einem Betrieb bei 11 bar (150 psig), um bei relativ moderatem Druck einen Taupunkt von -40 ºC (-40 ºF) zu erreichen. Offensichtlich wäre die Ausbeute an Produktgas solch einer Querstrommembraneinheit recht gering, und der Bedarf an Energie und Trocknerfläche solch eines Gesamtsystems wäre unerwünscht hoch. Um die Vorteile der integrierten Systeme bei der Anwendung der Erfindung zu verbessern, wird jedoch das Membrantrocknersystem zweckmäßig im Gegenstrom betrieben, wobei trockenes Rückstromspülgas an die Permeatseite der Membran geleitet wird, um das Wegtragen von Feuchtigkeit von der besagten Permeatseite zu erleichtern und um eine hohe Antriebskraft über die Membran zur Feuchtigkeitsbeseitigung aufrechtzuhalten. Dieses Verarbeitungsmerkmal dient dazu, die erforderliche Membranfläche und die Produktpermeations verluste, die zum Erreichen eines gegebenen Produkttaupunktes, d.h. eines Trocknungspegels, erforderlich sind, zu minimieren. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist es zweckmäßig, die von der Kopermeation des besagten Stickstoffs und Sauerstoffs von der Einsatzluft herrührenden Produktverluste auf weniger als 1 %, vorzugsweise auf weniger als 0,5 %, des gesamten Produktstromes zu halten.
  • Es versteht sich, daß die in dem Trocknermembransystem benutzte Membranzusammensetzung eine sein sollte, die eine hohe Selektivität für Wasser gegenüber Stickstoff und Sauerstoff hat. Das heißt, Feuchtigkeit muß viel schneller als Luft selektiv permeiert werden. Der Wasser/Luft-Trennfaktor sollte für ein vorteilhaftes Beseitigen von Feuchtigkeit aus Luft mindestens 50 betragen, und vorzugsweise ist er größer als 1000. Wie oben angedeutet wird solch ein Trocknermembransystem auch einen Kohlendioxid/Luft-Trennfaktor haben, der im Bereich von etwa 10 bis etwa 200 liegt. Außerdem sollte die Membranzusammensetzung eine relativ niedrige Permeabilitätsrate für sowohl Stickstoff als auch Sauerstoff haben. Zelluloseacetat ist beispielsweise ein bevorzugtes Membrantrennmmaterial, das diese Kriterien erfüllt. Es versteht sich, daß eine Vielfalt anderer Materialien ebenfalls eingesetzt werden kann, wie z.B. Ethylzellulose, Silikongummi, Polyurethan, Polyamid, Polystyrol und ähnliches. Bei den ein- oder zweistufigen Membransystemen, bei welchen getrennte Materialien zum Beseitigen von Wasser und Kohlendioxid eingesetzt werden, ist Zelluloseacetat ein bevorzugtes Material für Zwecke der Wasserbeseitigung, wobei Ethylzellulose ebenfalls für solche Zwecke geeignet ist. Als Beispiele für geeignete Materialien zum Gebrauch als getrenntes Material zum Beseitigen von Kohlendioxid sind Polybutadien und Naturkautschuk zu nennen.
