DE69127267T2

DE69127267T2 - Dreistufiges Membrangastrennungsverfahren und Einrichtung dazu

Info

Publication number: DE69127267T2
Application number: DE69127267T
Authority: DE
Inventors: Ravi Prasad
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1990-12-10
Filing date: 1991-12-09
Publication date: 1998-02-05
Anticipated expiration: 2011-12-10
Also published as: US5102432A; EP0490322B1; KR920011567A; DE69127267D1; CA2057253A1; KR960004605B1; JP2660464B2; JPH04277008A; MX9102449A; EP0490322A1; BR9105318A; RU2035981C1; CN1063053A

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Stickstoff aus Luft. Genauer bezieht sie sich auf die Erzeugung von Stickstoff mit hoher Reinheit.

Beschreibung des Stands der Technik

Permeierbare Membranverfahren und -systeme sind bei den Arbeitsvorgängen der Luftzerlegung für die Erzeugung von Stickstoff zunehmend verwendet worden. Bei derartigen Vorgängen wird Einsatzluft mit der Membranoberfläche in Kontakt gebracht und Sauerstoff als die stärker permeierbare Luftkomponente durchläuft die Membrane, während Stickstoff als die weniger leicht adsorbierbare Luftkomponente von dem Membransystem als ein Nichtpermeat-Produktstrom abgezogen wird.
Obgleich die Prinzipien der Gastrennung unter Verwendung von Membranen bereits seit langer Zeit bekannt sind, machten erst in jüngster Zeit Fortschritte in der Membranherstellung und in der Packtechnik die Membrantechnologie für kommerzielle Luft- und andere Gastrennungen ökonomisch attraktiv. Aufgrund dieser Entwicklungen und der der Membrantechnologie innewohnenden Einfachheit besteht ein hohes Ausmaß an Interesse und Aktivität hinsichtlich der Gastrennungen in der Membrantechnik, und insbesondere auf dem Gebiet der Luftzerlegungsanwendungen.
Ein Verfahren zur Trennung von Methan aus einem gasförmigen Gemisch von Kohlendioxid und Methan ist in EP-A-0 110 858 offenbart. In diesem Verfahren wird das Gasgemisch in Kontakt mit einem ersten Separator gebracht, der eine Membran mit einer höheren Permeierbarkeit für Kohlendioxid als für Methan aufweist, um zu ermöglichen, daß das kohlendioxidangereicherte Gas durch die Membran permeieren kann. Das nichtpermeierte Gas wird in Kontakt mit mindestens einem nachfolgenden Separator gebracht, von dem ein mit Kohlendioxid angereichertes Permeatgas als ein Umwälzstrom abgezogen wird.
Einstufige Hohlfaser-Membranverfahren und -systeme sind für die Erzeugung von angereichertem Stickstoff aus Luft entwickelt worden. Dieser Ansatz weist den Vorteil der Minimierung der mit den für die Membranstufung, der Membranherstellung, der Leitungsinstallation und ähnlichem verbundenen Kapitalkosten auf Wenn der erwünschte Stickstoffreinheitsgrad zunimmt, sinkt allerdings die Produktausbeute und die notwendige Energie sowie die Erfordernisse der Membranoberfläche steigen, wodurch in der Gesamtsicht die Durchführung einer einstufigen Arbeitsweise weniger wünschenswert wird.
Für Stickstoffproduktreinheiten über etwa 94% kommen zweistufige Membranverfahren und - systeme als Alternative zu dem einstufigen Arbeitsgang in Betracht. Bei zweistufigen Operationen, in denen der Sauerstoff die stärker selektiv permeierbare Komponente der Einsatzluft und Stickstoff die schwächer selektiv permeierbare Komponente darstellt, wird das Permeatgas von der zweiten Stufe typischerweise umgewälzt. Die Mischung des Permeatgases, welches, verglichen mit Luft, stickstoffreich ist, und der Einsatzluft für das Membransystem senkt den Sauerstoffgehalt des Einsatzes für das System und erhöht die Stickstoffausbeute, verglichen mit der erreichbaren Ausbeute einer einstufigen Membranstufe. Bei derartigen zweistufigen Membranarbeitsgängen fallen keine zusätzlichen Maschinerien an, da die Niederdruck-Permeatumwälzung aus der zweiten Stufe zu der Ansaugseite des Einsatzgasverdichters zurückgeführt wird. Eine derartige zweistufige Membranoperation ist dargestellt in "Inert Gas Generation Systems for Offshore Platforms"; Beaver und Graham in: Energy Progress, Vol 6, Nr.3, September 1986, S.149-154 und insbesondere FIG. 3 auf S. 151.
Zweistufige Membransysteme werden allgemein zur Erzeugung von Stickstoffprodukten mit Reinheitsgraden von etwa 97% bis etwa 99,9% verwendet, wobei ein Stickstoffprodukt mit einer Reinheit von 98% ein typisches Produkt einer derartigen Membranarbeitsweise darstellt.
Bei hohen Stickstoffreinheiten über 99% tendieren die zweistufigen Membransysteme allerdings zu ziemlicher Kostenintensivität. Somit werden eine höhere Energie und eine gesteigerte Membranoberfläche zur Erzeugung eines derart hohen Reinheitsgrades bei gegebenen Membranpermeationsdrücken notwendig. Alternativ sind eine höhere Energie und ein gesteigerter Transmembrandruck zur Erzeugung eines derartigen hochreinen Stickstoffs für ein Membransystem mit gegebener Oberfläche. Obgleich zweistufige Operationen ebenso wie einstufige Systeme zur Erzeugung eines Stickstoffprodukts mit Reinheitsgraden von 99,99+% verwendet werden können, verliert die gesamte technische und ökonomische Durchführbarkeit der Anwendung derartiger ein- oder zweistufiger Systeme durch die mit den Arbeitsgängen bei diesen hohen Reinheitsgraden verbundenen hohen Kosten an Wert.
Zur Erzeugung von trockenem hochreinen Stickstoff aus Luft offenbart EP-A-0 397 204 ein Verfahren und ein System, indem ein Luftzerlegungs-Membransystem gereinigten Stickstoff aus Einsatzluft zur Weiterleitung zu einem katalytischen Verbrennungssystem für die Reaktion des Restsauerstoffs mit Wasserstoff erzeugt, um einen nassen hochreinen Stickstoffstrom herzustellen, wobei der Stickstoffstrom in einer zur Permeierung des in dem nassen hochreinen Stickstoffstroms vorhandenen Restwassers fähigen Membrantrocknungseinheit getrocknet wird.
Um mit dem äußerst enwünschten Membranansatz ein Stickstoffprodukt mit sehr hoher Reinheit, beispielsweise über etwa 99,5% bewerkstelligen zu können, ist ein zweistufiges Luftzerlegungs-Membransystem mit einer Deoxo-Einheit integriert worden, in welcher der Restsauerstoff in dem von dem Luftzerlegungs-Membransystem entfernten Stickstoffstrom mit Wasserstoff oder einem Brenngas wie z.B. Methan zur Reaktion gebracht wird. Derartige integrierte Membran/Deoxo-Systeme, die in US-A-4 931 070, Prasad, offenbart und dargestellt sind, können zur Erzeugung eines Stickstoffprodukts mit einer Reinheit von bis zu etwa 99,95% oder sogar noch höher wie bis zu einem ultrahohen Reinheitsgrad in der Größe von etwa 99,999% verwendet werden. Obwohl derartige integrierte zweistufige Membran/Deoxo- Systeme ein Stickstoffprodukt mit sehr hoher Reinheit einschließlich ultrahoher Stickstoffreinheit auf eine Weise ermöglichen, die unter Verwendung der oben erwähnten ein- und zweistufigen Membransysteme gemäß dem Stand der Technik nicht erreichbar ist, sind weitere Verbesserungen des Stands der Technik wünschenswert, um den steigenden Bedarf nach hoher Stickstoffreinheit auf eine ökonomisch vernünftigere Grundlage zu begegnen bzw. die Notwendigkeit der Verwendung von Wasserstoff oder anderen Brenngasen zu beseitigen.
