DE69201942T2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung durch Permeation von einem unreinen leichten Gas. - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung durch Permeation von einem unreinen leichten Gas.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines leichten, unreinen Gases aus einem gasförmigen Startgemisch durch Permeation. Sie bezieht sich insbesondere auf die Herstellung unreinen Wasserstoffs aus einem im wesentlichen aus Wasserstoff. Stickstoff und Kohlenwasserstoffen bestehenden Gemisch.
  • In bestimmten industriellen Anwendungen wird Wasserstoff mit einer Reinheit benötigt, die geringer ist als die mittels einfacher Permeatoren, d.h. Permeatoren mit einem Eingang und zwei aktiven Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang, einem Hochdruckausgang und einem Niederdruckausgang, erzielbare Reinheit.
  • Um den Ertrag der Wasserstoffextraktion bei gleichzeitiger Verringerung der Reinheit zu erhöhen, wurde vorgeschlagen, einen Teil des Speisestroms oder "feeds" in Nebenschluß zu leiten. In derselben Absicht wurde gleichfalls vorgeschlagen, anstelle einfacher Permeatoren Permeatoren mit Rückführung zu verwenden, bei denen ein Teil des Restgases in den Niederdruckbereich zurückgeleitet wird, um dort den partiellen Wasserstoffdruck zu senken. Diese Kunstgriffe erlauben, wirksam den Ertrag der Wasserstoffextraktion oder, für einen gegebenen Ertrag, die Kosten, d.h. im wesentlichen die erforderliche Oberfläche der Permeationsmembran, zu verringern.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, in noch größerem Maße den Gewinn an Extraktionsertrag oder die Verringerung der Kosten zu steigern.
  • Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine Permeationsvorrichtung verwendet wird, die zwei Permeationsstufen umfaßt, deren jede einen Hochdruckeingang für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einen Hochdruckausgang für das Restgas und einen Niederdruckausgang für das Permeat aufweist, wobei
  • die erste Stufe durch einen einfachen Permeator gebildet wird, d.h. mit einem aktiven Eingang und zwei aktiven Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einem Hochdruckausgang für das Restgas und einem Niederdruckausgang für das Permeat, oder auch durch mehrere einfache, in Reihe und/oder parallel angeordnete Permeatoren;
  • die zweite Stufe durch einen Permeator mit Rückführung gebildet wird, d.h. mit zwei aktiven Eingängen und Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einem Hochdruckausgang für das Restgas, einem Niederdruckeingang für das rückgeführte gasförmige Gemisch und einem Niederdruckausgang für das Permeat, oder auch durch mehrere, in Reihe und/oder parallel angeordnete Permeatoren mit Rückführung;
  • -das gasförmige Startgemisch an dem Hochdruckeingang der ersten Stufe zugeführt wird;
  • -das Restgas der ersten Stufe an dem Hochdruckeingang der zweiten Stufe zugeführt wird;
  • -ein rückgeführtes gasförmiges Gemisch, welches aus der Vorrichtung entnommen wurde und einen Gehalt an besagtem leichten Gas aufweist, der kleiner ist als der des leichten, unreinen Herstellungsgases, an dem Niederdruckeingang der zweiten Stufe zugeführt wird; und
  • -die Permeate der beiden Stufen wieder zusammengeführt werden, um das leichte, unreine Herstellungsgas zu bilden.
  • Das rückgeführte gasförmige Gemisch kann vor ailem dem Restgas der zweiten Stufe entnommen werden.