  • Das Membrantrocknersystem mit einem Membranmaterial mit zweckmäßiger Membranzusammensetzung, das wie hier offenbart und beansprucht mit einem Druckwechseladsorptionssystem und einem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem integriert ist, wird wie oben angedeutet vorzugsweise mit einer Gegenstrom-Stromverteilung betrieben. In der kommerziellen Praxis wurden gewöhnlich in Hohlfasermembrananordnungen oder in anderen geeigneten Membrananordnungen, z.B. spiralförmig gewundenen Membranen, Bündelanordnungen eingesetzt, die für eine Stromverteilung des Querströmungstyps sorgen. Bei einem Querstrombetrieb steht die Strömungsrichtung des Permeatgases an der Permeatseite der Membran in einem rechten Winkel zu der Strömung von Einsatzgas an der Einsatzseite der Membran. Zum Beispiel steht bei dem Gebrauch von Hohlfaserbündeln und dem Durchleiten von Einsatzgas an der Außenseite der Hohlfasermembranen die Strömungsrichtung des Permeats in den Bohrungen der Fasern im allgemeinen in einem rechten Winkel zu der Strömung von Einsatzgas über die Außenfläche der Hohlfasern. Bei dem Innen-nach-außen-Verfahren, bei welchem das Einsatzgas durch die Bohrungen der Hohlfasem geleitet wird, strömt das Permeatgas im allgemeinen in einem rechten Winkel zu der Strömungsrichtung von Einsatzgas innerhalb der Bohrungen der Hohlfasern von der Oberfläche der Hohlfasern weg, und dann innerhalb des Außenmantels in Richtung der Auslaßanordnung für das Permeatgas. Wie in der am 24. Juni 1987 veröffentlichten EP-A-0 226 431 gezeigt, können Gegenstrom-Stromverteilungen erzeugt werden durch das Einschließen des Hohlfaserbündels in eine undurchdringliche Sperre über die gesamte Außenfläche in der Längsrichtung derselben mit Ausnahme eines nicht eingeschlossenen Umfangsbereichs nahe einem Ende des besagten Bündels. Dies ermöglicht dem Einsatzgas oder dem Permeatgas in Abhängigkeit von der gewünschten Betriebsart, d.h. von innen nach außen oder von außen nach innen, in einem Gegenstrom außerhalb der Hohlfasern parallel zu der Strömungsrichtung von Permeatgas oder Einsatzgas in den Bohrungen der Hohlfasern zu strömen. Das Einsatzgas an der Außenseite des Hohlfaserbündels wird z.B. dazu gebracht parallel statt in rechtem Winkel zu der zentralen Achse des Faserbündels zu strömen. Es versteht sich, daß die Membranfasern entweder in geraden Baugruppen parallel zu der zentralen Achse des Bündels angeordnet werden können, oder daß sie alternativ spiralförmig um die zentrale Achse gewunden werden können. In jedem Fall kann das undurchdringliche Sperrmaterial eine Umwicklung aus einem undurchdringlichen Film sein, z.B. aus Polyvinyliden oder ähnlichem. Alternativ kann die undurchdringliche Sperre ein undurchdringliches, aus einem unschädlichen Lösungsmittel aufgebrachtes Überzugsmaterial, z.B. Polysiloxan, oder eine über das Membranbündel installierte und auf das Bündel geschrumpfte Schrumpfhülle sein. Die undurchdringliche Sperre umschließt somit das Hohlfaser- oder ein anderes Membranbündel und hat, wie in der besagten Veröffentlichung offenbart, eine Öffnung, die einen Gasstrom in das oder aus dem Bündel gestattet, so daß das Fluid in einer zu der Achse des Faserbündels im wesentlichen parallelen Richtung strömt. Zu Zwecken der Erfindung sollte die Stromverteilung so beschaffen sein, daß der feuchte Einsatzluftstrom im Gegenstrom zu dem das Spülgas bildenden Permeatgas strömt, das wie oben angedeutet zusammen mit Feuchtigkeit, die durch das Membranmaterial in dem Membrantrocknersystem permeiert, angeliefert wird.
  • Es sollte bemerkt werden, daß Membrantrocknungsvorgänge in der Technik gewöhnlich unter Verwendung einer dichten Fasermembran ausgeführt werden. Die Membrandicke für solch eine dichte Faser ist auch die Wandstärke, und sie ist im Vergleich zu dem Hautbereich einer asymmetrischen Membran oder zu der Trennschicht einer Verbundmembran sehr groß. Bei einer dichten Faser ist es notwendig, eine große Wandstärke zu haben, um eine wesentliche Druckkapazität zu erreichen. Daher haben dichte Fasern eine sehr geringe Permeabilitätsrate, und für adäquates Trocknen des Stickstoffprodukts erfordern sie den Gebrauch einer sehr großen Oberfläche. Im Gegensatz dazu haben asymmetrische oder Verbundmembranen, die für die Zwecke der Erfindung gegenüber dichten Membranen bevorzugt werden, sehr dünne Membrantrennschichten, wobei der relativ porösere Substratbereich der besagten Membranen für mechanische Festigkeit und Abstützung für den sehr dünnen Bereich sorgt, der die Trenneigenschaften der Membran bestimmt. Daher ist bei asymmetrischen oder Verbundmembranen viel weniger Oberfläche erforderlich als für dichte, homogene Membranen. Aufgrund der inhärent verbesserten Permeabilität, die durch den Gebrauch von asymmetrischen oder Verbundmembranen statt dichten Membranen erzielt werden kann, ist es zweckmäßig, die Leistung von asymmetrischen und Verbundmembranen bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf das Trocknen von Einsatzluft zu verbessern, um so eine wesentliche Senkung der Verluste von wertvoller Einsatzluft durch Kopermeation zu erreichen, die bei einem Querstrombetrieb solcher Membranen auftreten würde.