Angesichts derartiger industrieller Erfordernisse und Erwartungen an den Ansatz der äußerst vorteilhaften Membrantechnologie für die Luftzerlegung und für andere Gastrennungen hat sich die Aufmerksamkeit auf dreistufige Membransysteme als eine Alternative zur Verwendung einer Deoxo-Einheit mit zweistufigen Systemen gerichtet. Diesbezüglich sei bemerkt, daß drei oder mehrere Membranstufen bisher in dem sogenannten Kaskadenseparations- Ansatz angewendet worden sind, um eine Anreicherung der Permeatkomponente eines Einsatzgasgemisches zu bewerkstelligen. Zu diesem Zweck wird das von jeder Membranstufe getrennte Permeatgas als Einsatzgas in die nächste folgende Membranstufe zusammen mit einem angereicherten Permeatgas, zum Beispiel Sauerstoff im Falle der Luftzerlegung, das von der letzten Membranstufe wiedergewonnen wurde, eingespeist. Nichtpermeatgas, zum Beispiel Stickstoff, wird von jeder derartigen Stufe abgezogen. Dieser Ansatz, der nicht für die Bewerkstelligung erhöhter Reinheitsgrade des Nichtpermeatgases ausgerichtet ist, wird beschrieben in "Operating Lines in Cascade Separation of Binary Mixtures", Hwang und Kammermeyer, Canadian Journal of Chemical Engineering, Februar 1965, S.36-37.
US-A-3 355 861 offenbart eine Zelle zur Trennung fluider Gemischkomponenten mittels Permeation. Die Permeatorzelle ist aus einer Mehrzahl von permselektiven Membranen zusammengesetzt, die jeweils in alternierender transversaler Beziehung mit einer Reihe von aus porösen Platten gefertigten Einsatz/Abstrom-Leitungsanordnungen steht. Zur Bewerkstelligung der notwendigen Produktreinheit mittels Bereitstellung einer Mehrzahl von Durchleitungen durch eine Gaspermeatorzelle wird eine Reihe von Permeatorzellen in einer Kaskadenkreisbahn verwendet.
Ein in dem Oberbegriff aus Anspruch 1 definiertes Verfahren und ein in dem Oberbegriff aus Anspruch 6 definiertes Membransystem sind offenbart in Thompson, Prasad, Gottzmann und Real-Heeren: "Nitrogen Production Using Membranes", einem an einem Symposium in Antwerpen, Belgien am 10-15.9.1989 präsentierten Arbeitspapier. Die FIG. 1 dieses Arbeitspapiers stellte ein-, zwei- und dreistufige Membransysteme für die Gewinnung von Stickstoff mittels Luftzerlegung dar. In dem dort dargestellten dreistufigen System wird Einsatzluft von einem Einsatzverdichter zu einer Membran der ersten Stufe geleitet, von wo ein stärker selektiv permeierbarer Sauerstoffstrom als Abstrom abgelassen wird, wobei der davon getrennte weniger permeierbare Stickstoffstrom zu der zweiten Stufe weitergeleitet wird. Der Permeatstrom der zweiten Stufe wird zum Aufdrücken mit zusätzlichen Mengen an dem Membransystem zugeführter Einsatzluft umgewälzt. Das Nichtpermeatgas der zweiten Stufe wird zu der Membran der dritten Stufe weitergeleitet, von wo das Stickstoffprodukt mit sehr hoher Reinheit als Nichtpermeatgas gewonnen wird. Das Sauerstoff enthaltende Permeatgas von der dritten Stufe wird aufgedrückt und umgewälzt, um zusammen mit zusätzlichen Mengen des Permeatgases der ersten Stufe zu der Membran der zweiten Stufe durchgeleitet zu werden.
Das dreistufige Membransystem stellt eine potentiell wünschenswerte Alternative zu der Verwendung von zwei Membranstufen zusammen mit einer Deoxo-Einheit dar, um Stickstoff mit hohen und sehr hohen Reinheitsgraden zu erzeugen, mit der Ausnahme der Erzeugung von Stickstoff mit ultrahohen Reinheitsgraden. Es ist verständlich, daß das erwünschte Umwälzen des Permeatgases der dritten Stufe zu dem Einlaß der Membran der zweiten Stufe den Einsatz eines zusätzlichen Verdichters benötigt, um den Druck des Permeatgases der dritten Stufe auf den erwünschten Permeationsdruckpegel zum Umwälzen des Gases zu der Membran der zweiten Stufe zu erhöhen. Wie für den Fachmann leicht nachvollziehbar ist, müssen die durch die zusätzliche Umwälzung der dritten Stufe entstehenden Vorzuge wie höhere Produktausbeute, geringere Membranfläche und ähnliches die Kapital- und Betriebskosten überwiegen, die mit der Merkmalsbereitstellung des Umwälzens der dritten Stufe durch den zusätzlichen Verdichter verbunden sind. Jedoch findet sich in dem oben diskutierten Artikel "Nitrogen Production Using Membranes" kein Verweis, wie das dreistufige Membransystem konzipiert sein müßte, um die oben erwähnten Vorzüge gegenüber gewöhnlichen zweistufigen Membransystemen mit integrierter Deoxo-Einheit erreichen zu können.
Daher besteht beim Stand der Technik ein ernsthafter Bedarf nach Bewerkstelligung dieser Vorzüge auf eine ökonomische Weise, so daß die dem Membranansatz innewohnende Einfachheit und dessen Vorteile erweitert werden, um hochreinen Stickstoff aus Luft zu erzeugen, ohne daß das verwendete Membransystem mit einer Deoxo-Einheit oder anderen derartigen Vorrichtungen kombiniert werden müßte, um solche hochreine Pegel zu bewerkstelligen.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Membranverfahrens und - systems zur Erzeugung von Stickstoff aus Luft mit hohen und sehr hohen Reinheitsgraden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens und Systems, das drei oder mehrere Membranstufen für die Erzeugung von Stickstoff mit hoher und sehr hoher Reinheit miffels Luftzerlegung verwendet.
Eine zusätzliche Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Membranverfahrens und -systems zur Zerlegung von Luft und der Erzeugung von Stickstoff mit hoher und sehr hoher Reinheit ohne die Notwendigkeit der Beteiligung einer Deoxo-Einheit.
Hinsichtlich dieser und weiterer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden ausführlich beschrieben werden, wobei deren neue Eigenschaften insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen herausgearbeitet sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Membranverfahren und -system verwendet drei Stufen, wobei ein Umwälzstrom des Nichtpermeatgases von den zweiten und driffen Stufen zu der vorhergehenden Stufe umgewälzt wird, und wobei die Membranoberfläche zwischen den drei Stufen derart verteilt ist, daß die Kapital- und Betriebsausgaben für das Gesamtsystem minimiert werden. Stickstoff mit sehr hoher Reinheit wird ohne die Notwendigkeit des Einsatzes einer Deoxo-Einheit zur Entfernung des Restsauerstoffs von dem Stickstoffprodukt gewonnen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben werden, wobei:
FIG. 1 ein Prozeßablaufdiagramm ist, das eine Ausführungsform des dreistufigen Membransystems der Erfindung darstellt;
FIG. 2 ein Graph ist, der den Effekt der Stickstoffproduktreinheit auf die Stickstoffausbeute für die dreistufigen Membransysteme mit der optimierten Flächenverteilung gemäß der Erfindung gegenüber einem zweistufigen Membransystem darstellt; und
