DE69800049T2

DE69800049T2 - Mehrstufiges Verfahren für die Trennung/rückgewinnung von Gasen

Info

Publication number: DE69800049T2
Application number: DE69800049T
Authority: DE
Inventors: Rolf-Dieter Behling; Lidia Barreto Da Silva; Klaus Ohlrogge; Klaus-Viktor Peinemann; Jan Wind
Original assignee: Petroleo Brasileiro SA Petrobras; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Current assignee: Petroleo Brasileiro SA Petrobras; GKSS Forshungszentrum Geesthacht GmbH
Priority date: 1997-10-09
Filing date: 1998-06-02
Publication date: 2000-08-03
Anticipated expiration: 2018-06-03
Also published as: ATE187353T1; DE69800049D1; BR9803522A; ES2141628T3; EP0945163A1; CA2247682A1; CN1229689A; AR016142A1; CN1140318C; CO5060521A1; HK1019413A1

Description

Mehrstufiges Verfahren zur Trennung und/oder Rückgewinnung von Gasen

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Trennung und/oder Rückgewinnung von Gasen aus Gas und/oder Gasdampfgemischen mittels einer Membrantrenneinrichtung, auf die das Gas und/oder Gasdampfgemisch gegeben wird, wobei dieses in der Membrantrenneinrichtung in mit Gas/Dämpfen angereicherte Permeate und mit Gas/Dämpfen angereicherte Retentate getrennt wird. Die Membrantrenneinrichtung umfaßt die Nutzung unterschiedlicher Arten von Membranen. Eine der verwendeten Membranen ist aus glasartigen Polymeren hergestellt und ist hochdurchlässig für Gase mit einem kleinen kinetischen Durchmesser wie H&sub2; oder He, wohingegen die andere verwendete Membranart aus gummiartigen Polymeren hergestellt ist und hochdurchlässig für kondensierbare Gase/organische Dämpfe wie C&sub2; und höhere Kohlenwasserstoffe ist. Wenn eine weitere Reinheit der gewünschten Komponente bzw. Komponenten gewünscht wird, kann eine Druck-Wechsel-Adsorptionseinrichtung oder ein Tieftemperatursystem in der Membrantrenneinrichtung vorgesehen werden.
Nach wie vor stellt die wirtschaftliche Aufbereitung von Gasgemischen, wie sie beispielsweise in der erdölverar beitenden Industrie, aber auch in der Petrochemie, auftreten, ein bisher nicht zufriedenstellend gelöstes Problem dar. Grundsätzlich sind Prozesse unter Zuhilfenahme der Membrantrenntechnik zur Abtrennung bzw. Rückgewinnung von Gasen hoher Reinheit > 99% bekannt, besonders in der Kombination von Membrantrenneinrichtungen in Verbindung mit Druck-Wechsel-Adsorptionseinrichtungen. Reine Membrantrennprozesse werden, wenn hohe Produktreinheiten gefordert sind, als unwirtschaftlich eingestuft, da die mehrstufige Rezirkulation der Permeatströme einen zu hohen Energieaufwand und zu hohe Kosten für eine Rückverdichtung erfordert. Die Kombination von Membrantrenneinrichtungen und Druck-Wechsel- Adsorptionseinrichtungen ist wirtschaftlich nur dann zu betreiben, wenn die Ausgangssituation von Gasen im zu trennenden Gemisch, beispielsweise H&sub2;, über 40 Mol % liegt und ein hoher Ausgangsdruck vorhanden ist. Da die bisher für diese Zwecke eingesetzten glasartigen Polymermembranen in der Membrantrenneinrichtung als Vorbedingung eine möglichst hohe Selektivität trotz niedriger Flüssen aufweisen sollen, muß ein höchstmöglicher Druck am Eingang der Trenneinrichtung, beispielsweise zwischen 40 und 130 bar, eingestellt werden, um die Selektivität der Membranen nutzen zu können.
Die nachgeschaltete Druck-Wechsel-Adsorptionseinrichtung wurde bei den bekannten Anordnungen ebenfalls bei relativ hohem Adsorptionsdruck, bevorzugt 40 bar, und höher betrieben. Die Kosten für die Kompression liegen sehr hoch, so daß der gesamte Trennprozeß nur dann wirtschaftlich zu betreiben ist, wenn das zu trennende Gemisch bereits bei hohem Druck vorliegt.