  • Es versteht sich, daß das für die Zwecke der Erfindung eingesetzte Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem jedes konventionelle, kommerziell verfügbare System sein kann, das mittels Tieftemperatur-Rektifikation von Luft hochreinen Stickstoff und/oder Sauerstoff in zweckmäßigen Mengen erzeugen kann. Die Details des Tieftemperatur-Luftzerlegungssystems bilden keinen Teil des Kerns der Erfindung, welche die Integration eines Tieftemperatursystems mit einem Membrantrocknersystem und einem konventionellen Vorreinigungs-Adsorptionssystem betrifft. Repräsentative Beispiele für diese Tieftemperatur-Luftzerlegungstechnologie sind in US-A-4 448 595 von Cheung, US-A-4 453 957 von Pahade et. al. und in US-A-4 594 085 von Cheung offenbart. In ähnlicher Weise ist das bei der Anwendung der Erfindung eingesetzte Vorreinigungs-Adsorptionssystem jegliches zweckmäßige, in der Technik bekannte Adsorptionssystem, das unerwünschte Verunreinigungen von dem trockenen Einsatzluftstrom entfernen kann, bevor dieser zu dem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem geleitet wird. Das eingesetzte Vorreinigungs-Adsorptionssystem kann jedes zweckmäßige, kommerziell verfügbare System sein, das Kohlendioxid und/oder andere Verunreinigungen, einschließlich Restwasser, von dem trockenen Einsatzluftstrom beseitigen kann. Das Adsorptionssystem ist gewöhnlich ein Druckwechseladsorptionssystem, das so betrieben wird, daß es die besagten Verunreinigungen von der Einsatzluft bei erhöhtem Druck selektiv adsorbiert und die besagten Verunreinigungen bei einem niedrigeren Druck, z.B. nahe dem Umgebungsdruck, desorbiert, um diese aus dem System zu beseitigen. Bei solchen Drucksystemen werden typischerweise zwei Adsorberbetten eingesetzt, wobei ein Bett zu Adsorptionszwecken benutzt wird, während das andere Bett regeneriert wird. Typische in den besagten Betten eingesetzte Adsorptionsmaterialien beinhalten Aluminiumoxid, Zeolithmolekularsiebe oder Kieselgel. Alternativ können solche Systeme in einem Temperaturwechseladsorptionszyklus betrieben werden, wobei die gewünschte Adsorption bei einer niedrigeren Temperatur ausgeführt wird und Desorption bei einer erhöhten Temperatur erzielt wird.
  • Für die Zwecke der Erfindung ist ein Spülverhältnis, d.h. Rückflußspülgas/Einsatzluftstrom an der Nicht-Permeatseite, von mindestens etwa 10 %, vorzugsweise jedoch von 20 % oder mehr, erwünscht, um den Flächenbedarf, die Produktverluste und die Rückdiffusion auf einem Minimum zu halten. Die Anforderungen bezüglich des Spülverhältnisses neigen dazu, bei relativ niedrigeren Einsatzluftdrücken größer zu sein als bei höheren Drücken.
