DE69217529T2

DE69217529T2 - Membrangastrennungsverfahren

Info

Publication number: DE69217529T2
Application number: DE69217529T
Authority: DE
Inventors: Ravi Prasad
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1991-10-07
Filing date: 1992-10-06
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2012-10-07
Also published as: ATE187352T1; DE69217529D1; EP0702995B1; EP0702995A1; EP0537599B1; JPH05192530A; DK0702995T3; TW203014B; CA2078428A1; DE69230412D1; BR9203888A; MX9205710A; CN1071347A; US5226932A; KR930007495A; EP0537599A1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Gastrennverfahren. Insbesondere bezieht sie sich auf Membrantrockner, welche ein Spülgas zur Verbesserung des Trocknungsvorgangs verwenden.

Beschreibung des Standes der Technik

Es gibt viele kommerzielle Umstände, in welchen es erforderlich oder wünschenswert ist, Feuchtigkeit aus einem Gasstrom zu entfernen. Wasserdampf ist bei vielen Roh- oder Prozeßgasen eine häufige Verunreinigung, und er wirkt oft als ein Verunreinigungs- oder Korrosionsmittel, welches entfernt oder in seiner Konzentration verringert werden muß, bevor das Gas verwendet werden kann. Beispielsweise wird bei Pneumatiksystemen häufig trockene Luft benötigt, wie beispielsweise die in chemischen Verarbeitungsanlagen verwendete Instrumentenluft. Gase, welche für inerte Atmosphären verwendet werden, müssen ebenfalls hoch trocken sein, da Restwasserdampf reaktiv sein kann, anstatt inert zu sein. In anderen Fällen kann im Gas enthaltene Feuchtigkeit kondensieren oder ausfrieren, wodurch der Strom von Prozeßströmen behindert werden kann. In der Technik werden somit effektive Mittel zum Trocknen von Gasströmen benötigt.
Gewohnheitsmäßig wurden viele unterschiedliche Mittel zum Trocknen von Gasströmen verwendet. In einigen Fällen ist eine reine Kompression des Gases hinreichend, um den Wasserdampf zu Flüssigkeit zu kondensieren, welche von dem Gasstrom abgeleitet werden kann. Auch Chiller und Kältefallen können eine Kondensation bewirken und das Wasser als Flüssigkeit oder als festes Eis entfernen. Kondensationsverfahren sind für einige Anwendungen sehr nützlich, jedoch sind sie häufig unzureichend, wenn ein sehr trockener Gasstrom erforderlich ist.
Auch Adsorptionsprozesse werden häufig für Gastrocknungszwecke verwendet, da viele Adsorptionsmittel eine starke Adsorptionsaffinität für Wasser aufweisen. Solche Adsorptionsmittel werden jedoch bald gesättigt und müssen periodisch regeneriert werden, falls der Trocknungsprozeß kontinuierlich arbeiten soll. Bei der Druckwechsel-Adsorptions (PSA)- Verarbeitung wird die Adsorption bei einem oberen Adsorptionsdruck ausgeführt. Ein Teil des trockenen Produktgases wird entspannt und als Gegenstromspülstrom verwendet, um die Desorption von Wasser aus dem Adsorptionsmittelbett bei einem unteren Desorptionsdruck zu fördern. Dieser PSA-Prozeß kann sehr trockene Gasströme erzeugen, jedoch muß ein Teil des Produktgases notwendigerweise für solche Spülgaszwecke rückgeführt und aus dem System als Abgas ausgeleitet werden.
Die Membranpermeation ist ein besonders attraktiver Trocknungsansatz, der gegenüber anderen Trocknungstechniken bestimmte Vorteile bietet. Es ist wohlbekannt, daß Wasserdampf in vielen synthetischen Polymermembranen sehr stark permeierbar ist. Wenn ein feuchtigkeitsbeladenes Gas über solch eine Membran geleitet wird, neigt der Wasserdampf dazu, in die Membran einzudringen und von der Einsatzseite zu der Permeatseite hindurchzutreten, vorausgesetzt, daß eine ausreichende Trocknungskraft vorhanden ist, um die Permeation des Wasserdampfes durch die Membran hindurch zu fördern. Für einen kommerziell geeigneten Trocknungsprozeß muß das zu trocknende Gas einer großen Membranoberfläche ausgesetzt werden, welche sehr dünn ist, so daß der Diffusionsweg in dem Membranmaterial sehr kurz ist. Es muß auch ein Druckunterschied über die Membran aufrechterhalten werden, um für eine Antriebskraft für einen geeigneten Permeationsvorgang zu sorgen. Ferner muß ein Strömungsmuster erzeugt werden, welches es ermöglicht, daß der verarbeitete Gasstrom nach und nach einer zusätzlichen Membranoberfläche ausgesetzt wird, so daß die verbleibende Feuchtigkeit in dem Gasstrom weiter permeieren und aus dem Membransystem entfernt werden kann. Solche Prozesse können zweckmäßigerweise in einem Permeationsmodul ausgeführt werden, welches eine große Anzahl von sogenannten Verbund- oder asymmetrischen Hohlfasern aufweist. Solche Permeationsmodule sind in der Technik bekannt und werden zunehmend in weitem Umfang für einen zunehmend breiteren Bereich von kommerziellen Gastrennvorgängen verwendet.