FIG. 3 ein Graph ist, der die Energie und Membranoberfläche zeigt, die mit einem dreistufigen Membransystem mit optimierter Flächenverteilung gemäß der Erfindung zusammenhängt.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung werden durch die Verwendung eines drei- oder mehrstufigen Membranverfahrens und -systems ohne Beteiligung einer Deoxo-Einheit, jedoch mit einer optimalen Flächenverteilung zwischen den ersten, zweiten und dritten Stufen bewerkstelligt, so daß eine effiziente Erzeugung eines Stickstoffprodukts durch Luftzerlegung mit einer sehr hohen Reinheit möglich wird, die etwa 99% übertrifft.
Im Verfahren der Erfindung, bei dem Stickstoff aus Luft erwünschterweise in drei Membranstufen erzeugt wird, wird aufgedrückte Luft zu diese Stufen enthaltenden Membranmodulen geleitet, und zwar bei einem allgemein im Bereich zwischen etwa 446 und etwa 2170 kPa (etwa 50 bis etwa 300 psig) und typischerweise etwa 1135 kPa(150 psig) liegenden Einsatzluftdruck und bei einer allgemeinen in der Höhe von 32,2º C (90º F) liegenden Temperatur. Das Sauerstoffgas permeiert selektiv den in den Modulen verwendeten Membranwerkstoff und wird an der Permeatseite der Membran mit relativem Niederdruck ausgeschieden. Das stickstoffreiche Nichtpermeatgas wird im wesentlichen bei dem hohen Einsatzluftdruck gewonnen. Das Permeatgas von der zweiten Stufe mit einer Sauerstoffkonzentration unterhalb derjenigen von Luft wird erwünschterweise zu dem Kopf der Anlage umgewälzt, um aufgedrückt und zu dem Membransystem umgewälzt zu werden. Ähnlich wird das Permeatgas von der dritten Stufe mit einem Sauerstoffgehalt, der geringer als derjenige des zu der zweiten Stufe geleiteten Nichtpermeatgases der ersten Stufe ausfüllt, zu dem Einsatz der zweiten Stufe umgewälzt. Da das dreistufige Verfahren der Erfindung ein Stickstoffprodukt mit hoher, etwa 99% übersteigender Reinheit einschließlich sehr hoher Reinheiten bis zu etwa 99,99% erzeugen kann, muß keine katalytische Sauerstoffentfernungs- oder Deoxo-Einheit im Verfahren der Erfindung verwendet werden, wie dies bei zweistufigen Membransystemen zur Erzeugung von sehr hohen Stickstoffproduktreinheiten von 99,5% oder darüber einschließlich ultrahoher Reinheitsgrade von etwa 99,999% und darüber notwendig ist.
Unter Bezugnahme auf das erwünschte und bevorzugte dreistufige System der Erfindung, dargestellt in FIG. 1 der Zeichnungen, wird Einsatzluft in einer Leitung 1 zu einem Luftverdichter 2 geleitet, aus dem aufgedrückte Einsatzluft in einer Leitung 3 zu einer Membran der ersten Stufe 4 des dreistufigen Luftzerlegungs-Membransystem geführt wird. Das die stärker selektiv permeierbare Sauerstoffkomponente von Luft aufweisende Permeatgas wird von der Membran 4 durch eine Leitung 5 zum Ablassen als Abstrom bzw. für eine Weiterverwendung außerhalb des Systems abgezogen. Falls erwünscht, kann dieses Permeatgas der ersten Stufe in einem optionalen Verdichter oder einer Vakuumpumpe 6 zur Verwendung außerhalb des Membransystems aufgedrückt werden. Das den weniger permeierbaren Stickstoff aufweisende Nichtpermeatgas aus der Membran 4 wird in eine Leitung 7 zu dem optionalen Verdichter 8 eingespeist, falls dieser in Abhängigkeit der angewandten Betriebsbedingungen einer spezifischen Applikation eingesetzt wird, und zu einer Membran der zweiten Stufe 9 geleitet. Das weiter gereinigte Nichtpermeatgas von der Membran 9 wird in einer Leitung 10 zu einem optionalen Verdichter 17 und zu einer Membran der dritten Stufe 11 geführt, während Permeatgas aus der Membran 9 durch eine Leitung 12 und eine optional verwendbare Vakuumpumpe 13 geleitet wird, um zur Leitung 1 umgewälzt zu werden, damit es zusammen mit zusätzlichen Mengen an Einsatzluft weiter aufgedrückt und zur Membran der ersten Stufe 4 umgewälzt wird. Das Nichtpermeatgas aus der Membran der dritten Stufe 11 wird durch eine Leitung 14 als Stickstoffproduktgas mit hoher oder sehr hoher Reinheit gewonnen. Das Permeatgas aus der Membran 11 wird in einer Leitung 15 zu einer optionalen Vakuumpumpe 16 und zu einem Verdichter 17 geleitet, damit es auf den erwünschten Permeationsdruck aufgedrückt wird, bevor es zur Leitung 7 umgewälzt wird, um zusammen mit Nichtpermeatgas von der Membran der ersten Stufe zu der Membran der zweiten Stufe 9 weitergeleitet zu werden. Während das Nichtpermeatgas von jeder Membranstufe bei im wesentlichen Einsatzdruck abgezogen wird, versteht sich, daß der Einsatzdruck bei einem fehlenden Aufdrücken in der mittleren Stufe von Stufe zu Stufe leicht abnimmt.
Wie oben erwähnt, permeieren derzeit beim Stand der Technik verfügbare und eingesetzte Membranwerkstoffe selektiv Sauerstoff schneller als Stickstoff Wenn ein Lufteinsatzstrom über die Membran strömt, verringert sich die Sauerstoffkonzentration in dem eingegrenzten, durch die Hohlfaser- oder andere Membrankonfiguration fließenden Permeatstrom, wenn der Einsatzstrom das Produktende der Membran erreicht. Einstufige Membransysteme weisen optimalerweise eine derartige Länge aut, daß über der gesamten Länge der Membran der Sauerstoffgehalt in dem örtlichen Permeat Höher als derjenige in der Einsatzluft ist, so daß das örtliche Permeat weniger von der erwünschten Stickstoffkomponente enthält, als in der Einsatzluft vorhanden ist. Solche Umstände treten bei der Erzeugung von Stickstoff mit geringer Reinheit auf, und einstufige Membranverfahren und -systeme sind für derartige Anwendungen am besten geeignet.
Nehmen jedoch die Anforderungen an die Produktstickstoffreinheit zu, beginnen sich die durch die Membran strömenden örtlichen Permeatströme nahe dem Produktende in Bezug zu Luft mit Stickstoff anzureichem. Da der Stickstoff das erwünschte Produkt darstellt, ist verständlich, daß jedweder Strom, der im Vergleich zu Luft reicher an Stickstoff ist, der Luft als Einsatzstrom überlegen ist. Daher ist es wünschenswert, sämtliche stickstoffreiche örtlichen Permeatströme umzuwälzen, um sie mit der in den Einsatzverdichter eintretenden Luft zu vermischen. In der Praxis wird dies üblicherweise durch die Aufteilung des Membransystems in zwei in Reihe angeordnete Stufen bewerkstelligt, so daß sämtliche lokalen Permeatströme in der ersten Stufe sauerstoffreich und diejenigen der zweiten Stufe verglichen mit Luft stickstoffreich ausfallen. Das Permeat der ersten Stufe wird daher von dem System abgezogen, während das Permeat der zweiten Stufe zu dem Einlaß des Einsatzverdichters umgewälzt wird, wie oben erläutert. Das charakteristische Merkmal zur Unterscheidung des zweistufigen Membranverfahrens und -systems von dem einstufigen besteht im Vorliegen eines derartigen Permeatumwälzstroms der zweiten Stufe. Das Umwälzen dieses verglichen mit Luft stickstoffreichen Permeatstroms reduziert den Sauerstoffgehalt des Einlaßgases und erhöht die Stickstoffausbeute. Somit sind keine zusätzlichen Vorrichtungen nötig, da das Niederdruck-Permeatgas von der zweiten Stufe mit Einsatzluft an dem Ansaugeinlaß des Einsatzverdichters vermischt wird.