  • Bei einem anschaulichen Beispiel für die Anwendung der Erfindung ist das Tieftemperatur- Luftzerlegungssystem ausgelegt, 50 Tonnen trockenen, hochreinen Stickstoff zu erzeugen. Da die auf Luft in dem konventionellen vorgereinigten Tieftemperatursystem basierende Stickstoffausbeute typischerweise in der Größenordnung von 52 % liegt, stehen näherungsweise 48 % des Einsatzluftstromes als Niederdruckabfall zur Verfügung. Das Tieftemperatursystem kann zweckmäßig mit einem Einsatzluftdruck von 6,3 bar (91 psia) bei einer Temperatur von 46 ºC (115 ºF) und einem Abfallgasdruck von 1,2 bar (18 psia) betrieben werden. Bei einem konventionellen System können zweckmäßig ein Nachkühler-Taupunkt von 46 ºC (115 ºF), ein Kühlerproduktluft-Taupunkt von 4 ºC (40 ºF) und ein Adsorptionsmittelproduktluft- Taupunkt von -73 ºC (-100 ºF) eingesetzt werden. Ein konventioneller mechanischer Kühler zum Gebrauch in solch einem System würde näherungsweise US-$ 30000 kosten und etwa 10 KW elektrische Energie verbrauchen. Der Luftdruckabfall in solch einem Kühler und Feuchtigkeitsabscheider würde in der Größenordnung von etwa 14 kPa (2 psi) liegen. Bei der Anwendung der Erfindung wird der Kühler wie bei der Ausführungsform von FIG. 1 vorzugsweise durch ein Membrantrocknersystem ersetzt, das einen Sauerstoff/Stickstoff-Trennfaktor von 5,9 und einen Wasser/Luft-Trennfaktor von 1000 oder mehr hat. Das Membrantrocknersystem besteht zweckmäßig aus Hohlfasermembranen, die in spiralförmiger Anordnung gewunden sind, und die unter Verwendung einer undurchdringlichen Sperre aus Polyvinyliden zum Umschließen der Membran und zum Erzeugen einer Gegenstrom-Stromverteilung betrieben werden. Um den Betrag der Verluste an verdichteter Luft, die von einer Permeation während dem Trocknungsvorgang herrühren, zu minimieren, wird der Stage-Cut, d.h. Permeat-/Einsatzstrom, der Membran sehr klein gehalten. Es sollte jedoch bemerkt werden, daß wie oben angedeutet ein Teil des tatsächlichen Stage-Cuts des Betriebes von dem gewünschten Abweisen von Wasser herrührt und unvermeidbar ist, falls das gewünschte Trocknen erreicht werden soll. Für verbessertes Trocknen wird daher der Trocken-Stage-Cut, der von der Kopermeation von Sauerstoff und Stickstoff herrührt, z.B. auf nicht mehr als etwa 5 %, vorzugsweise auf weniger als 0,5 % der Einlaß-Einsatzluft minimiert. Bei den speziellen oben angegebenen Betriebsbedingungen und Membraneigenschaften wird ein trockenes Rückflußspülverhältnis in der Größenordnung von 18-20 % benutzt. Es zeigt sich, daß das Membrantrocknersystem eine wesentliche Senkung der Investitions- und Energiekosten sowie andere Vorteile erzielt, vorausgesetzt daß das besagte trockene Flußspülverhältnis von mindestens 18 % verfügbar ist.
  • Ein weiterer Vorteil des Membrantrocknersystems liegt darin, daß es nicht darauf begrenzt ist, eine Luftzufuhr mit einem Taupunkt von 4 ºC (40 ºF) zu dem Adsorptions-Tieftemperatursystem zu liefern. Eine gegebene Membranfläche kann benutzt werden, um Luft mit in Abhängigkeit von dem eingesetzten Spülverhältnis und den Membraneigenschaften variierender Qualität bereitzustellen. Die Restwasserkonzentration der getrockneten Luft kann abgesehen von dem Gebrauch einer vergrößerten Membranfläche durch den Gebrauch von mehr Spülgas oder von Membranen mit höheren Wassertrenneigenschaften gesenkt werden. Jede solche Senkung des Restwassergehalts wird dazu dienen, die Menge von Wasserdampf zu verringern, die durch die Adsorberbetten in dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem entfernt werden muß wodurch die Kapazität des besagten Systems erhöht und dessen Spülgas- und Energiebedarf gesenkt werden. Der optimale Membrantrockner-Taupunkt wird somit von den relativen Kosten der Wasserbeseitigung in dem Membrantrocknersystem und in dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem abhängen.