Prozesse der vorbeschriebenen Art sind beispielsweise aus der US-A-4 398 926 und der US-A-4 690 695 bekannt.
In der EP-A-0 684 066 ist die Gewinnung von H&sub2; oder He aus Hochdruckzulaufströmen bekannt, in denen die Eingangskonzentration für H&sub2; oder He unter 30 Vol. % liegen kann, wobei die Verunreinigungen durch höhere Kohlenwasserstoffe bewirkt sind. Der Wasserstoff kann unter diesen Bedingungen in einer Membraneinheit im Permeat auf 40% angehoben werden, bevor das Permeat nachverdichtet einer Druck-Wechsel-Adsorptionseinrichtung zugeführt wird, in der die leichte Komponente, beispielsweise H&sub2;, auf über 98% angereichert wird. Der Energieverbrauch für die Nachverdichtung wird zu Lasten der Ausbeute dadurch kontrolliert, daß nur ein geringer Permeatstrom abgenommen wird.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mit dem bei niedrigem Energiebedarf eine simultane Abtrennung oder Rückgewinnung von Gasen mit kleinem Moleküldurchmesser in hochreiner Form erreichbar ist und daß kondensierbare Gase/Dämpfe in hochkonzentrierter Form bei geringem Druck gewonnen werden können, wobei das zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch eine niedrige Konzentration der anzureichernden Komponenten aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch wenigstens eine Membrantrenneinheit, die wenigstens eine organophile Membran aufweist, die für und höhere Kohlenwasserstoffe selektiv ist, in Verbindung mit wenigstens einer Membrantrenneinheit, die eine glasartige Membran aufweist, die selektiv für Gase mit kleinem kinetischen Durchmesser ist.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt im wesentlichen darin, daß, wie angestrebt, eine simultane, wirtschaftliche Trennung und/oder Rückgewinnung von Gasen mit kleinem Moleküldurchmesser, beispielsweise Wasserstoff oder Helium und organischen Dämpfen, beispielsweise C&sub2; und höheren Kohlenwasserstoffen, aus einem Gas und/oder Gasdampfgemisch möglich ist. Auch unter dem Gesichtspunkt der Ökologie zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhafterweise durch einen gegenüber bekannten Verfahren erheblich verminderten Energiebedarf aus, da das Verfahren bei verhältnismäßig moderaten Drücken betrieben werden kann. Auch ist das Verfahren vorteilhafterweise anwendbar, wenn die abzutrennenden Gase/Dämpfe im zu trennenden Gemisch in nur geringen oder sogar in nur sehr geringen molaren Konzentrationen vorhanden sind.
Bei der Ausführung des vorliegenden Verfahrens ist es vorteilhaft, daß die in der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten verwendete organophile Membran bzw. verwendeten organophilen Membranen aus einem Elastomer oder gummiartigen Polymeren hergestellt ist bzw. sind, beispielsweise aus Silikongummi, wobei das Silikongummi aus POMS oder aus PDMS besteht. Diese Membranen der ersten Membrantrenneinrichtung (b) sind also organophile Membranen, die selektiv Gase bzw. Dämpfe, beispielsweise höhere Kohlenwasserstoffe, permeieren.
Bei der vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens bestehen die Membranen der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten aus einer sogenannten glasartigen Membran, die beispielsweise entweder aus Polyamidimid hergestellt ist oder aus aromatischen Polyimiden. Diese Membranen sind selektiv bezüglich Gasen mit kleinem Moleküldurchmesser, beispielsweise Wasserstoff oder Helium.
Um ausreichende Druckenergie (Druckinventar) für die Trennung des Gases und/oder Gasdampfgemisches zur Verfügung zu haben, das auf die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten gegeben wird, und ausreichende Druckenergie für das dort zu erzeugende Permeat, weist das primäre, zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch am Einlaß in die organophile Membraneinheit bzw. die organophilen Membraneinheiten, einen Druck zwischen 1 bis 30 bar, vorteilhafterweise zwischen 2 und 15 bar, auf.