Ist die Produktstickstoffreinheit genügend hoch, werden die lokalen Permeatströme, die durch die Membran nahe des Produktendes der zweiten Stufe eines zweistufigen Systems strömen, stickstoffangereichert, verglichen mit dem Einlaß zu der zweiten Stufe. Bei derartigen Bedingungen wird es vorteilhaft, die gesamte Membranfläche in drei Stufen aufzuteilen und das Permeat von der dritten Stufe, das verglichen mit dem Nichtpermeat oder Retentat von der ersten Stufe stickstoffreich ist, zur Weiterleitung zu der zweiten Stufe umzuwälzen. Während das Umwälzen des Permeats von der zweiten Stufe eines zweistufigen Systems keinen zusätzlichen Verdichter erfordert, benötigt das Umwälzen des Permeatgases von der dritten Stufe zu der zweiten Stufe eines dreistufigen Systems, wie oben angeführt, einen Umwälzverdichter, um den Druck des Permeatstroms auf denjenigen des Einsatzes zu der zweiten Stufe zu erhöhen. Aufgrund der zusätzlichen Unkosten für eine derartige Umwälzverdichtung stellt sich jedoch heraus, daß die gesamte Membranfläche des dreistufigen Systems unter den Membranstufen auf eine spezifische Weise verteilt werden muß, um die Sauerstoffkonzentration in dem Einsatz zu der dritten Stufe derart ausfallen zu lassen, daß die zusätzlichen Kosten eines Permeat Umwälzverdichters in der dritten Stufe und dessen Energieverbrauch zu rechtfertigen sind. Die bloße Bereitstellung einer dritten Stufe mit einem Umwälzen des dortigen Permeats, wie in FIG. 1 der Zeichnungen dargestellt, reicht alleine jedoch nicht aus, einen praktischen Nutzen für den Betrieb der Stickstofferzeugung mit sehr hoher Reinheit zu bewirken. Vielmehr muß die Flächenverteilung zwischen den drei Stufen derart ausfallen, daß die Sauerstoffkonzentration in dem Permeat der dritten Stufe ausreichend gering ist, verglichen mit der Sauerstoffkonzentration des Einsatzes zu der Membran der zweiten Stufe, damit die erreichte höhere Stickstoffproduktausbeute zusammen mit jeder zulässigen Verringerung der gesamten Membranfläche die mit der Umwälzoperation der dritten Stufe verbundenen Kapital- und Betriebskosten überwiegen.
Die für das Erreichen dieser Vorzüge des dreistufigen Membranbetriebs nötige Flächenverteilung zwischen den Stufen stellt sich als eine Funktion dar, die hauptsächlich abhängig ist von der Produktreinheit, dem Trennfaktor des Membranwerkstoffes, der für die zu trennenden Gaskomponenten, zum Beispiel Sauerstoff/Stickstoff für die Luftzerlegung verwendet wird, sowie von dem Druckverhältnis in der Membran und, zu einem geringeren Ausmaß von den Kosten der Membranfläche. Allgemein ist festzustellen, daß der Anteil der gesamten Membranfläche in den ersten und zweiten Stufen mit steigenden Trennfaktoren, zunehmenden Druckverhältnissen (Einsatzdruck/Permeatdruck) und abnehmenden Ansprüchen an die Produktreinheit zunimmt. Für Arbeitsgänge mit hoher oder sehr hoher Reinheit, die allgemein im Bereich der Stickstoffreinheit zwischen 99% und 99,9% liegen, und mit typischen Druckverhältnissen zwischen 7,8 und 18,0, sowie mit Membranflächenunkosten zwischen 16 und 108 US-Dollar/m² (1,5 und 10,0 US-Dollar/ft²) wurde ermittelt, daß mit der Zunahme des Trennfaktors das Permeat in den Stufen mit mehr Sauerstoff angereichert wird und ein kleinerer Teil der gesamten Membranfläche ein Permeat erzeugt, das stickstoffreich relativ zu Luft ist oder relativ zu dem Nichtpermeatgas der ersten Stufe, das als Einsatz zur zweiten Stufe geleitet wird, und das somit für eine Umwälzung geeignet ist. Folglich steigt der Anteil der Membranoberfläche in der ersten und zweiten Stufe mit der Zunahme des Trennfaktors des Membranwerkstoffes.
In praktisch angewendeten kommerziellen Ausführungsformen der kürzlich entwickelten Luftzerlegungsmembrantechnologie liegt der Trennfaktor der allgemein verfügbaren Membranwerkstoffe für Sauerstoff/Stickstoff allgemein im Bereich von etwa 2 bis etwa 12, wobei praktische kommerzielle Ausführungsformen der Luftzerlegungsmembran typischerweise Trennfaktoren von etwa 4 bis etwa 8 aufweisen. Unter Berücksichtigung der oben diskutierten Grundlagen ist festgestellt worden, daß für praktische kommerzielle Arbeitsvorgänge der Luftzerlegung, die dreistufige Membransysteme mit Aufdrücken des Permeats der dritten Stufe und Umwälzen zu der zweiten Stufe anwenden, Systeme mit einer spezifischen Flächenverteilung zwischen den Stufen verwendetet werden sollten, um eine effektive Gesamtleistung der Luftzerlegungsoperation für die Erzeugung von Stickstoff mit sehr hoher Reinheit zu ermöglichen. Aus den obigen Erläuterungen ergibt sich, daß diese Flächenverteilung eine Funktion des Trennfaktors des Membranwerkstoffes ist, der bei einer vorgegebenen Anwendung unter typischen und ökonomisch geeigneten Gesamtbedingungen verwendet wird. Somit wurde ermittelt, daß die Membranoberfläche der ersten Stufe im Bereich von etwa 8% bis etwa 45% bei einem Trennfaktor von etwa 4 bis zu einer Fläche im Bereich von etwa 20% bis etwa 64% bei einem Trennfaktor von etwa 10 liegt. Dieser Befund spiegelt den obigen Hinweis wider, daß je höher der Trennfaktor ist, um so mehr Oberfläche an einer frühen Stufe in dem System bereitgestellt werden sollte, bzw. daß je tiefer der Trennfaktor ausfällt, die Flächenverteilung umso mehr zu der späteren Stufe verschoben werden sollte.
Ahnlich dazu ist gefünden worden, daß die Membranoberfläche der zweiten Stufe im Bereich von etwa 10% bis etwa 30% bei einem Trennfaktor von 4 bis zu einer Fläche im Bereich von etwa 20% bis etwa 30% bei einem Trennfaktor von 10 liegt. Sowohl für die Verteilungen der ersten wie der zweiten Stufe variiert die Zunahme des Verhältnisses der in der Stufe verwendeten Gesamtoberfläche linear mit der Zunahme des Trennfaktors von etwa 4 auf etwa 10. Die Flächenverteilung der dritten Stufe ist bei der Anwendung der Erfindung die Differenz zwischen der Gesamtheit der ersten und zweiten Flächenverteilungen, wie oben erwähnt, und der Gesamtfläche der ersten, zweiten und dritten Stufen. Während sich eine derartige dreistufige Vorgehensweise für Operationen mit sehr hoher Stickstoffreinheit allgemein als vorteilhaft erweist, wobei das Permeat der dritten Stufe aufgedrückt und zu der zweiten Stufe umgewälzt wird und die gesamte Membranfläche zwischen den Stufen wie oben beschrieben verteilt ist, sei darauf hingewiesen, daß sich die Anwendbarkeit der Erfindung nicht nur auf die Verwendung von nur drei Stufen beschränkt. Somit liegt es im Rahmen der Erfindung, sowohl drei Membranstufen zu verwenden, wie bereits beschrieben, wie auch eine oder mehrere zusätzliche Membranstufen anzuwenden, um das Nichtpermeat-Stickstoffprodukt einer weiteren Reinigung zu unterziehen oder das von dem System abgezogene Permeatgas weiter zu behandeln, wie z.B. jenes von der ersten Stufe abgezogene Gas. Das Permeat von solchen zusätzlichen Stufen kann weiterhin wahlweise zu dem Einsatz der nachfolgenden Stufen umgewälzt werden, um die Wirksamkeit zu erhöhen. Zusätzlich sollte darauf hingewiesen werden, daß obgleich die Erfindung unter Verwendung von Membranwerkstoffen mit Trennfaktoren über etwa 10 ausgeführt werden kann, sich derartige Werkstoffe für den Einsatz in drei- oder mehrstufigen Systemen als weniger wünschenswert erweisen. Mit der Entwicklung neuer Membranwerkstoffe mit höheren Trennfaktoren bis hin zu deren kommerziellen Verwendbarkeit, beispielsweise Membranmaterialien mit erleichtertem Transport, wird aufgrund der durch diese Werkstoffe mögliche Trennselektivität die Verwendung von drei oder mehreren Membranstufen wahrscheinlich überflüssig werden, um Stickstoffprodukte mit hoher oder sehr hoher Reinheit bei den erwünschten Produktausbeuten zu erhalten.