  • Es versteht sich, daß bei den Details des hier offenbarten Verfahrens und der Vorrichtung verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung, wie er in den anhängenden Ansprüchen dargelegt ist, abzuweichen. So können asymmetrische oder Verbundmembranstrukturen in dem Membrantrocknersystem gemäß der Erfindung eingesetzt werden. Während für Produkttrocknungsanwendungen gewöhnlich dichte Membranen benutzt werden, werden solche dichten Membranen aufgrund der oben erwähnten inhärenten Begrenzungen nicht bevorzugt, obschon sie bei der Anwendung der Erfindung benutzt werden können.
  • Die bei der Anwendung der Erfindung eingesetzten permeablen Membranen, entweder in einer einstufigen oder der zweistufigen Ausführungsform, bei denen ein einziges Material oder getrennte Materialien zum Beseitigen von Wasser und Kohlendioxid benutzt werden, werden gewöhnlich in Baugruppen aus Membranbündeln eingesetzt, die typischerweise innerhalb von Umhüllungen angeordnet sind, um Membranmoduln zu bilden, die das wesentliche Element eines Membransystems darstellen. Ein Membransystem kann ein einziges Modul oder eine Anzahl solcher Moduln aufweisen, die entweder für einen parallelen oder einen seriellen Betrieb angeordnet sind. Die Membranmoduln können unter Verwendung von Membranbündeln in konventioneller Hohlfaserform oder spiralförmig gewunden, aus flachen Schichten gefaltet oder in anderen gewünschten Membrananordnungen aufgebaut sein. Membranmoduln werden so aufgebaut, daß sie eine Einsatzluftseite und eine gegenüberliegende Permeatgasaustrittsseite haben. Bei Hohlfasermembranen kann die Einsatzseite entweder die Bohrungsseite für einen Betrieb von innen nach außen oder die Außenseite der Hohlfasern für einen Betrieb von außen nach innen sein. Es werden Anordnungen vorgesehen, um Einsatzluft in das System einzuleiten und sowohl Permeat- als auch Nicht-Permeatströme abzuziehen.
  • Wie oben angedeutet sollte das bei der Erfindung eingesetzte Spülgas ein trockenes oder ein relativ trockenes Gas sein, wie z.B. von den oben beschriebenen Quellen. Wie hier benutzt ist ein relativ trockenes Spülgas eines, dessen Feuchtigkeitspartialdruck nicht den Partialdruck von Feuchtigkeit in dem getrockneten Einsatzluftstrom übersteigt. Vorzugsweise hat dieses Spülgas einen Feuchtigkeitspartialdruck, der kleiner als die Hälfte des Feuchtigkeitspartialdrucks in dem besagten Strom ist, wie es für die hier offenbarten Quellen für Spülgas der Fall ist.
  • Es zeigt sich, daß Membranen ein stark erwünschtes System und Verfahren zum Trocknen von Einsatzluft vor dessen Zuleitung zu einem Luftadsorptions-Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem für das Erzeugen von trockenem, hochreinem Stickstoff darstellen. Indem das Trocknen in zweckmäßigen Membransystemen bewerkstelligt wird, kann der Gebrauch der kostspieligeren Kühler zum Beseitigen von Feuchtigkeit vermieden werden. Indem die Verfahrensströme des Membrantrocknersystems, bei dem ein- oder zweistufige Einheiten eines einzelnen Materials oder getrennter Materialien zum verbesserten Beseitigen von Wasser und Kohlendioxid benutzt werden, mit dem Tieftemperatur-Luftzerlegungssystem und dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem integriert werden, wird in zweckmäßiger Weise ein Spülen der Niederdruck-Permeatseite des Membrantrocknersystems mit relativ trockenem Spülgas erreicht. Durch den Einsatz einer Bündelanordnung zum Einrichten einer Gegenstrom-Stromverteilung können bevorzugte Ausführungsformen des Trocknungsvorgangs mit einer verbesserten Ausbeute an trockener Einsatzluft ausgeführt werden, wobei die Kopermeation von wesentlichen Mengen von verdichteter Luft, wie sie bei Querstrom-Permeationsvorgängen auftritt vermieden wird.