Es wurde festgestellt, daß sogenannte Permeatoren mit drei Anschlüssen echte Beschränkungen aufweisen, wenn sie für das Trocknen von Gasen mit niedriger Permeabilität verwendet werden. Solche Permeatoren mit drei Anschlüssen weisen einen Einsatzgaseinlaß und getrennte Auslässe für den Permeat- und den Nichtpermeatanteil des Einsatzgases auf. Obwohl Wasser stark permeabel ist, kann es nur effektiv aus den Niederdruckdurchlässen der Membran entfernt werden, wenn eine hinreichende Permeation von anderen Gasen besteht. Um als effektive Trockner zu wirken, müssen solche Permeatoren mit einem hohen Stufenverlust (stage cut) betrieben werden, was bedeutet, daß eine beträchtliche Menge des Gases, welches gerade getrocknet wird, auch permeiert werden muß und somit als trockenes Gasprodukt verlorengeht. Es wurde festgestellt, daß ein verbessertes Trocknen erzielt werden kann, wenn ein Permeator mit vier Anschlüssen verwendet wird, vorausgesetzt, daß ein hoher Grad an radialem Mischen innerhalb der Hohlfasern besteht. Bei dem Permeator mit vier Anschlüssen wird ein getrennter trockener Spülstrom durch den vierten Anschluß zwecks Durchleiten auf der Permeatseite der Hohlfasern eingeleitet, wodurch Feuchtigkeit aus den Niederdruckdurchlässen der Fasern ausgespült wird. Als ein Ergebnis stellte sich heraus, daß Spültrocknen effektiver als Permeationstrocknen ist. Selbst wenn trockenes Produktgas für Spülzwecke verwendet wird, wie dies aus EP 0 324 675 oder aus GB 1 440 963 bekannt ist, ist der Spültrocknungsprozeß überlegen, da der Antrieb der Permeation des Produktgases einen großen Druckunterschied oder eine große Membranoberfläche erfordert, was beides nicht erforderlich ist, wenn ein getrenntes Spülgas verwendet wird.
US 4 931 070 beschreibt die Verwendung eines Membranmoduls mit vier Anschlüssen, welches als Gastrockner mit einem Gegenstromströmungsmuster verwendet wird. Insbesondere bezieht sich dieses Dokument auf die Erzeugung von Stickstoff, wobei Einsatzluft durch zwei Membranpermeatorstufen geleitet wird, in welchen die Hauptmenge des Sauerstoffs in der Luft von dem Stickstoff entfernt wird. Die Restsauerstoff-Verunreinigung wird mittels katalytischer Reaktion mit Wasserstoff in einer "Deoxo"-Einheit entfernt. Das durch diese Reaktion erzeugte Wasser wird größtenteils dadurch entfernt, daß das nasse Stickstoffgas durch einen Kühler und einen Flüssigwasserabscheider geleitet wird. Nichtsdestotrotz verbleibt eine wesentliche Menge an Wasserverunreinigung in dem so behandelten Stickstoffstrom. Diese Restfeuchtigkeit wird mittels eines Membrantrockners entfernt, wobei die Niederdruckdurchlässe auf dessen Permeatseite mit Luft, dem trocknen Permeat von der Membran der zweiten Stufe oder mit trockenem Stickstoffprodukt gespült werden.
DE 37 26 431 offenbart die Verwendung einer Vakuumpumpe für einen kommerziell akzeptablen Betrieb, die für ein Hochvakuum mit einem Druck von etwa 2 bis 30 mbar auf der Produktseite sorgt. Andererseits wird auf der Einsatzseite ein Druck von etwa 1 bis 1,3 bar erzeugt. Das sich ergebende Druckverhältnis ist für herkömmliche Prozesse typisch, wie es auch in dem Verfahren gemäß US 4 931 070 als bevorzugt angegeben wird.
Trotz solcher vorteilhafter Trocknungsprozesse sind weitere Verbesserungen in der Technik erwünscht, um die Membrantrocknung von Gasen in praktischen kommerziellen Anwendungen zu verbessern. Wenn Produktgas zum Spülen verwendet wird, geht eine gewisse Menge an Produktgas natürlich in dem Spülabgasstrom verloren. Wenn eine externe Quelle für trockenes Spülgas verwendet wird, kann eine gewisse unerwünschte Verunreinigung des Produktstroms aufgrund der Rückdiffusion von einigen der in dem Spülgas vorhandenen Nichtproduktkomponenten auftreten. Diese Faktoren erzeugen eine praktische Begrenzung der sich letztlich ergebenden Nützlichkeit der oben erwähnten Membrantrocknungsverfahren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Membranverfahren für die Trennung von Gasen zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Membran-Gastrenn-Trocknungsverfahren zu schaffen, in welchem die Rückdiffusion von Verunreinigungen von einer externen Quelle von Spülgas minimiert wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, für ein verbessertes Membrantrocknungsverfahren zu sorgen, bei welchem die Menge an als Spülung verwendetem Produktgas oder externem Spülgas minimiert wird.
Es ist außerdem eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Entfernen von Wasserdampf aus hochreinem Stickstoff ohne erneute Kontamination von Produktstickstoff während des Trocknens zu schaffen, welches eine hohe Produktstickstoffausbeute aufweist.
In Bezug auf diese und weitere Aufgaben wird die Erfindung nachstehend detailliert beschrieben, wobei deren neue Merkmale insbesondere in den anhängenden Ansprüchen herausgehoben sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Gastrennverfahren beinhaltet die in Anspruch 1 definierten Schritte. Bei dem vorliegenden Verfahren wird eine erhöhte Gastrennung erreicht, indem ein zu trennendes Einsatzgas bei einem Einsatzdruck bei oder oberhalb des Atmosphärendrucks durch ein Membransystem geleitet wird, während Spülgas bei einem Spüldruck weit unterhalb des Atmosphärendrucks auf die Permeatseite der Membran geleitet wird. Das Spülgas, entweder eine kleine Menge an trockenem Produktgas oder ein extern zugeführtes trockenes Gas, wird dazu veranlaßt, im Gegenstrom zu dem Strom des Einsatzgases zu strömen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, wobei