Die Vorzüge der Anwendung des dreistufigen Membranansatzes unter Verwendung der hier offenbarten und beanspruchten Flächenverteilung gegenüber einem optimierten zweistufigen Verfahren sind in FIG. 2 der Zeichnungen dargestellt. Die hier zusammengefaßten Vergleichsdaten wurden basierend auf dem gleichen Verbundhohlfaser-Membranbündel und der gleichen Modulkonfiguration, auf der Verwendung eines porösen Polysulfon-Hohlfasersubstrats, mit einer sehr dünnen Trennschicht mit einem Trennfaktor von 6 beschichtet, und einer Permeabilitätsströmung (Permeabilität/Dicke) von 3,2 10&sup5; barrer/cm erhalten. Ermittelt wurden Einsatzgasdrücke von 791 kPa (100 psig) und 1135 kPa (150 psig). Wie ersichtlich werden wird, nahm die Stickstoffausbeute, als ein prozentualer Gehalt des als Produkt gewonnen Stickstoffs in der Einsatzluft gemessen, sowohl bei 791 kPa (100 psig) als auch bei 1135 kPa (150 psig) für das zweistufige System ab, das das Umwälzen des relativ zu Luft mit Stickstoff angereicherten Permeats der zweiten Stufe bereitstellte. Somit betrug die Produktausbeute etwa 46% bei Verwendung des zweistufigen Systems bei 791 kPa (100 psig) für die Stickstofferzeugung bei einer hohen Reinheit von 99%. Die Produktausbeute nahm jedoch mit steigender erwünschter Stickstoffproduktreinheit ab, wobei eine Ausbeute von etwa 32% bei einer Stickstofferzeugung mit 99,9% Reinheit bewerkstelligt wurde. Das zweistufige System sorgte bei einem Druck von 1135 kPa (150 psig) für eine höhere Wirksamkeit, allerdings nahm auch hier die Stickstoffproduktausbeute mit steigenden Ansprüchen an die Produktreinheit ab. Somit wurde bei Verwendung des zweistufigen Systems bei 1135 kPa (150 psig) eine Stickstoffproduktausbeute von etwa 51% bei dem Reinheitsgrad von 99%, erhalten, wobei bei einer Stickstoffproduktreinheit von 99,9% die Ausbeute auf etwa 38% abnahm.
Im Gegensatz dazu und überraschenderweise tendierte die Stickstoffproduktausbeute in dem dreistufigen Verfahren mit steigender Stickstoffproduktreinheit zu einer Zunahme, wobei die oben erwähnten Flächenverteilungen und eine Permeatumwälzung von der dritten Stufe zu der zweiten Stufe bei Druckpegeln von sowohl 791 wie auch 1135 kPa (100 und 150 psig) verwendet wurden. Damit wurde bei dem Betrieb mit 791 kPa (100 psig) eine Stickstoffproduktausbeute von etwa 51% bei der Stickstofferzeugung mit einer Reinheit von 99% erhalten, wobei die Ausbeute bei dem Stickstoffprodukt Reinheitsgrad von 99,9% bis etwa 55% zunahm. Bei den durch einen Permeationsdruck von 1135 kPa (150 psig) erreichbaren höheren Wirksamkeitspegeln betrug die Stickstoffproduktausbeute etwa 54% bei der Stickstofferzeugung mit einer Reinheit von 99%, wobei diese Ausbeute bei dem Reinheitsgrad von 99,9% bis etwa 57% anstieg. Somit ist erkennbar, daß hinsichtlich der erwünschten Produktausbeute durch die Verwendung eines dreistufigen Membransystems anstelle eines vergleichbaren zweistufigen Systems ein wesentlicher Vorteil erreicht werden kann, und insbesondere dann, wenn die Anforderung an die Stickstoffreinheit von 99% auf etwa 99,9% steigt. Es ist ersichtlich, daß das dreistufige System aufgrund seiner hohen Ausbeute in denjenigen Fällen sogar noch erwünschter ist, bei denen das zu gewinnende Produkt wertvoller als Stickstoff ist, zum Beispiel Krypton und Xenon oder in denjenigen Fällen, in denen der Einsatzstrom im Unterschied zu Luft nicht kostenlos ist.
Während die Stickstoffproduktausbeute eine wichtige Eigenschaft des Arbeitsvorgangs der Membranluftzerlegung darstellt, sind die Membranfläche und der Energieverbrauch des dreistufigen Systems ähnlich relevant, wenn gesamthaft bewertet werden soll, ob die erreichbaren Vorzüge durch Einbeziehung einer driffen Stufe einschließlich des Aufdrückens der driffen Stufe und der Umwälzung zu der zweiten Stute genügend hoch ausfallen, um den Einsatz eines solchen dreistufigen Membranbetriebs zu rechtfertigen. FIG. 3 der Zeichnungen stellt den Betrieb des beispielhaft in FIG. 2 gezeigten dreistufigen Membransystems bei 1135 kPa (150 psig) dar, um die Membranfläche und den Energieverbrauch mit denjenigen Werten zu vergleichen, die bei der Verwendung des vergleichbaren oben erläuterten zweistufigen Systems bei dem gleichen Druckpegel erreichbar sind. Zu diesem Zweck sind der Einfachheit halber die Membranfläche und der Energieverbrauch bezüglich der optimalen Werte für das zweistufige Membransystem normiert. Wie in FIG. 3 dargestellt, fällt sowohl die Membranfläche wie der Energieverbrauch für das dreistufige Membranverfahren und - system der Erfindung niedriger aus als für das vergleichbare zweistufige System. Im einzelnen wurde festgestellt, daß die Membranfläche einen normierten Wert von etwa 0,94 bei dem Stickstoffreinheitsgrad von 99% aufweist, verglichen mit einem Referenzwert von 1,0 für das zweistufige System bei gleichem Reinheitsgrad. Der relative Vorteil des dreistufigen Systems nimmt signifikant zu, wenn die Anforderungen an die Stickstoffreinheit auf den Stickstoffreinheitsgrad bis 99,9% steigen: Dort sinkt der normierte Wert der für das dreistufige Membransystem erforderliche Membranfläche bis etwa 0,83 ab. Ähnlich dazu erweist sich der Energieverbrauch des dreistufigen Systems als signifikant geringer als derjenige des zweistufigen Systems bei dem niedrigeren Reinheitsgrad innerhalb des erwähnten Reinheitsbereichs, und der Unterschied steigt mit höheren Produktreinheitsgraden signifikant an. Im einzelnen betrug der normierte Energieverbrauchswert für das dreistufige System 0,96 bei dem Reinheitsgrad von 99% und nahm bis etwa 0,83 bei dem Reinheitsgrad von 99,9% ab. Die Kombination der vorteilhaften Verbesserung der bei der Anwendung der Erfindung zu erreichenden Stickstoffproduktausbeute und die durch die Verwendung des hier offenbarten und beanspruchten dreistufigen Membransystems zu erzielenden Vorzüge im Zusammenhang mit der Membranfläche und dem Gesamtenergieverbrauch überwiegen die zusätzlichen mit dem dreistufigen Betrieb verbundenen Kapital- und Betriebskosten. Eine Folge davon ist, das eine solche dreistufige Verfahrensweise gemäß der Erfindung ohne den Einsatz einer Deoxo- Behandlung, abgesehen von der Stickstofferzeugung mit ultrahohen Reinheitsgraden, beispielsweise mit einer Stickstoffproduktreinheit von 99,999%, eine attraktive Alternative zu der Verwendung zweier Membranstufen zusammen mit einer Deoxo-Einheit darstellt.