Claims (27)

1. Vorrichtung zur Erzeugung von trockenem Stickstoff und/oder Sauerstoff hoher Reinheit aus Luft, mit:
a) einem Membrantrocknersystem, das in feuchter Einsatzluft vorhandenes Wasser und Kohlendioxid selektiv durchlassen kann und das gesonderte Membranwerkstoffe, und zwar einen für das selektive Permeieren von Wasser und den anderen für das selektive Permeieren von Kohlendioxid, aufweist;
b) einem Vorreinigungs-Adsorptionssystem, das restliches Wasser, Kohlendioxid und andere Verunreinigungen von trockener Einsatzluft, die als Nichtpermeat-Gas von dem Membrantrocknersystem abgezogen wird, selektiv adsorbieren kann;
c) einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage für die Tieftemperatur-Rektifikation von Luft und die Erzeugung von trockenem Stickstoff- und/oder Sauerstoff- Produktgas hoher Reinheit zusammen mit einem trockenen Abgas;
d) einer Leitungsanordnung zum Überleiten von relativ trockenem Spülgas zu der Niederdruck-Permeatseite des Membrantrocknersystems, um das Abführen von Wasserdampf und Kohlendioxid von der Oberfläche der Membran zu ermöglichen und die Antriebskraft für die Beseitigung von Wasserdampf und Kohlendioxid durch die Membran aus dem Einsatzluftstrom zwecks verbesserter Feuchtigkeitsabscheidung aus diesem zu ermöglichen, wobei das relativ trockene Spülgas Abgas oder Produktgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage und/oder dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem oder Umgebungsluft aufweist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Membrantrocknersystem Membranbündel enthält, die sich für eine Gegenstrom-Stromverteilung eignen, wobei das Permeatgas im wesentlichen parallel zu dem Strom aus feuchter Einsatzluft strömt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das trockene Spülgas für das Membrantrocknersystem Abgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3 mit einer Leitungsanordnung zum Überleiten eines Teils des Abgases von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zu dem Vorreinigungs- Adsorptionssystem als Spülgas für dieses.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer Leitungsanordnung zum Überleiten von Abgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zu dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem als Spülgas für dieses, wobei das Abgas von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem das Spülgas für das Membrantrocknersystem aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Membrantrocknersystem ein Zweistufen- Membransystem aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welcher die erste Membranstufe für die Beseitigung von Wasser aus der Einsatzluft geeignet ist und einen Membranwerkstoff aufweist, und die zweite Stufe für die Beseitigung von Kohlendioxid aus Einsatzluft geeignet ist und einen gesonderten Membranwerkstoff aufweist, und wobei eine zusätzliche Leitungsanordnung vorgesehen ist, um Abgas oder Produktgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage oder entspannte Luft der zweiten Stufe des Membransystems als Spülgas zuzuleiten.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher das Membrantrocknersystem Membranbündel enthält, die sich für eine Gegenstrom-Stromverteilung eignen, wobei das Permeatgas im wesentlichen parallel zu dem Strom der feuchten Einsatzluft strömt.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einer weiteren Leitungsanordnung zum Überleiten von Abgas oder Produktgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage oder von entspannter Luft gesondert zu der ersten und der zweiten Stufe des Membransystems als Spülgas.
10. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit einer Anordnung zum Überleiten von Spülgas oder Permeatgas, das von der zweiten Stufe des Membransystems abgezogen wird, zu der ersten Stufe dieses Systems als Spülgas.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Leitungsanordnung zum Überleiten von Abgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage zu dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem als Spülgas für dieses.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 mit einer Anordnung zum Überleiten des Abgases von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem zu dem Membrantrocknersystem als Spülgas für dieses.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, bei welcher das Abgas von dem Vorreinigungs- Adsorptionssystem der ersten Stufe des Membransystems als Spülgas zusammen mit dem Gas zugeführt wird, das von der zweiten Stufe des Membransystems abgegeben wird.