Vorzugsweise wird bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung das primäre zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch vor Eintritt in die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten zur Optimierung des Trennergebnisses temperiert, wobei vorteilhafterweise dabei die Temperatur im Bereich von 0-25º C liegt.
Grundsätzlich kann die Temperierung des zu trennenden Gases und/oder Gasdampfgemisches auf beliebige geeignete Weise erfolgen und wird im wesentlichen davon abhängig sein, ob dessen Temperatur höher oder niedriger im Bereich der für den Trennvorgang optimalen Temperatur des zu trennenden Gas und/oder Gasdampfgemisches liegt. Dabei wird bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens die Temperierung über einen der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten vorschaltbaren Wärmetauscher/Kühler erfolgen, über den das zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch vor Eintritt in die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten geleitet wird.
Um Verunreinigungen aus dem zu trennenden Gas und/oder Gasdampfgemisch zu entfernen, die bei einem ungehinderten Eintritt leicht zu einer Zerstörung der eigentlichen Membran führen können bzw. auch zu einem Dichtsetzen und damit ebenfalls zu einem Unwirksamwerden, ist es vorteilhaft, das primäre zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch vor Eintritt in die erste Membrantrenneinrichtung vorzureinigen/zu filtern, wozu ein gesonderter Filter vorgesehen sein kann.
Zu einer Optimierung des Trennvorganges des Gases und/ oder Gasdampfgemisches in der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten wird vorzugsweise permeatseitig an der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten eine Druckerniedrigung bewirkt, wobei der permeatseitige Druck vorteilhafterweise im Bereich von 1 bis 2 bar liegt.
Je nach Trenngrad einerseits und Reinheitsgrad des ersten gewünschten Produkts der organophilen Membraneinheit bzw. der organophilen Membraneinheiten andererseits kann es vorteilhaft sein, das die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten verlassende Permeat einer weiteren Reinigung zu unterziehen, wobei beispielsweise für die dafür verwendete Nachreinigungsstufe eine Kühleinrichtung, beispielsweise eine Tieftemperaturdestillation, vorgesehen sein kann. Denkbar sind aber auch andere Nachreinigungsstufen, die nach anderen physikalisch-chemischen Prinzipien arbeiten.
Das die organophile Membraneinheit bzw. die organophilen Membraneinheiten verlassende Retentat, das in etwa einen Druck aufweist, wie er beim zu trennenden Gas und/oder Gasdampfgemisch vor Eintritt in die Membraneinheit bzw. Membraneinheiten anzutreffen ist, beispielsweise zwischen 2 und 15 bar, wird vorteilhafterweise vor Eintritt in die zweite Membraneinheit bzw. Membraneinheiten druckerhöht, um eine ausreichende Druckenergie für den Trennvorgang des Retentats der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten zur Verfügung zu haben, wenn es der organophilen Membran bzw. den organophilen Membranen zugeführt wird, wobei es auch hier vorteilhaft zur Optimierung des Trennvorganges ist, das Retentat vor Eintritt in die glasartige Membraneinheit bzw. die glasartigen Membraneinheiten zu temperieren, und zwar im Bereich von 40-120ºC, vorzugsweise zwischen 70 und 80ºC.
Die Druckerhöhung des Retentats vor Eintritt in die glasartige Membraneinheit bzw. glasartigen Membraneinheiten erfolgt bis in den Bereich von vorzugsweise 30 bis 40 bar.
Die Temperierung des Retentats vor Eintritt in die glasartige Membraneinheit bzw. glasartigen Membraneinheiten erfolgt vorteilhafterweise mittels eines vorgeschalteten Wärmetauschers/Erhitzers.
Das die glasartige Membraneinheit bzw. Membraneinheiten verlassende Permeat wird vorteilhafterweise über eine Adsorptionseinrichtung geleitet, wobei das Permeat, das stark mit Gasen mit kleinem kinetischen Durchmesser angereichert ist, einen auf den Bereich zwischen 1 und 2 bar verminderten Druck aufweist, im Gegensatz zum Retentat, dessen Druck auf etwa 25 bis 40 bar oder sogar größer, erhöht ist. Die Adsorptionseinrichtung, die das Permeat nochmals reinigt, um ein am Ausgang der Adsorptionseinrichtung abgegebenes hochreines zweites Produkt zu liefern, wird vorzugsweise nach dem Prinzip der Druck-Wechsel-Adsorption betrieben.