In der Verfahrensweise der Erfindung wird das Nichtpermeatgas von der zweiten Membranstufe zu einer dritten Membranstufe anstatt zu einer katalytischen Reaktionseinheit zur katalytischen Reaktion von in dem Permeatgas enthaltenen Restmengen geleitet. In der üblichen Praxis der Luftzerlegung enthält beispielsweise das Nichtpermeatgas der zweiten Stufe üblicherweise restliches Sauerstoffpermeatgas in Mengen im Bereich zwischen etwa 1% und 2%, und zur Reaktion eines solchen Restsauerstoffs mit Wasserstoff oder mit einem Brenngas wird eine Deoxo-Einheit verwendet. Obgleich die Erfindung die Notwendigkeit einer solchen konventionellen Deoxo-Behandlung beseitigt, kann das durch die Anwendung der Erfindung erhaltene Produktgas mit hoher oder sehr hoher Reinheit wahlweise nachfolgenden Reinigungsverfahren unterzogen werden wie z.B. Adsorptions-, chemischen oder Absorptionsverfahren, um Spuren von Permeatgas zu entfernen. Bei der Luftzerlegung können solche Verfahren, beispielsweise durch die Verwendung von Adsorberbetten zur Anwendung kommen, um Spuren von Sauerstoff aus dem Stickstoffprodukt abzuziehen, wobei der Sauerstoff in Mengen von etwa 0,5% oder weniger und typischerweise in Mengen von etwa 0,1% oder weniger vorliegt.
Mehrere Veränderungen und Modifikationen in den Einzelheiten des hier beschriebenen Membranverfahrens und -systems können durchgeführt werden, ohne den Rahmen der Erfindung entsprechend den beigefügten Ansprüchen zu verlassen. Obwohl zum Beispiel Hohlfasermembrane allgemein bevorzugt werden, können andere Membrankonfigurationen verwendet werden, beispielsweise spiralformig gewundene Membrane. Zwar tendiert dieser Membrantyp entsprechend des Modells einer Permeation vom Querströmungstypus dazu, keine besonders beeindruckende Wirksamkeit aufzuweisen, aber die Verwendung des dreistufigen Ansatzes gemäß der Erfindung stellt solchen Membranen mehrere erwünschte Merkmale der Permeation des Gegenströmungstypus bereit und verbessert dadurch deren Wirksamkeit. Bei Anwendung der Erfindung können die verwendeten Gasströmungsmuster vom Querströmungstypus oder von dem im allgemeinen bevorzugteren Gegenströmungstypus sein. Unter Verwendung der sehr vorteilhaften Hohlfasermembrankonfigurationen kann die Einsatzströmung sowohl von innen nach außen fließen, wobei die Einsatzluft zu den Bohrungen der Hohlfasern zwecks Durchleitung und zu der Mantelseite des Membranbündels geführt wird, oder von außen nach innen, wobei die Einsatzluft zu der äußeren Oberfläche des Membranbündels geleitet und das Permeatgas von den Bohrungen der Hohlfaser gewonnen wird. Um ein Gegenströmungsmuster zwischen dem Gas innerhalb der Bohrungen der Hohlfasern und dem Gas an der äußeren Oberfläche der Membranbündel zu schaffen, können die Hohlfaserbündel von einer undurchlässigen Barriere über die Gesamtheit der in Längsrichtung verlaufenden äußeren Oberfläche umhüllt sein, mit Ausnahme einer nicht umhüllten Umfangsfläche für den Gasfluß in das System oder aus diesem heraus, wie in EP-A- 0 226 431, veröffentlicht am 24.6.1987, dargestellt.
Die bei der Anwendung der Erfindung verwendeten Hohlfasern oder andere erwünschte Membrane können entweder Verbundmembrane oder asymmetrische Membrane aufweisen. Verbundartige Membrane verfügen über eine sehr dünne Trennschicht, die auf ein poröses Substrat aufgebracht wurde. Die Trennschicht, die die Selektivitätsmerkmale der Membran bestimmt, kann aus jedem erwünschten Membranwerkstoff bestehen wie z.B. Ethylzellulose, Zelluloseazetat oder ähnliches, aufgebracht auf einem gebräuchlichen Substratwerkstoff wie Polysulfon. Asymmetrische Membrane weisen einen Werkstoff, beispielsweise Polysulfon mit zwei getrennten morphologischen Regionen auf, namentlich einer dünnen dichten Hautregion, die die Selektivitätsmerkmale der Membran bestimmt, und einer weniger dichten porösen Stützregion. Beide Membrantypen können diesbezüglich Veränderlichkeiten aufweisen, beispielsweise durch deren Bearbeitung mit anderen Beschichtungswerkstoffen zur Beseitigung von vorliegenden Defekten und ähnlichem.
Obgleich die Erfindung im obigen insbesondere in Hinsicht auf die Verwendung eines dreistufigen Membransystems zur Luftzerlegung für die Erzeugung von Stickstoffproduktgas mit sehr hoher Reinheit beschrieben wurde, versteht sich, daß die Erfindung auch zur Trennung anderer Gasgemische verwendet werden kann, namentlich dort, wo es wünschenswert ist, eine verbesserte Trennung und Gewinnung der weniger selektiv permeierbaren Komponenten der Gemische zu bewerkstelligen. Umso wertvoller die weniger selektiv permeierbare Komponente ist, umso mehr Aufmerksamkeit wird auf deren Erzeugung mit hohen Ausbeuten, wie durch die Anwendung der Erfindung erreichbar, gerichtet. Die Gewinnung von Argon als die weniger selektiv permeierbare Komponente aus Gemischen mit Sauerstoff stellt ein Beispiel für eine kommerziell bedeutende Gastrennungsoperation dar, die unter Anwendung der Erfindung bewerkstelligt werden kann. Weitere geeignete Anwendungen dieser Erfindung beinhalten die Trennung von Methan aus mehr permeierbarem Kohlendioxid, oder von Stickstoff in Verfahren der tertiären Restölgewinnung, und die Trennung von seltenen Gasen wie zum Beispiel Neon, Krypton und Xenon aus den jeweiligen Gemischen mit gewöhnlichen stärker selektiv permeierbaren Verunreinigungen. Bei solchen Anwendungen wird wie bei den oben erläuterten Ausfürungsformen hinsichtlich der Erzeugung von Stickstoff mit hoher und sehr hoher Reinheit das Permeat der dritten Stufe aufgedrückt und zu der zweiten Stufe umgewälzt, und die Flächenverteilung zwischen der ersten, zweiten und dritten Stufe ist wie oben beschrieben beschaffen. Die im Zusammenhang mit der Luftzerlegung ausgeführte Oberflächenverteilung wird im allgemeinen als auch für derartige andere Gastrennungen zutreffend verstanden. Die für solche Nicht-Luftzerlegungsanwendungen verwendeten Trennfaktoren der Membranwerkstoffe liegen allgemein im Bereich von etwa 2 bis etwa 12, wie oben erwähnt, jedoch versteht sich für den Fachmann, daß für bestimmte Trennungen wie Methan von Kohlendioxid üblicherweise wesentlich höhere Trennfaktoren als diese verwendet werden und in diesen Fällen möglicherweise zweistufige Systeme vorzuziehen sind.
Aufgrund der ihnen innewohnenden Einfachheit und Vorteile sind Gastrennungsmembrane für einen großen Bereich industrieller Gastrennungsanwendungen höchst wünschenswert, wie zum Beispiel der Luftzerlegung zur effizienten Erzeugung von Stickstoff mit sehr hohen Reinheitsgraden und mit verbesserten Produktausbeuten. Durch die Schaffüng der Möglichkeit, daß Membrane diesen Anforderungen entsprechen und zugleich der Bedarf für eine getrennte Deoxo-Behandlung beseitigt wird, trägt die Erfindung in signifikantem Maß dazu bei, daß der Anwendungsrahmen der äußerst erwünschten Membrantechnologie vergrößert wird, um den stets wachsenden Ansprüchen moderner industrieller Tätigkeiten zu genügen.