FIG. 1 ein schematisches Strömungsdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung ist, welche eine kleine Menge an trockenem Produktgas als Spülgas verwendet; und
FIG. 2 ein schematisches Strömungsdiagramm für das Trocknen von hochreinem, in einem Membran-Deoxo-System erzeugten Stickstoff ist, wobei eine kleine Menge des trokkenen Stickstoffprodukts als Spülgas verwendet wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die Aufgaben der Erfindung werden gelöst, indem die Antriebskraft für die Permeation durch eine Membran basierend auf der optimalen Verwendung von Spülgas auf der Permeatseite der Membran effektiv ausgenutzt wird. Eine solche Antriebskraft für die Permeation ist der Unterschied der Partialdrücke des Einsatzgases auf der Hochdruckeinsatzseite, oder Nichtpermeatseite, und der Niederdruckpermeatseite der Membran. Die Permeation durch die Membran hört auf, wenn diese Partialdrücke gleich werden. Falls die Molenbruchkonzentration von Wasser in einem nassen Einsatzstrom bei hohem Druck Phi Yhi ist, ist die maximale Konzentration Ylo von Wasser in dem Permeatstrom bei niedrigem Druck Plo:
Ylo = (Phi/Plo) Yhi (1)
Falls die Einsatzdurchflußrate des Wassers, welches gerade getrocknet wird, Ff ist, dann ist es für das vollständige Entfernen von Wasser daraus wegen dem Massengleichgewicht für das Membransystem erforderlich, daß der Durchfluß des Abgasstroms Fw ist, wobei:
Fw = (Yhl/Ylo)Ff ≥ (Plo/Phi)Ff (2)
Dieser Strom muß entweder von trockenen durch die Membran permeierten Gasen oder aus einem trockenen Spülstrom stammen. Für Membranen, welche vorteilhafterweise einen sehr hohen Trennfaktor für Wasser relativ zu beispielsweise Stickstoff aufweisen, ist die Menge an Stickstoff, welcher permeiert wird, unzureichend, um für den von Gleichung (2) geforderten Abgasstrom zu sorgen. In dem Grenzfall von gar keiner Produktpermeation würde der gesamte Abgasstrom von dem Spülstrom Fp stammen. Somit ergibt sich das Verhältnis von Spülgas zu Einsatzgas für eine vollständige Verunreinigungsentfernung zu:
Fp/Ff ≥ Plo/Phi (3)
Die Effekte von Druck und Durchfluß können kombiniert werden, um ein "Reinigungsverhältnis" wie folgt zu definieren:
CR = Fp Phi/Ff Plo = (Fp/Ff) (Phi/Plo) (4)
Theoretisch kann ein vollständiges Trocknen nur erzielt werden, wenn CR gleich Eins oder größer ist. Es versteht sich jedoch, daß Umstände vorliegen konnen, in welchen nur ein teilweises Trocknen erforderlich ist und ein kleineres Reinigungsverhältnis verwendet werden kann. Im Gegensatz dazu kann für ein starkes Trocknen ein Reinigungsverhältnis verwendet werden, welches wesentlich größer als Eins ist. Somit stellt ein Reinigungsverhältnis von Eins nur die Grenzanforderung für ein vollständiges Entfernen von Verunreinigungen dar. Viele andere Faktoren sind bei der Auslegung von praktischen Prozessen und Systemen relevant, und ein Reinigungsverhältnis von 2 oder mehr wird typischerweise für im wesentlichen vollständiges Trocknen verwendet. Es sollte sich verstehen, daß ein "Wechselspiel" zwischen der verwendeten Spülgasmenge über der Grenzanforderung und der verwendeten Membranoberfläche berücksichtigt werden muß. So ist eine größere Oberfläche erforderlich, wenn die Antriebskräfte für eine effiziente Permeation zu gering werden. Die Oberfläche kann andererseits verringert werden, falls die verwendete Spülgasmenge erhöht wird und das Reinigungsverhältnis wesentlich größer als Eins ist.
Wenn ein Teil des erwünschten Produktgases für Spülzwecke verwendet wird, ist das tatsächlich von dem System gelieferte Produktgas die Menge des zurückgehaltenen Gases Fr, welches sich ergibt aus:
Fr = Ff - Fp (5)
Um eine hohe Produktausbeute zu erzielen, muß der Spülgasstrom Fp klein sein. Aus den Gleichungen (3) und (4) ist ersichtlich, daß dies ein hohes Druckverhältnis, d.h. Phi/Plo, erfordert. Bei einer typischen bekannten Trocknungsanwendung wird der Abgasstrom auf der Permeatseite der Membran von der Membran bei einem Druck leicht oberhalb des Atmosphärendrucks, z.B. 103 kPa (15 psia) abgezogen, und der Einsatzstrom kann dem Membransystem bei einem Druck von etwa 1034 kPa (150 psia) zugeleitet werden, um für ein Druckverhältnis von 10:1 zu sorgen. Zum vollständigen Trocknen müssen mindestens 10%, und typischerweise 15% oder mehr, des gewünschten Produktgases als Spülgas zurückgeführt werden und gehen somit als Teil des permeatseitigen Abgasstroms von dem System verloren, wodurch sich die Produktausbeute des Systems verringert.
Es stellte sich nun heraus, daß die Produktausbeute und die Energie-Effizienz des Verfahrens auf ökonomische Weise erhöht werden können, indem der Trocknungsvorgang unter Verwendung von Spülgas bei relativ hohem Vakuum auf der Permeatseite der Membran ausgeführt wird. Indem subatmosphärische Drücke für Plo verwendet werden, ist es möglich, sehr hohe Druckverhältnisse zu erzielen und dadurch den Spülgasdurchfluß auf einen sehr kleinen Teil des Produktdurchstroms auf der Nichtpermeatseite der Membran zu verringern.