  • Der Erfindung liegt gleichermaßen die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Anwendung eines solchen Verfahrens zu schaffen. Diese Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß
  • -zwei Permeationsstufen vorgesehen sind, deren jede einen Hochdruckeingang für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einen Hochdruckausgang für das Restgas und einen Niederdruckausgang für das Permeat aufweist, wobei
  • die erste Stufe durch einen einfachen Permeator gebildet wird, d.h. mit einem aktiven Eingang und zwei aktiven Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einem Hochdruckausgang für das Restgas und einem Niederdruckausgang für das Permeat, oder auch durch mehrere einfache, in Reihe und/oder parallel angeordnete Permeatoren;
  • die zweite Stufe durch einen Permeator mit Rückführung gebildet wird, d.h mit zwei aktiven Eingängen und Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einem Hochdruckausgang für das Restgas, einem Niederdruckeingang für das rückgeführte gasförmige Gemisch und einem Niederdruckausgang für das Permeat, oder auch durch mehrere, in Reihe und/oder parallel angeordnete Permeatoren mir Rückführung;
  • -der Hochdruckausgang der ersten Stufe mit dem Hochdruckeingang der zweiten Stufe verbunden ist;
  • -die Vorrichtung eine mit dem Hochdruckeingang der ersten Stufe verbundene Speiseleitung, eine mit den Niederdruckausgängen der beiden Stufen verbundene Produktionsleitung sowie für den oder jeden Permeator der zweiten Stufe eine in den Niederdruckeingang dieses Permeators mündende Rückführungsleitung umfaßt, die ein rückgeführtes gasförmiges Gemisch führt. das aus der Vorrichtung entnommen wurde und einen Gehalt an besagtem leichtem Gas aufweist, der kleiner ist als der des leichten unreinen Herstellungsgases.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausfühuungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der
  • Figur 1 vereinfacht eine erfindungsgemäße Permeationsvorrichtung darstellt; und Figuren 2 und 3 vereinfacht zwei Abwandlungen zeigen.
  • Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung wird durch zwei in Reihe angeordnete Permeationsstufen 1 und 2 gebildet. Im betrachteten Beispiel dient sie zur Herstellung von unreinem Wasserstoff mit einer Reinheit von näherungsweise 85% bei einer Wasserstoffextraktionsausbeute größer als 90º.
  • Die Stufe 1 wird durch einen einfachen Permeator gebildet, dessen Hochdruckraum 3 einen Hochdruckeingang A und einen Hochdruckausgang B und dessen Niederdruckraum 4 lediglich einen Niederdruckausgang C umfaßt.
  • Die Stufe 2 wird durch einen Permeator mit Rückführung gebildet. dessen Hochdruckraum 5 einen Hochdruckeingang D und einen Hochdruckausgang E und dessen Niederdruckraum 6 zusätzlich zu einem Niederdruckausgang F einen Niederdruckeingang G umfaßt.
  • Die Vorrichtung umfaßt weiterhin eine mit dem Eingang A verbundene Speiseleitung 7, eine den Ausgang B mit dem Eingang D verbindende Verbindungsleitung 8, eine vom Ausgang C wegführende Leitung 9, eine den Ausgang F mit einem Punkt H der Leitung 9 verbindende Leitung 10, eine vom Punkt H wegführende Produktionsleitung 11 eine vom Ausgang E wegführende Restgas-Entnahmeleitung 12 und eine mit einem Druckminderventil 14 versehene und einen Punkt der Leitung 12 mit dem Eingang G verbindende Rückführungsleitung 13.
  • Im Betrieb wird das Startgemisch, im wesentlichen bestehend aus Wasserstoff, z.B. mit einem Gehalt von etwa 50%, sowie schwereren Produkten wie z.B. Stickstoff und Kohlenwasserstoffen, über die Leitung 7 unter einem Druck von einigen zehn Bar zugeführt.
  • Die erste Stufe erzeugt in der Leitung 9 ein erstes Permeat, während ilu Restgas die zweite Stufe über die Leitung 8 speist. Die zweite Stufe erzeugt das Restgas der Vorrichtung in der Leitung 12 sowie ein zweites Permeat in der Leitung 10. Ein Teil des Restgases wird nach erfolgter Entspannung über das Druckminderventil 14 über die Leitung 13 in den Niederdruckraum 6 zurückgeleitet. Die beiden Permeate werden bei H zusammengeführt, um als Produkt der Vorrichtung den unreinen Wasserstoff zu bilden, der über die Leitung 11 abgeführt wird.
  • Es wurde festgestellt daß die beschriebene Kombination eines einfachen Permeators und eines Permeators mit Rückführung, die in dieser Reihenfolge in Reihe angeordnet sind, in überraschender Weise die Wasserstoffextrakionsausbeute bei gegebenen Kosten verbessert bzw. bei vorgegebener Ausbeute erlaubt, die Kosten, d.h. die erforderliche Oberfläche der Permeationsmembran, zu verringern.
  • In einer Abwandlung kann das rückgeführte Gas des Permeators 2 der Leitung 8 oder der Leitung 7 entnommen werden.