Claims

1.Membranverfahren zur Erzeugung der weniger selektiv permeierbaren Komponente eines diese Komponente und eine stärker selektiv permeierbare Komponente enthaltenden Einsatzgasgemisches bei hoher oder sehr hoher Reinheit, wobei:

(a) das Einsatzgasgemisch bei einem Einsatzdruck der ersten Stufe (4) eines Membransystems zugeleitet wird, das mindestens drei Stufen (4, 9, 11) aufweist und das in der Lage ist, die stärker selektiv permeierbare Komponente selektiv zu permeieren;

(b) die weniger selektiv permeierbare Komponente von der ersten Stufe (4) bei dem Einsatzdruck als Nichtpermeatgas und die stärker selektiv permeierbare Komponente bei einem unter dem Einsatzdruck liegenden Permeatdruck als Permeatgas separat abgezogen werden;

(c) das Nichtpermeatgas von der ersten Stufe (4) bei dem Einsatzdruck zu der zweiten Stufe (9) des Membransystems als Einsatzgas für diese geleitet wird;

(d) die weniger selektiv permeierbare Komponente von der zweiten Stufe (9) bei dem Einsatzdruck als Nichtpermeatgas und die stärker selektiv permeierbare Komponente bei einem unter dem Einsatzdruck liegenden Permeatdruck als Permeatgas separat abgezogen werden;

(e) das Permeatgas von der zweiten Stufe (9) umgewälzt wird, um bei dem Einsatzdruck zusammen mit zusätzlichen Mengen des Einsatzgasgemisches zu der ersten Stufe (4) des Membransystems übergeleitet zu werden;

(f) das Nichtpermeatgas von der zweiten Stufe (9) bei dem Einsatzdruck zu der dritten Stufe (11) des Membransystems als Einsatzgas dafür geleitet wird;

(g) die weniger selektiv permeierbare Komponente von der driffen Stufe (11) bei dem Einsatzdruck als Nichtpermeatgas und die stärker selektiv permeierbare Komponente bei einem unter dem Einsatzdruck liegenden Permeatdruck als Permeatgas separat abgezogen werden;

(h) das Permeatgas der driffen Stufe aufgedrückt wird und Permeatgas bei dem Einsatzdruck zu der zweiten Stufe (9) des Membransystems umgewälzt wird, um zusammen mit zusätzlichen Mengen von Nichtpermeatgas von der ersten Stufe bei dem Binsatzdruck zu der zweiten Stufe des Membransystems übergeleitet zu werden;

(i) wobei die Konzentration der stärker selektiv permeierbaren Komponente in dem Permeatgas der dritten Stufe geringer als die des Nichtpermeatgases der ersten Stufe (4) ist, und wobei die Konzentration der stärker selektiv permeierbaren Komponente in dem Permeatgas der zweiten Stufe geringer ist als die des in die erste Stufe eingebrachten Gases; und

j) das Nichtpermeatgas der dritten Stufe als Gas mit hoher oder sehr hoher Reinheit gewonnen wird, ohne daß das Nichtpermeatgas von der zweiten Stufe (9) zu einer katalytischen Reaktionseinheit geleitet wird, um das Restpermeatgas darin katalytisch zur Reaktion zu bringen und ohne daß eine Nichtmembranbehandlung des Nichtpermeatgases von der dritten Stufe erfolgt, um Restmengen der stärker selektiv permeierbaren Komponente zu beseitigen;

dadurch gekennzeichnet, daß

(k) das in der ersten, zweiten und dritten Stufe (4, 9, 11) benutzte Membranmaterial einen Trennfaktor für die stärker selektiv permeierbare Komponente 1 weniger selektiv permeierbare Komponente von 4 bis 10 hat;