Während der Spülgasdurchfluß verringert und das Reinigungsverhältnis erhöht werden können, indem das Druckverhältnis Phi/Plo verringert wird, ist es in der Technik üblich, den Minimalwert von Plo auf einen Druck leicht oberhalb des Atmosphärendrucks zu begrenzen, so daß das Abgas auf zweckmäßige Weise von dem Membrantrocknungssystem in die Umgebungsluft abgelassen werden kann und die Kosten und Energieaufwendungen einer Vakuumpumpe vermieden werden können. Unter solchen Umständen kann das Druckverhältnis nur erhöht werden, indem der hohe Druckpegel Phi angehoben wird. Dies erfordert jedoch eine zusätzliche Einsatzverdichtung und erzeugt trockenes Produkt bei einem Druck, der höher sein kann als der für die beabsichtigte Verwendung erforderliche.
Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vakuumbedingungen auf der Permeatseite der Membran steht der herkömmlichen Praxis in der Technik entgegen. Für die meisten Trockungsanwendungen ist ein aufgedrückter Produktstrom erforderlich, und deshalb ist ein Kompressor erforderlich, um den Einsatzstrom auf den gewünschten überatmosphärischen Druckpegel aufzudrücken. Falls die Permeatseite der Membran unterhalb des Atmosphärendrucks betrieben wird, muß auch eine zusätzliche Vakuumpumpe verwendet werden. Somit sind zwei kostspielige Maschinen für solch einen transatmosphärischen Prozeß erforderlich, während ein einzelner Kompressor für einen überatmosphärischen Prozeß ausreichend ist. Deshalb wurde in der Technik angenommen, daß der Betriebsenergiebedarf für einen solchen transatmosphärischen Prozeßbetrieb notwendigerweise höher wäre. Ferner sind für vergleichbare Druckverhältnisse Vakuumpumpen gewöhnlich kostspieliger als Kompressoren und im Betrieb weniger effizient. Aus diesen Gründen wurde es als nicht günstig angesehen, einen transatmosphärischen Trocknungsprozeß mit einem geringen Vakuum, wie beispielsweise etwa 69 kPa (10 psia) oder mehr, zu betreiben, um das Membrandruckverhältnis zu erhöhen, und statt dessen wurden die herkömmlichen überatmosphärischen Druckverhältnisse verwendet.
Es stellte sich jedoch heraus, daß Verbesserungen der Gesamttrocknungseffizienz erzielt werden können, indem relativ niedrige Vakuumpegel für die Niederdruckpermeatseite der Membran verwendet werden. Der Einsatzgasdruck liegt bei oder oberhalb des Atmosphärendrucks, d.h. bei bis zu etwa 1200 kPa (170 psia) oder mehr. Indem auf diese Weise Plo verringert wird, während die typischen Phi-Bedingungen verwendet werden, kann das Phi/Plo-Druckverhältnis stark erhöht werden, wodurch der Spülgasdurchfluß verringert werden kann, während ein gewünschtes Reinigungsverhältnis aufrechterhalten wird. Wenn Produktgas für Spülzwecke verwendet wird, führt eine solche Verringerung des Spülgasdurchflusses direkt zu einer erhöhten Produktausbeute. Es ist noch wichtiger, daß sich herausstellte, daß unter solchen Bedingungen ein niedrigerer Einsatzgasdurchfluß erforderlich ist, um für die gleiche Menge an trockenem Produktgas zu sorgen. Diese Verringerung des Einsatzdurchflusses verringert die für die Einsatzverdichtung erforderliche Energie. Unter wünschenswerten Bedingungen wird die verringerte Verdichtungsenergie den Energiebedarf der in der Praxis der Erfindung verwendeten Vakuumpumpe mehr als kompensieren.
Es stellte sich heraus, daß die erfindungsgemäßen Vakuumbedingungen allgemein in dem Bereich von etwa 0,7 bis etwa 52 kPa (etwa 0,1 bis etwa 7,5 psia) liegen, wobei ein Bereich von etwa 3 bis etwa 35 kPa (etwa 0,5 bis etwa 5 psia) bevorzugt ist und ein Bereich von etwa 7 bis etwa 28 kPa (etwa 1 bis etwa 4 psia) für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung am stärksten bevorzugt ist.
Unter Bezugnahme auf FIG. 1 wird nasses, zu trocknendes Einsatzgas über eine Leitung 1 einem Kompressor 2 zugeführt, in welchem der Einsatzgasdruck auf den erwünschten oberen Membrandruck Phi angehoben wird. In den meisten Fällen führt diese Verdichtung zu der Kondensation eines Teils des in dem Kompressorauslaß 3 vorhandenen Wassers. Eine weitere Verringerung des Wasserdampfgehalts des Einsatzgases kann erzielt werden, indem die Temperatur dieses Stroms in einem Chiller-Nachkühler 4 verringert wird. Die kondensierte Feuchtigkeit wird dann in einem Knock-Out-Phasenabscheider 5 entfernt. Der sich ergebende gesättigte Einsatzgasstrom wird dann durch eine Leitung 6 zu der Hochdruckseite 7 eines Membrantrennmoduls 8 geleitet. Aufgrund der hohen Wasserselektivität der zum Trocknen verwendeten Membran permeiert der größte Teil des Wasserdampfs selektiv durch die Membran hindurch auf die Niederdruckpermeatseite 9 der Membran. Das auf diese Weise getrocknete Nichtpermeatgas wird von der Membran 8 durch eine Leitung 10 geleitet. Bei vielen typischen Anwendungen wird ein Teil dieses trocknen Gases über ein Ventil 11 auf unteratmosphärischen Druck expandiert und durch eine Leitung 12 geleitet, um als Spülgas für die Niederdruckseite der Membran 8 zu dienen. Das verbleibende trockene Gas gelangt als gewünschtes trockenes Produktgas des Prozesses durch eine Leitung 13. Das Spülgas, wie dies in FIG. 1 veranschaulicht ist, strömt im Gegenstrom zu dem Einsatzstrom durch die Niederdruckpermeatseite 9 der Membran 8, wo es dazu dient, die permeierten Gase einschließlich des Wasserdampfs aus der Membran 9 über eine Leitung 14 zu einer Vakuumpumpe 5 auszuspülen, aus welcher es über eine Leitung 16 als Abgas abgelassen oder, falls erwünscht, zur Verwendung in einem Hilfsprozeß abgeleitet wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform, bei welcher eine externe Quelle an trockenem Gas für die Verwendung als Spülgas verfügbar ist, kann das Ventil 11 geschlossen sein oder weggelassen werden, und das trockene externe Spülgas kann durch eine Leitung 17 und die Leitung 12 geleitet werden, um als der gewünschte Spülgasstrom in der Membran 8 zu dienen. In diesem Fall kann der gesamte Nichtpermeat- oder Retentatstrom, der von der Membran 8 durch die Leitung 10 entfernt wird, durch die Leitung 13 als trockenes Produktgas gewonnen werden.