Um eine Optimierung der Nachreinigung des Permeats in der Adsorptionseinrichtung zu erzielen, wird das Permeat der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten vorteilhafterweise vor Eintritt in die Adsorptionseinrichtung druckerhöht, beispielsweise auf einen Druck im Bereich von 18 bis 20 bar.
Zur Druckerhöhung wird vorteilhafterweise die Druckenergie des Retentats der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten ausgenutzt, die in etwa dem Druck des druckerhöhten Retentats der organophilen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten entspricht, die am Eingang zur glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten anliegt, beispielsweise im Bereich zwischen 25 und 40 bar oder sogar höher. Diese Druckenergie wird vorteilhafterweise dazu genutzt, einen Turboexpander zu betreiben, der mittels des sich auf hohem Druck befindlichen Retentats der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten angetrieben wird.
Um die optimalen Adsorptionsbedingungen für das Permeat der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten in der Adsorptionseinrichtung zu erzielen, wird das Permeat vor dem Eintritt in die Adsorptionseinrichtung vorteilhafterweise geeignet temperiert bzw. temperaturerniedrigt.
Das den Turboexpander verlassende, nunmehr druckerniedrigte Retentat der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten kann nun direkt unter entsprechender Druckerhöhung in den Verfahrenskreislauf eingangsseitig zurückgekoppelt werden oder aber vorteilhafterweise einer dritten Membrantrenneinrichtung zugeführt werden, deren Retentat, wie zuvor, in den Eingang des Verfahrenskreislaufes wiederum eingekoppelt wird. Das Permeat kann jedoch als drittes Produkt ggf. am Ausgang der Adsorptionseinrichtung mit einem Reinheitsgrad abgegeben werden, der nicht so hoch wie der des zweiten Produkts aus dem Verfahrenskreislauf ist.
Auch der die Adsorptionseinrichtung verlassende Desorptions- oder Spülgasstrom wird vorteilhafterweise zur Einkoppelung in den Verfahrenskreislauf zurückgeführt, wobei der Desorptions- oder Spülgasstrom, je nach Einkoppelungspunkt im Verfahren, vor der Einkoppelung in den Verfahrenskreislauf bestimmungsgemäß druckerhöht und/oder temperaturerhöht wird.
Wie oben erwähnt, wird das Permeat der organophilen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten über eine Nachreinigungsstufe geleitet und dort nachgereinigt, um als erstes Produkt das Verfahren zu verlassen. Vorzugsweise wird das Retentat der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten in der gleichen Einrichtung nachgereinigt, in der auch das Permeat der organophilen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten nachgereinigt wird.
Diese Nachreinigung kann vorzugsweise in einer Kühlstufe oder vorzugsweise in einer Adsorptions-/Kondensationseinheit erfolgen.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles und weiterer modifizierter Ausführungsbeispiele eingehend beschrieben. Darin zeigen:
Fig. 1 eine Grundversion einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 eine modifizierte Version der Vorrichtung und somit eine gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Verfahrensführung modifizierte Verfahrensführung und
Fig. 3 eine modifizierte Version der Vorrichtung gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Verfahrensführung, und zwar im Hinblick auf die Anordnung der unterschiedlichen Membraneinheiten.
Es wird zunächst Bezug genommen auf die Darstellung der Vorrichtung bzw. der Anordnung 10 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 1. Ein zu trennendes Gas und/oder Gasdampfgemisch, wie es beispielsweise in der Erdöl- und Petrochemie anzutreffen ist, wird mittels hier nicht dargestellter Pumpen bzw. Verdichter auf einen Ausgangsdruck von 8 bis 15 bar druckerhöht und wird als zu trennendes Gas und/oder Gasdampfgemisch bzw. Feed 11 der Vorrichtung 10 zugeführt.
Zunächst wird das Gas und/oder Gasdampfgemisch 11 auf einen Wärmetauscher 20 gegeben und dort auf eine geeignete Temperatur im Bereich von 10-20ºC temperiert. Um partikuläre Verunreinigungen im Gas- und/oder Dampfgemisch bzw. Feed 11 aus dem zu trennenden Gemisch herauszufiltern, kann zwischen dem Wärmetauscher/Kühler 20 und der nachgeschalteten organophilen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten 12 eine Filtereinrichtung 21 vorgesehen sein, vgl. Fig. 2.