  • Wie in Figur 2 dargestellt, kann jede der Stufen 1, 2 nicht nur aus einem einzelnen Permeator wie in Figur 1, sondern aus mehreren gleichartigen, in Reihe angeordneten Permeatoren bestehen.
  • Im einzelnen wird in dieser Abwandlung die Stufe 1 durch n einfache Permeatoren 1&sub1;, ..., 1n gebildet. Der Hochdruckeingang des Permeators 1&sub1; bildet den Hochdruckeingang A der Stufe 1. während der Hochdruckausgangjedes der Permeatoren 1&sub1;, ..., 1n-1 mit dem Hochdruckeingang des nachfolgenden Permeators verbunden ist, wobei der des Permeators 1n den Hochdruckausgang B der ersten Stufe bildet. Die Leitung 9 ist mit der Gesamtheit der Niederdruckausgänge der n Permeatoren verbunden.
  • Gleichermaßen besteht die Stufe 2 aus p in Reihe angeordneten Permeatoren mit Rückführung 2&sub1;, ..., 2p. Genauer gesagt, bildet der Hochdruckeingang des Permeators 2&sub1; den Hochdruckeingang D der Stufe 2, der über die Leitung 8 mit dem Punkt B verbunden ist. Der Hochdruckausgang jedes der Permeatoren 2&sub1;, ..., 2p-1 ist einerseits über ein Druckminderventil 14&sub1;, ..., 14p-1 mit dem Niederdruckeingang desselben Permeators und andererseits mit dem Hochdruckeingang des nachfolgenden Permeators verbunden während der Hochdruckausgang des Permeators 2p den Hochdruckausgang E der zweiten Stufe bildet.
  • Die Gesamtheit der Niederdruckausgänge der Permeatoren der ersten Stufe ist mit einem gemeinsamen Punkt C verbundern, und die Gesamtheit der Niederdruckausgänge der Permeatoren der zweiten Stufe ist mit einem gemeinsamen Punkt F verbunden. Wie in Figur 1 verbinden die Leitungen 9 und 10 die Punkte C bzw. F mit einem gemeinsamen Punkt H, von dem die Produktionsleitung 11 des unreinen Wasserstoffs wegführt.
  • In der Abwandlung gemäß Figur 3 besteht jede der Stufen 1 und 2 aus einer Reihe von gleichartigeit parallel angeordneten Permeatoren (einfach für die Stufe 1, mit Rückführung für die Stufe 2). Deruzufolge wird der an Punkt A ankommende Speisestrom in n Speiseströme unterteilt, und die n Restgase der Permeatoren 1&sub1;, ..., 1n werden an einem Punkt B zusammengeführt, und bilden das Speisegemisch für die zweite Stufe. Dann wird an einem über die Leitung 8 mit dem Punkt B verbundenen Punkt D dieses Gemisch seinerseits in pjeweils die Permeatoren 2&sub1;, ..., 2p speisende Speiseströme aufgeteilt. Die Gesamtheit der Restgase der zweiten Stufe wird in der Entnahmeleitung 12 der verbleibenden Vorrichtung zusammengeführt, die Gesamtheit der Permeate der ersten Stufe wird - wie in Figur 2 - an einem Punkt C zusammengeführt, die Gesamtheit der Permeate der zweiten Stufe werden an einem Punkt F zusammengeführt, und die Punkte C und F werden an einem Punkt H verbunden, von dem die Produktionsleitung 11 wegführt.
  • Selbstverständlich sind weitere serielle und parallele Permeatorkombinationen denkbar, vorausgesetzt, daß die erste Stufe 1 aus einfachen Permeatoren und die zweite Stufe aus Permeatoren mit Rückführung besteht.