Bei den Anwendungen, bei welchen der Trocknungsprozeß ein Nebenprozeß zu anderen Prozessen ist, wie beispielsweise der Erzeugung von Stickstoff aus Luft, kann der Einsatzgasstrom bei hohem Druck verfügbar sein, und möglicherweise sind der Einsatzkompressor 2, der Chiller 4 und der Phasenabscheider 5 als Elemente des Trocknungsprozesses nicht erforderlich, obschon sie in anderen Teilen eines Gesamttrennprozesses funktionell vorhanden sind, von dem der vorliegende Trocknungsprozeß und das vorliegende Trocknungssystem ein Teil sind.
Bei der in FIG. 2 veranschaulichten Ausführungsform der Erfindung wird Einsatzluft in einem zweistufigen Membransystem zerlegt, um einen teilweise gereinigten Stickstoffstrom zu erzeugen, der einer Deoxo-Behandlung unterzogen wird, um Restsauerstoff daraus zu entfernen und einen nassen hochreinen Stickstoffstrom zu erzeugen. Letzterer wird in einem Membrantrockner getrocknet, um trockenes hochreines Stickstoffprodukt zu erzeugen. Somit wird Einsatzluft in einer Leitung 21 durch einen Kompressor 22 zu einer ersten Membranstufe 23 geleitet, von welcher ein sauerstoffhaltiger Permeatabgasstrom über eine Leitung 24 abgetrennt wird. Das Nichtpermeatgas daraus gelangt in einer Leitung 21A zu einer Membran 25, welche die zweite Stufe bildet, von welcher der teilweise gereinigte Stickstoffstrom in einer Leitung 26 zu einem Deoxo-System 27 gelangt. Über eine Leitung 28 wird Wasserstoff in das Deoxo-System 27 zum Zwecke einer katalytischen Reaktion mit Restsauerstoff eingeleitet, so daß ein nasser hochreiner Stickstoffstrom in Leitung 29 abgezogen wird, welche einen Chiller 30 und einen Phasenabscheider 31 enthält, von welchem kondensiertes Wasser über eine Leitung 32 abgezogen wird. Der gesättigte hochreine Stickstoffstrom in der Leitung 29 wird dann mittels Durchleiten durch einen Membrantrockner 33 vollständiger getrocknet, von welchem trockenes hochreines Stickstoffprodukt über eine Leitung 34 abgezogen wird. Bei dieser Ausführungsform wird ein kleiner Teil des trockenen hochreinen Stickstoffprodukts über eine Leitung 35 und ein Ventil 36 zu dem Membrantrockner 33 zurückgeleitet, um durch diesen als trockenes Spülgas im Gegenstrom zu dem Stickstoffgasstrom auf der Einsatz- oder Nichtpermeatseite der Membran hindurchzuströmen. Der Spülgasausfluß wird von dem Membrantrockner 33 über eine Leitung 37, welche eine Vakuumpumpe 38 enthält, abgezogen, um zu der Leitung 21 zurückgeführt zu werden, um verdichtet zu werden und zwecks des Gewinnens von zusätzlichen Stickstoffproduktmengen durch das zweistufige Membransystem hindurchgeleitet zu werden. Das Permeatgas von der zweiten Membranstufe 25 wird wünschenswerterweise ebenfalls in einer Leitung 39 zu einer Leitung 37 geleitet, um zu dem System zurückgeführt zu werden.
Die vorteilhaften Merkmale der Erfindung, bei welcher die hier beschriebenen und beanspruchten transatmosphärischen Trocknungsbedingungen verwendet werden, werden aus den folgenden veranschaulichenden Beispielen weiter offensichtlich. Bei solchen Beispielen wird ein Membrantrocknerstrom verwendet, der für die Verwendung von Spülgas auf der Permeatseite ausgelegt ist, wobei der Membrantrockner folglich mit vier Anschlüssen mit einem Einsatzeinlaß, einem Nichtpermeatauslaß, einem Permeatauslaß und einem Spülgaseinlaß versehen ist. Der Membrantrockner ist in jedem Fall eine Hohlfasermembran, die für einen Gegenstrombetrieb auf der Permeatseite und der Nichtpermeatseite ausgelegt ist. Die Membran weist ein Permeabilitäts- zu Dickeverhältnis in der Größenordnung von 6,33 x 10&sup6; Barrer/cm und einen Trennfaktor von Wasser bezüglich Sauerstoff von 1000 auf. Solche Werte sind für die ohne weiteres erhältliche Membran-Technologie gemäß dem Stand der Technik charakteristisch. In den nachfolgenden Beispielen 1 und 2 ist die Membranfläche auf 13,9 m² (150 Quadratfuß) festgelegt und die Produktdurchflußrate beträgt 0,0283 m³/h (1000 NCFH) mit einem Taupunkt von -40º C (-40ºF) bei Druck. Der zu trocknende Einsatzstickstoff wurde mittels eines Luftzerlegungsprozesses hergestellt, der im wesentlichen den gesamten Sauerstoff entfernt, jedoch den Stickstoff wie in der Ausführungsform gemäß FIG. 2 mit Wasserdampf gesättigt läßt. In den Beispielen 1 und 2 ist der Einsatzstickstoffstrom bei einem Druck von 1137 kPa (150 psig; 165 psia) und einer Temperatur von 37,8ºC (100ºF) verfügbar und enthält etwa 5766 ppm Wasserdampf.