14. Verfahren zur Erzeugung von trockenem Stickstoff und/oder Sauerstoff hoher Reinheit aus Luft, bei dem:
a) feuchte Einsatzluft einem Membrantrocknersystem zugeführt wird, das aus dieser Wasser und Kohlendioxid selektiv durchlassen kann und das gesonderte Membranwerkstoffe, und zwar einen für das selektive Permeieren von Wasser und den anderen für das selektive Permeieren von Kohlendioxid, aufweist;
b) die so getrocknete Einsatzluft einem Vorreinigungs-Adsorptionssystem zugeführt wird, das Kohlendioxid, restliches Wasser und andere Verunreinigungen von trockener Einsatzluft, die als Nichtpermeatgas von dem Membrantrocknersystem abgezogen wird, selektiv adsorbieren kann;
c) die trockene, vorgereinigte Einsatzluft von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage für die Tieftemperaturrektifikation von Luft und die Erzeugung von trockenem Stickstoffproduktgas hoher Reinheit zusammen mit einem trockenen, sauerstoffhaltigen Abgas zugeführt wird;
d) trockenes Stickstoffproduktgas hoher Reinheit von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage gewonnen wird; und
e) relativ trockenes Spülgas der Niederdruck-Permeatseite des Membrantrocknersystems zugeführt wird, um das Abführen von Wasserdampf und Kohlendioxid von der Oberfläche der Membran zu ermöglichen und die Antriebskraft für die Beseitigung von Wasserdampf und Kohlendioxid durch die Membran hindurch aus dem Einsatzluftstrom zwecks verbesserter Feuchtigkeitsabscheidung aus diesem zu ermöglichen, wobei das relativ trockene Spülgas Abgas oder Produktgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage und/oder dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem oder Umgebungsluft aufweist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Membrantrocknersystem Membranbündel enthält, die für eine Gegenstrom-Stromverteilung geeignet sind, wobei das Permeatgas im wesentlichen parallel zu dem Strom aus feuchter Einsatzluft strömt.
16. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das trockene Spülgas für das Membrantrocknersystem Abgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem ein Teil des Abgases von der Tieftemperatur- Luftzerlegungsanlage dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem als Spülgas für dieses System zugeleitet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem Abgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem als Spülgas für dieses System zugeleitet wird und das Abgas von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem das Spülgas für das Membrantrocknersystem aufweist.
19. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem das Membrantrocknersystem ein zweistufiges Membransystem aufweist.
20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem die erste Membranstufe für das Entfernen von Wasser aus der Einsatzluft geeignet ist und einen Membranwerkstoff aufweist, und die zweite Stufe für das Entfernen von Kohlendioxid aus Einsatzluft geeignet ist und einen zweiten Membranwerkstoff aufweist, und bei dem Abgas oder Produktgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage oder entspannte Luft der zweiten Stufe des Membransystems als Spülgas zugeleitet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem Abgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage der zweiten Stufe des Membransystems als Spülgas zugeleitet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem das Membrantrocknersystem Membranbündel enthält, die für eine Gegenstrom-Stromverteilung geeignet sind, wobei das Permeatgas im wesentlichen parallel zu dem Strom von feuchter Einsatzluft strömt.
23. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem Abgas oder Produktgas von der Tieftemperaturluftzerlegung oder entspannte Luft der ersten und der zweiten Stufe des Membransystems gesondert zugeleitet wird.
24. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem Spülgas und Permeatgas, das aus der zweiten Stufe des Membransystems ausgetragen wird, der ersten Stufe des Membransystems als Spülgas zugeführt werden.
25. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem Abgas von der Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem als Spülgas für dieses System zugeleitet wird.
26. Verfahren nach Anspruch 24, bei dem Abgas von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem dem Membrantrocknersystem als Spülgas für dieses System zugeleitet wird.
27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem das Abgas von dem Vorreinigungs-Adsorptionssystem der ersten Stufe des Membransystems als Spülgas zusammen mit dem Gas zugeleitet wird, das aus der zweiten Stufe des Membransystems ausgetragen wird.
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