(l) das Verhältnis von Einsatzdruck zu Permeatdruck in der ersten, zweiten und dritten Stufe (4, 9, 11) zwischen 7,8 und 18,0 liegt; und

(m) die Oberflächenverteilung zwischen den drei Membranstufen so gewählt wird, daß sie (1) für die erste Stufe bei einem Trennfaktor von etwa 4 im Bereich zwischen 8 % und 45 % und bei einem Trennfaktor von etwa 10 im Bereich zwischen 20 % und 64 % liegt; (2) für die zweite Stufe bei einem Trennfaktor von etwa 4 im Bereich zwischen 10 % und 30% und bei einem Trennfaktor von etwa 10 im Bereich zwischen 20 % und 30 % liegt; und (3) für die dritte Stufe die Differenz zwischen der Summe der Oberflächenverteilungen der ersten und zweiten Stufe und der gesamten Membranoberfläche der drei Stufen ausmacht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchen das Membransystem insgesamt drei Stufen (4, 9, 11) aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem das Einsatzgasgemisch und das Permeatgas der zweiten Stufe auf den Einsatzdruck aufgedrückt werden, bevor sie in die erste Stufe (4) des Membransystems eingebracht werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Einsatzluftgemisch Luft aufweist, die stärker selektiv permeierbare Komponente Sauerstoff ist und die weniger selektiv permeierbare Komponente Stickstoff ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Einsatzgasgemisch ein Gemisch aus Argon als der weniger selektiv permeierbaren Komponente und Sauerstoff als der stärker selektiv permeierbaren Komponente ist.

6. Membransystem zur Erzeugung der weniger selektiv permeierbaren Komponente eines diese Komponente und eine stärker selektiv permeierbare Komponente enthaltenden Einsatzgasgemisches bei hoher oder sehr hoher Reinheit, versehen mit:

(a) einem Membransystem, das mindestens drei Stufen (4, 9, 11) aufweist und das in der Lage ist, die stärker selektiv permeierbare Komponente des Einsatzgasgemisches selektiv zu permeieren;

(b) einer Leitungsanordnung (1, 3) zum Einbringen des Einsatzgasgemisches bei einem Einsatzdruck in die erste Stufe (4) des Membransystems;

(c) einer Leitungsanordnung (7, 5), um die weniger selektiv permeierbare Komponente von der ersten Stufe (4) bei dem Einsatzdruck als Nichtpermeatgas und die stärker selektiv permeierbare Komponente bei einem unter dem Einsatzdruck liegenden Permeatdruck als Permeatgas separat abzuziehen, wobei die Leitungsanordnung eine Anordnung aufweist, um das Nichtpermeatgas von der ersten Stufe bei dem Einsatzdruck zu der zweiten Stufe des Membransystems als Einsatzgas für diese zu leiten;

(d) einer Leitungsanordnung (10, 12), um die weniger selektiv permeierbare Komponente von der zweiten Stufe (9) bei dem Einsatzdruck als Nichtpermeatgas und die stärker selektiv permeierbare Komponente bei einem unter dem Einsatzdruck liegenden Permeatdruck als Permeatgas separat abzuziehen, wobei die Leitungsanordnung eine Anordnung aufweist, um Nichtpermeatgas von der zweiten Stufe bei dem Einsatzdruck zu der dritten Stufe (11) des Membransystems als Einsatzgas für diese zu leiten, sowie eine Anordnung (12), um das Permeatgas von der zweiten Stufe umzuwälzen, um bei dem Einsatzdruck zusammen mit zusätzlichen Mengen des Einsatzgasgemisches zu der ersten Stufe (4) des Membransystems übergeleitet zu werden;

(e) einer Leitungsanordnung (14, 15), um die weniger selektiv permeierbare Komponente von der dritten Stufe (11) bei dem Einsatzdruck als Nichtpermeatgas und die stärker selektiv permeierbare Komponente bei einem unter dem Einsatzdruck liegenden Permeatdruck als Permeatgas separat abzuziehen, wobei die Leitungsanordnung eine Anordnung (15) aufweist, um Permeatgas von der dritten Stufe umzuwälzen, um zusammen mit zusätzlichen Mengen von Nichtpermeatgas von der ersten Stufe bei dem Einsatzdruck zu der zweiten Stufe (9) des Membransystems übergeleitet zu werden;

(f) einer Verdichtungsanordnung (17) zum Aufdrücken des Permeatgases der dritten Stufe von einem unter dem Einsatzdruck liegenden Permeatdruck, bevor dieses zu der zweiten Stufe übergeleitet wird;

(g) wobei das System so ausgelegt ist, daß die Konzentration der stärker selektiv permeierbaren Komponente in dem Permeatgas der dritten Stufe geringer als die des zu der zweiten Stufe (9) geleiteten Nichtpermeatgases der ersten Stufe ist, und daß die Konzentration der stärker selektiv permeierbaren Komponente in der zweiten Stufe (9) geringer ist als die des in die erste Stufe (4) eingebrachten Gases; und

(h) das Nichtpermeatgas der dritten Stufe als Gas mit hoher oder sehr hoher Reinheit gewonnen wird, ohne daß das Nichtpermeatgas von der zweiten Stufe (9) zu einer katalytischen Reaktionseinheit geleitet wird, um das Restpermeatgas darin katalytisch zur Reaktion zu bringen und ohne daß eine Nichtmembranbehandlung des Nichtpermeatgases von der dritten Stufe erfolgt, um Restmengen der stärker selektiv permeierbaren Komponente zu beseitigen;

dadurch gekennzeichnet, daß

(i) das in der ersten, zweiten und dritten Stufe (4, 9, 11) benutzte Membranmaterial einen Trennfaktor für die stärker selektiv permeierbare Komponente 1 weniger selektiv permeierbare Komponente von 4 bis 10 hat;

j) das Verhältnis von Einsatzdruck zu Permeatdruck in der ersten, zweiten und dritten Stufe (4, 9, 11) zwischen 7,8 und 18,0 liegt; und

(k) die Oberflächenverteilung zwischen den drei Membranstufen (4, 9, 11) so gewählt ist, daß sie (1) für die erste Stufe (4) bei einem Trennfaktor von etwa 4 im Bereich zwischen 8 % und 45 % und bei einem Trennfaktor von etwa 10 im Bereich zwischen 20 % und 64 % liegt; (2) für die zweite Stufe bei einem Trennfaktor von etwa 4 im Bereich zwischen 10 % und 30% und bei einem Trennfaktor von etwa 10 im Bereich zwischen 20 % und 30 % liegt; und (3) für die dritte Stufe die Differenz zwischen der Summe der Oberflächenverteilungen der ersten und zweiten Stufe und der gesamten Membranoberfläche der drei Stufen ausmacht.

7. System nach Anspruch 6, bei welchen das Membransystem insgesamt drei Stufen (4, 9, 11) aufweist.

8. System nach Anspruch 7, bei welchem das Membransystem ein Luftzerlegungsmembransystem ist.

9. System nach Anspruch 7, bei welchem das Membransystem ein System für die Abtrennung von Argon von Sauerstoff ist.