Beispiel 1

In diesem Beispiel wurden das Spülverhältnis, die Kompressorleistung, die Leistung der Vakuumpumpe, die Gesamtleistung und die Produktausbeute für verschiedene Werte des niedrigen permeatseitigen Drucks Plo, einschließlich den Werten bei und unterhalb Atmosphärendruck, bestimmt. Für solche Zwecke werden zweistufige Kompressor- und Vakuumpumpeneinheiten mit adiabatischen Stufeneffizienzen von 80 % bzw. 60 % verwendet. Die Ergebnisse sind in Tabelle I gezeigt: Tabelle I
Es ist ersichtlich, daß bei höherem Vakuum, d.h. bei niedrigeren Werten von Plo, das Nichtpermeat-/Permeatdruckverhältnis Phi/Plo ansteigt und die erforderliche Menge an Spülgas als Prozentanteil am Einsatzgas wesentlich kleiner wird. Da eine geringere Menge des erwünschten Produktgases für die Verwendung als Spülgas erforderlich ist, erhöht sich die Produktausbeute beträchtlich. Ferner sei bemerkt, daß in überraschender und unerwarteter Weise die Praxis der Erfindung es ermöglicht, daß der inkrementelle Verdichtungsenergiebedarf sehr signifikant verringert werden kann, wenn das Vakuum auf der Permeatseite der Membran verstärkt wird. Wenn der für den Betrieb der für die Zwecke der Erfindung verwendeten Vakuumpumpe erforderliche Energiebedarf dazu hinzuaddiert wird, stellt sich in überraschender und unerwarteter Weise heraus, daß der Gesamtenergiebedarf für ein solches Vakuumspültrocknen wesentlich abnimmt, wenn der Druck auf der Permeatseite verringert wird, in dem Beispiel auf 13,8 kPa (2 psia). Für den Fachmann versteht es sich, daß als Teil einer Gesamtbewertung der Vorteile der Erfindung gegenüber der herkömmlichen Praxis die Kosten der Vakuumpumpe und die dadurch verursachte zusätzliche Komplexität bezüglich der gesamten technischen und ökonomischen Ausführbarkeit der Verwendung der Erfindung im praktischen kommerziellen Betrieb berücksichtigt werden muß. Wenn solche Kosten berücksichtigt werden, stellt sich heraus, daß die Verwendung von Druckpegeln im schwachen Vakuumbereich keine attraktiven Alternativen gegenüber der herkömmlichen Praxis sind. Wenn Plo auf etwa 0,7 bis etwa 52 kPa (etwa 0,1 bis etwa 7,5 psia) verringert wird und die oben angegebenen bevorzugten Vakuumbereiche herrschen, stellt sich jedoch heraus, daß der überraschend verringerte Betriebsenergiebedarf die zusätzlichen Kosten der Verwendung einer Vakuumpumpe mehr als kompensiert. Somit ermöglicht die Praxis der Erfindung bei solchen Bedingungen mit hohem Vakuum, daß der wichtige Gastrocknungsvorgang mit erhöhter Trocknungseffizienz ausgeführt werden kann.
Den Ergebnissen von Tabelle I könnte man entnehmen, daß, je niedriger Plo wird, eine desto größere Gesamteffizienz bei dem Vakuumspülbetrieb gemäß der Erfindung erreicht werden kann. Der Bereich der für die Zwecke der Erfindung geeigneten Vakuumdrücke liegt jedoch allgemein im Bereich von etwa 0,7 bis etwa 52 kPa (etwa 0,1 bis etwa 7,5 psia), wie dies oben offenbart wurde. Falls das Druckverhältnis Phi/Plo über etwa 100 erhöht werden würde, könnte die Menge an verwendetem Spülgas weiter verringert werden, jedoch wäre der sich ergebende Anstieg der Produktausbeute nicht wesentlich. Ferner ist es wünschenswert, mehr als eine vernachlässigbare Menge an Spülgas an dem Produktende des Membrantrockners vorzufinden. Tabelle 1 zeigt, daß in den getesteten Fällen das Reinigungsverhältnis nahe 1 verbleibt. Der minimale Wert von Plo, der zweckmäßigerweise erzielt wird, ist auch durch den Dampfdruck des Wassers begrenzt, welcher bei 37,8ºC (100ºF) nahe 1 psia liegt. Ferner können relativ einfache Vakuumpumpen verwendet werden, um die angegebenen Vakuumdruckpegel zu erzielen, während aufwendigere und kostspieligere Vakuumpumpen zur Erzielung niedrigerer Vakuumdruckwerte erforderlich wären.

Beispiel 2

Dieses Beispiel ist ähnlich zu Beispiel 1, jedoch wird eine externe Quelle von trockener Luft für Spülzwecke verwendet, wobei die übrigen Bedingungen wie in Beispiel 1 bleiben. Tabelle II
Aus diesem Beispiel ist ersichtlich, daß kein Produktverlust aufgrund der Abzweigung zur Verwendung als Spülgas stattfindet, sowie daß keine Verringerung des Kompressorenergiebedarfs auftritt, wenn ein Vakuumspülen verwendet wird. Der erfindungsgemäße Vakuumprozeß erfordert einen zusätzlichen Energieaufwand aufgrund des Vakuumspülvorgangs und er muß ferner die zusätzlichen Investitionskosten der Vakuumpumpe ausgleichen. Ferner tritt keine unvermeidbare Rückpermeation einer gewissen Sauerstoffmenge von der externen Luft in den Produktstrom auf, wenn die externe Luft an Stelle von zurückgeführtem hochreinem Produktgas als Spülgas verwendet wird. Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Vakuumspülprozesses, wie dies durch die in Tabelle II wiedergegebenen Ergebnisse gezeigt wird, besteht darin, daß der Rückpermeationsgrad unter den erfindungsgemäßen Vakuumbedingungen stark verringert ist. Dieses Merkmal kann erforderlich sein, um bei bestimmten Anwendungen die Produktreinheitsanforderungen einzuhalten. Während es gewöhnlich angenommen wird, daß ein trockener Luftstrom kostenlos und in der für Vakuumspülvorgänge erforderlichen Menge vorhanden ist, sind die tatsächlichen Kosten des trockenen Luftstroms zur Verwendung als Spülgas möglicherweise ein nicht vernachlässigbarer Punkt im praktischen kommerziellen Betrieb. Es ist wichtig anzumerken, daß folglich der erfindungsgemäße Vakuumspülprozeß nur 13 % des in der gewöhnlichen Praxis auftretenden Bedarfs an trockener Luft unter Verwendung von bei etwa Atmosphärendruck verfügbarer Spülluft verwendet.
Falls der Sauerstoff-Rückpermeationsgrad, d.h. 26 ppm in der Ausführungsform der Erfindung gemäß Beispiel 2, immer noch über dem durch die anwendbare Produktspezifikation erlaubten Wert liegt, dann muß entweder ein Produktspülen wie in Beispiel 1 verwendet werden, oder es sind viel geringere Vakuumpegel erforderlich, falls Membrantrocknungsvorgänge verwendet werden müssen. Wie oben vorgeschlagen, machen die mit solchen sehr niedrigen Vakuumdruckpegeln verbundenen Kosten solch einen Ansatz aus einem praktischen Betriebsgesichtspunkt undurchführbar.