Die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten 12 ist bzw. sind mit einer Membran 15 eines ersten Membrantyps bestückt. Diese Membran 15 ist eine elastomere oder gummiartige Membran, die beispielsweise aus Silikongummi hergestellt ist, wobei das Silikongummi POMS oder PDMS sein kann. Diese organophile Membran ist selektiv für höhere Kohlenwasserstoffe im zu trennenden Gas und/oder Gasdampfgemisch 11 (C&sub2; und höhere KW). Das C&sub2; und diese höheren Kohlenwasserstoffe werden in Form des Permeats 14 in der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten 12 getrennt und einer Nachreinigungsstufe 23 zugeführt. Diese werden dann als erstes hochangereichtertes Produkt einer weiteren Verwendung zugeführt.
Das die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten 12 bei in etwa gleichem Druck wie das zugeführte Gas und/oder Gasdampfgemisch 11 verlassende Retentat 13 stellt den an organischen Gasen bzw. Dämpfen angereicherten Gasstrom dar. Der Gasstrom wird zunächst über eine Pumpe 25 geleitet wird und dort druckerhöht, und zwar vorzugsweise im Bereich von 25 bis 40 bar. Das druckerhöhte Retentat 13 der organophilen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten 12 wird über einen Wärmetauscher/- Erhitzer 26 geleitet und dort auf eine Temperatur von 50 - 80ºC gebracht. Dabei ist zu beachten, daß die kondensierbaren Komponenten im Gas und/oder Gasdampfgemisch in der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten 12 derart angereichert sind, daß nach der Druckerhöhung durch die Pumpe 25 in der nachfolgenden glasartigen Membraneinheit bzw. den nachfolgenden glasartigen Membraneinheiten 16, d. h. auf der Verfahrensstrecke durch die glasartige Membraneinheit bzw. glasartigen Membraneinheiten 16 hindurch, trotz möglicher Abkühlung durch den Joule-Thomson-Effekt keine Kondensation auf der eigentlichen glasartigen Membran 19 in der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten 16 stattfindet.
Die glasartige Membran 19 in der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten 16 ist eine sogenannte glasartige Membran, die entweder aus Polyamidimid oder aus aromatischen Polyimiden hergestellt ist. Diese glasartige Membran 19 in der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten 16 ist selektiv für Gase mit kleinen molekularen Durchmessern, beispielsweise für Wasserstoff oder Helium.
In der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten 16 wird das temperierte und druckerhöhte Retentat 13 der organophilen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten 12 in ein Retentat 17 und ein Permeat 18 getrennt. Das Permeat 18 ist stark druckerniedrigt, beispielsweise im Bereich von 1 bis 2 bar, und ist stark angereichert mit den vorgenannten leichten Gasen mit kleinem Moleküldurchmesser. Das Permeat 18 wird durch einen Turboexpander 28 geleitet und liegt danach druckerhöht, beispielsweise im Bereich von 18 bis 20 bar, vor und wird, ggf. unter zuvor erfolgter Leitung über einen Wärmetauscher 29, einer Adsorptionseinrichtung 27 zur Nachreinigung zugeführt. Die Adsorptionseinrichtung 27 arbeitet beispielsweise nach dem Prinzip der Druck- Wechsel-Adsorption (PSA = pressure swing adsorption). Der Betrieb des Turboexpanders 28 wird bewirkt durch die hohe Druckenergie (Druckinventar) des Retentats 17 der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten 16, das in etwa mit Zulaufdruck von 25 bis 40 bar des Retentats 13 der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten 12 am Eingang der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten 16 anliegt.
Das Retentat 17 wird nach der Entspannung durch das Überleiten durch den Turboexpander 28 entweder einer anderweitigen Verwendung zugeführt oder aber erneut in das Verfahren eingekoppelt. Dafür stehen verschiedene Einkoppelungsmöglichkeiten, je nach Grad der Abreicherung, zur Verfügung.