  • Bei den Vorrichtungen, die mehr als zwei Permeatoren umfassen, stehen diverse Gase zur Verfügung, die als Rückführgase dienen können, und zwar - außer dem Speisestrom - diverse Restgase aus den Permeatoren.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines leichten, unreinen Gases aus einem gasförmigen Startgemisch durch Permeation, dadurch gekennzeichnet, daß
- eine Permeationsvorrichtung verwendet wird, die zwei Permeationsstufen (1, 2) umfaßt, deren jede einen Hochdruckeingang (A, D) für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einen Hochdruckausgang (B, E) für das Restgas und einen Niederdruckausgang (C, F) für das Permeat aufweist, wobei
die erste Stufe (1) durch einen einfachen Permeator gebildet wird, d.h. mit einem aktiven Eingang und zwei aktiven Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang (A) für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einem Hochdruckausgang (B) für das Restgas und einem Niederdruckausgang (C) für das Permeat, oder auch durch mehrere einfache, in Reihe und/oder parallel angeordnete Permeatoren (1&sub1; ...., 1n);
die zweite Stufe (1) durch einen Permeator mit Rückführting gebildet wird, d.h. mit zwei aktiven Eingängen und Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang (D) für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einem Hochdruckausgang (E) für das Restgas, einem Niederdruckeingang (G) für das rückgeführte gasförmige Gemisch und einem Niederdruckausgang (F) für das Permeat, oder auch durch mehrere, in Reihe und/oder parallel angeordriete Permeatoren mit Rückführung (2&sub1;, ...., 2p);
- das gasförmige Startgemisch an dem Hochdruckeingang (A) der ersten Stufe (1) zugeführt wird:
- das Restgas der ersten Stufe (1) an dem Hochdruckeingang (D) der zweiten Stufe (2) zugeführt wird;
- ein rückgefiihrtes gasförmiges Gemisch, welches aus der Vorrichtung entnommen wurde und einen Gehalt an besagtem leichten Gas aufweist, der kleiner ist als der des leichten, unreinen Herstellungsgases, an dem Niederdruckeingang (G) der zweiten Stufe (2) zugeführt wird: und
- die Permeate der beiden Stufen (1, 2) wieder zusammengeführt werden, um das leichte, unreme Herstellungsgas zu bilden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das rückgeführte gasförmige Gemisch aus dem Restgas der zweiten Stufe (2) entnommen wird.
3. Anwendung des Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von unreinem Wasserstoff.
4. Vorrichtung zur Herstellung eines leichten, unreinen Gases aus einem gasförmigen Startgemisch durch Permeation, dadurch gekennzeichnet, daß
- zwei Permeationsstufen (1, 2) vorgesehen sind, deren jede einen Hochdruckeingang (A, D) für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einen Hochdruckausgang (B, E) für das Restgas und einen Niederdruckausgang (C, F) für das Permeat aufweist. wobei
die erste Stufe (1) durch einen einfachen Permeator gebildet wird, d.h. mit einem aktiven Eingang und zwei aktiven Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang (A) für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einem Hochdruckausgang (B) für das Restgas und einem Niederdruckausgang (C) für das Permeat, oder auch durch mehrere einfache, in Reihe und/oder parallel angeordnete Permeatoren (1&sub1;, ...., 1n);
die zweite Stufe (2) durch einen Permeator mit Rückführung gebildet wird, d.h. mit zwei aktiven Eingängen und Ausgängen, und zwar einem Hochdruckeingang (D) für das zu verarbeitende gasförmige Gemisch, einem Hochdruckausgang (E) für das Restgas. einem Niederdruckeingang (G) für das rückgeführte gasförmige Gemisch und einem Niederdruckausgang (C) für das Permeat, oder auch durch mehrere, in Reihe undloder parallel angeordnete Permeatoren mit Rückführung (2&sub1;, ...., 2p);
- der Hochdruckausgang (B) der ersten Stufe (11) mit dem Hochdruckeingang (D) der zweiten Stufe (2) verbunden ist;
- die Vorrichtung eine mit dem Hochdruckeingang (A) der ersten Stufe (1) verbundene Speiseleitung (7), eine mit den Niederdruckausgängen (C, F) der beiden Stufen (1, 2) verbundene Herstellungsleitung (11) sowie für den oderjeden Permeator der zweiten stuib (2) eine in den Niederdruckeingang (G) dieses Permeators mündende Rückführungsleitung (13) umfaßt, die ein rückgeführtes gasförmiges Gemisch führt, das aus der Vorrichtung entnommen wurde und einen Gehalt an besagtem leichtem Gas aufweist, der kleiner als der des leichten unreinen Herstellungsgases.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungsleitung (13) mit der Speiseleitung (7) oder eine das Restgas eines Permeators führende Leitung (8, 12) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückführungsleitung (13) mit dem Hochdruckausgang (E) des entsprechenden Permeators (2; 2&sub1;, ..., 2p) über ein Druckminderventil (14; 14&sub1;, ..., 14p) verbunden ist.
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