Beispiel 3

Dieses Beispiel betrifft die Herstellung von trockener Luft aus der Umgebungsatmosphäre in einem isolierten Prozeß, welcher ein Produktspülen verwendet. Die Membran-Charakteristika und die Kompressor- und Vakuumpumpen-Effizienzen sind die gleichen wie in den obigen Beispielen 1 und 2. Die Produktanforderung bei diesem Beispiel ist trockene Produktluft bei einer Durchflußrate von 0,0283 m³/h (1000 NCFH) bei 275 kPa (40 psia, 25 psig). Der Produkttaupunkt beträgt -40ºC (-40ºF), was 127 ppm entspricht. Die verfügbare Membranoberfläche beträgt 51 m² (550 Quadratfuß), und die Einsatzluft ist bei dem spezifizierten Einsatzdruck bei 37,8ºC (100ºF) mit Wasser gesättigt. Tabelle III
Im Fall A wird das Einsatzgas auf den für die Produktspezifikationen erforderlichen Druck aufgedrückt, und das Abgas wird bei Atmosphärendruck abgelassen. Dies stellt einen einfachen Prozeßbetrieb dar, verwendet jedoch ein hohes Spülverhältnis bezüglich des Einsatzluftdurchflusses und weist einen hohen Einsatzkompressor-Energiebedarf auf. Im Fall B wird dieser Kompressor-Energiebedarf verringert, indem der Einsatzgasdruck auf 1034 kPa (10 atm; 150 psia) angehoben wird. Das trockene Luftprodukt wird ebenfalls bei diesem Druck abgegeben, welcher höher als erforderlich ist und deshalb überschüssige ungenutzte Energie enthält. In diesem Fall wird die zugeordnete Membranoberfläche die gesamte zu entfernende Feuchtigkeit permeieren, selbst wenn das Reinigungsverhältnis auf einen nominellen Wert von 1 verringert wird. In der Praxis wäre es wahrscheinlich wünschenswert, unter solchen Umständen eine kleinere Membranfläche und ein höheres Reinigungsverhältnis zu verwenden.
Fall C stellt eine wunschenswerte Ausführungsform des transatmosphärischen Verfahrens gemäß der Erfindung dar, wobei das Einsatzgas auf den für das trockene Nichtpermeatproduktgas erforderlichen Druck verdichtet wird und sich die Niederdruck-Permeatseite der Membran bei einem Vakuum mit einem Druck von 27,5 kPa (4 psia) befindet. Obwohl dieser Prozeß sowohl für die Verdichtung als auch für die Vakuumpumpe Energie erfordert, ist ersichtlich, daß er eine größere Energie-Effizienz als im Fall A oder Fall B aufweist. Ferner ist die erhöhte Energie-Effizienz hinreichend, um die zusätzlichen Kosten der für den erfindungsgemäßen Vakuumpumpbetrieb erforderlichen Vakuumpumpe zu rechtfertigen.
Es versteht sich, daß die in dem erfindungsgemäßen Membrantrockner verwendete Membranzusammensetzung wie oben erwähnt eine solche sein sollte, die eine hohe Selektivität für Wasser gegenüber dem Gas aufweist, welches getrocknet wird, d.h. beim Trocknen von Luft Stickstoff und Sauerstoff Das heißt, Feuchtigkeit muß viel schneller permeiert werden als Luft oder ein anderes Gas, welches getrocknet wird. Beispielsweise sollte der Wasser/Luft-Trennfaktor mindestens 50, vorzugsweise größer als 1000, sein, um für eine vorteilhafte Feuchtigkeitsentfernung aus der Einsatzluft zu sorgen. Ferner sollte die Membranzusammensetzung eine relativ niedrige Permeabilitätsrate für das Gas aufweisen, welches getrocknet wird, z.B. bei Lufttrocknungsanwendungen sowohl für Stickstoff als auch für Sauerstoff Zelluloseacetat ist ein Beispiel für ein Membranmaterial, welches solche Kriterien erfüllt. Eine Vielzahl anderer Membranmaterialien kann ebenfalls verwendet werden, wie beispielsweise Ethylzellulose, Polyurethan, Polyamid, Polystyrol und ähnliches.
Während verschiedene Membrankonfigurationen in der Praxis der Erfindung verwendet werden können, z.B. spirallörmig gewundene Membranen, sind Hohlfaser-Membrankonfigurationen aufgrund der erhöhten Oberfläche und der dadurch geschaffenen Packungsdichte besonders wünschenswert. Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, welche Hohlfaserbündel verwenden, kann der Durchgang von Einsatzluft oder einem anderen Gas, welches getrocknet wird, von innen nach außen erfolgen, wobei das Einsatzgas durch die Längsöffnungen der Hohlfasern geleitet wird, oder von außen nach innen erfolgen, wobei das Einsatzgas zu der Außen- oder Mantelseite der Membranbündel geleitet wird, wobei Permeatgas aus dem Inneren der Öffnungen der Hohlfasern gewonnen wird. Wie in EP 0 226 431, veröffentlicht am 24. Juni 1987, gezeigt ist, können Gegenstrommuster erzeugt werden, indem das Hohlfaserbündel über seine Längsaußenfläche mit Ausnahme eines nichtumschlossenen Umfangsbereichs, der zweckmäßigerweise nahe einem Ende des Bündels angeordnet ist, von einer undurchlässigen Barriere umgeben wird. Diese Anordnung oder andere solche Anordnungen dienen dazu, zu ermöglichen, daß das Einsatzgas oder Permeatgas in Abhängigkeit von der gewünschten Betriebsweise, d.h. von innen nach außen oder von außen nach innen, im Gegenstrom außerhalb der Hohlfasern parallel zu der Strömungsrichtung von Permeatgas oder Einsatzgas in den Öffnungen der Hohlfasern strömt. Das Einsatzgas auf der Außenseite des Hohlfaserbündels wird beispielsweise dazu veranlaßt, parallel zu der Mittelachse des Faserbündels anstatt in einem rechten Winkel dazu zu strömen. Es versteht sich, daß die Membranfasern entweder in geraden Baugruppen parallel zu der Mittelachse des Bündels organisiert sein können, oder daß sie alternativ und bevorzugt in einer wendelartigen Weise um die Mittelachse gewunden sind. In jedem Fall kann die undurchlässige Barriere eine Umhüllung aus einem undurchlässigen Film, beispielsweise Polyvinyliden oder ähnlichem, sein. Alternativ kann die undurchlässige Barriere ein undurchlässiges Beschichtungsmaterial, z.B. Polysiloxan, welches aus einem unschädlichen Lösungsmittel aufgebracht wird, oder eine Schrumpthülse sein, welche über das Membranbündel angeordnet und auf das Bündel geschrumpft wurde. Die undurchlässige Barriere umschließt somit das Hohlfaserbündel oder ein anderes Membranbündel und weist, wie in der obigen Veröffentlichung offenbart, eine Öffnung darin auf, welche den Strom von Gas in das Bündel oder aus dem Bündel erlaubt, so daß das Fluid in einer Richtung im wesentlichen parallel zu der Achse des Faserbündels strömt. Für die Zwecke der Erfindung sollte das Strömungsmuster ein Gegenstrommuster der nassen Einsatzluft oder eines anderen Gasstroms relativ zu dem Permeatgas sein, welches das wie oben erwähnt zugeführte Spülgas sowie Feuchtigkeit umfaßt, welche durch das Membranmaterial permeiert.
Zum Zwecke der Erfindung sind asymmetrische oder Verbundmembranen aufgrund ihrer sehr dünnen Membrantrennbereiche oder -lagen bevorzugt, welche zwecks mechanischer Festigkeit und Abstützung von poröseren Substraten getragen werden. Dichte Fasermembranen können ebenfalls verwendet werden, obschon sie sehr niedrige Permeabilitätsraten aufgrund der inhärent größeren Dicke ihres Trennbereichs aufweisen.
Während die Erfindung oben insbesondere hinsichtlich ihrer hoch wünschenswerten Gastrocknungsanwendung beschrieben wurde, versteht es sich, daß die Erfindung auch bezüglich anderer kommerziell wichtiger Gastrennungsvorgänge ausgeführt werden kann. Somit kann die Erfindung für Anwendungen verwendet werden, in welchen es wünschenswert ist, schnell permeierende Komponenten, die nicht Wasser sind, aus einem Einsatzgasstrom zu entfernen, z.B. CO&sub2;- und Ammoniak-Reinigung aus Prozeßgasströmen. Ferner ist die Erfindung für Gastrennungsanwendungen für die Gewinnung von Stickstoffproduktgas von Bedeutung, insbesondere wenn die verwendeten Membransysteme, z.B. Membranen für erleichterten Transport, eine erhöhte Permeabilität der Sauerstoffkomponente der Einsatzluft zeigen.
Es liegt deshalb im Rahmen der Erfindung, schnell permeierende Komponenten, wie beispielsweise CO&sub2;, Ammoniak und Sauerstoff, aus Einsatzgasströmen abzutrennen, abgesehen von den höchst wünschenswerten Gastrocknungsanwendungen der Erfindung, wie sie oben offenbart wurden.
Es versteht sich aus dem Obigen, daß die Erfindung einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der Membrantrennung darstellt. Somit ermöglicht es die Erfindung, daß hocheffiziente Trocknungsanwendungen und andere Gastrennanwendungen unter Verwendung von wünschenswert kleinen Spülgasmengen bei niedrigem Gesamtenergiebedarf ausgeführt werden können.

Claims

1. Membran-Gastrennverfahren, bei dem

(a) ein Einsatz gasstrom der Nichtpermeatseite eines Membransystems (8), das eine rasch permeierende Komponente des Einsatzgases selektiv permeieren kann, bei einem Einsatzgasdruck von etwa Atmosphärendruck bis etwa 1200 kPa (170 psia) zugeleitet wird;

(b) Spülgas der Permeatseite (9) des Membransystems (8) im Gegenstrom zu dem Durchfluß des Einsatzgasstroms zugeleitet wird, um den Wegtransport der rasch permeierenden Komponente von der Oberfläche der Membran zu erleichtern und die Antriebskraft für die Beseitigung der rasch permeierenden Komponente von dem Einsatzgasstrom durch die Membran hindurch aufrecht zu erhalten, wobei die Permeatseite der Membran mittels einer Vakuumpumpanordnung (15) auf einem Unterdruck im Bereich von etwa 0,7 bis etwa 52 kPa (etwa 0,1 bis etwa 7,5 psia) gehalten wird und die Durchflußrate und der Druck des Spülgases sowie der Durchfluß des Einsatzgases derart gewählt werden, daß ein Reinigungsverhältnis CR von zwei oder mehr aufrechterhalten wird, wobei

CR = (Fp/Ff) (Phi/Plo)

und wobei Fp die Durchflußrate des Spülstroms ist, Ff die Durchflußrate des Einsatzgasstroms ist, Phi der Druck auf der Nichtpermeatseite (7) der Membran ist und Plo der Druck auf der Permeatseite (9) der Membran ist;

(c) ein Produktgasstrom von der Nichtpermeatseite (7) der Membran gewonnen wird; und

(d) Spülgas und die rasch permeierende Komponente, die durch die Membran hindurchgetreten ist, von der Permeatseite (9) der Membran ausgetragen werden,

wobei die auf der Permeatseite (9) der Membran durch die Vakuumpumpanordnung (15) aufrecht erhaltenen Vakuumbedingungen die Leistung des Gastrennvorgangs verbessern und dadurch dessen Gesamtenergiebedarf senken.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der permeatseitige Druck zwischen etwa 3 und etwa 35 kPa (etwa 0,5 bis etwa 5,0 psia) liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der permeatseitige Druck zwischen etwa 7 und etwa 28 kPa (etwa 1 bis etwa 4 psia) liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einsatzgas mit Feuchtigkeit beladene Luft aufweist und das Produktgas trockene Luft aufweist.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Spülgas einen Teil des von der Membran gewonnenen Produktgasstroms aufweist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Einsatzgasstrom Luft aufweist und das Produktgas Stickstoff aufweist.