Aus der Adsorptionseinrichtung 27 wird dann in hochreiner Form, beispielsweise in Form 99,9%igen Wasserstoffs oder Heliums, ein zweites Produkt, Gase mit kleinem kinetischen Durchmesser, abgegeben.
Der Desorptions- bzw. Spülgasstrom 31 der Adsorptionseinrichtung 27, vgl. die Ausführungsform der Vorrichtung 10 gemäß Fig. 2, kann zur Erhöhung der Gesamtausbeute des Verfahrens an verschiedenen Stellen der Vorrichtung 10 erneut in das Verfahren eingekoppelt werden. Der Desorptions- oder Spülgasstrom 31 kann nach Druckerhöhung in einem Verdichter 32 dem Retentat 13 der organophilen Membraneinheit 12 erneut zugeführt werden oder über eine Temperierungseinrichtung wie einen Wärmetauscher 33 geleitet werden und von dort erneut auf den Eingang der Vorrichtung 10 geleitet werden, über den das zu trennende Gas- und/oder Dampfgemisch 11 dem Verfahren zugeführt wird. Der Wärmetauscher 33 ist dabei vorzugsweise ein Kühler, um den Desorptions- oder Spülgasstrom 31 an die Temperatur des der Vorrichtung 10 zugeführten Gas und/oder Gasdampfgemisches 11 anzupassen.
Alternativ kann die Temperaturerniedrigung im Wärmetauscher 20 nach der Mischung des Desorptions- oder Spülgasstromes 31 mit dem zu trennenden Gas und/oder Gasdampfgemisch 11 erfolgen (nicht dargestellt), bevor der somit gebildete Mischstrom der organophilen Membraneinheit 12 zugeführt wird.
Das Retentat 17 der glasartigen Membraneinheit 16 wird, wie oben schon angedeutet, einer anderen Nutzung oder der Nachreinigungsstufe 23 zugeführt. Diese Nachreinigungsstufe 23 ist vorzugsweise eine Tieftemperaturdestillations-Einrichtung. Abhängig von der Zusammensetzung des Retentats 14 kann dieses dem Desorptions- oder Spülgasstrom 31 und/oder dem Permeat 35, das die organophile Membraneinheit 30 verläßt, nach Temperaturerniedrigung zugemischt werden (nicht dargestellt), bevor dieses zur Nachreinigung einer Tieftemperaturdestillation 23 zugeführt wird. Eine Nachreinigung in einer Kühleinrichtung oder einer Tieftemperaturdestillation 23 ist sehr von Vorteil, wenn beispielsweise C&sub2; das gewünschte kondensierbare Gas, das gleichzeitig mittels der mehrstufigen Membrantrenneinrichtung gewonnen wird, ist. Sind dagegen höhere Kohlenwasserstoffe, beispielsweise C&sub3; bis C&sub5; Kohlenwasserstoffe, die gewünschten kondensierbaren Gase/Dämpfe, erfolgt die Nachreinigung vorteilhaft in einer als Adsorptions-/Kondensationstufe aufgebauten Nachreinigungsstufe 23.
Ist im zu trennenden Gas und/oder Gasdampfgemisch 11 der Anteil an Gasen mit kleinem Moleküldurchmesser, d. h. beispielsweise Helium, sehr gering, wird bei der organophilen Membraneinheit 12 das Druckverhältnis zwischen Eingang und Permeatseite der organophilen Membraneinheit 12 durch eine Vakuumpumpe 22 eingestellt. Analog zur Verbesserung des Wirkungsgrades kann auch bei der glasartigen Membraneinheit, beispielsweise Einheit 16, vgl. Fig. 2, permeatseitig 18 eine Vakuumpumpe vor gesehen werden (nicht dargestellt). Damit kann ein deutlich besseres Druckverhältnis eingestellt werden.
An dieser Stelle sollte angemerkt werden, daß unter Umständen, daß ein höherer Feeddruck bis zu 100 bar wirtschaftlich auf den Eingang der glasartigen Membraneinheit bzw. der glasartigen Membraneinheiten geführt werden kann, ein höheres Druckverhältnis die Folge sein wird, um die Ausnutzung der Selektivität glasartiger Membranen bei hohen Flüssen zu optimieren. Dieses kann von besonderem Vorteil bei den alternativen Ausführungsformen gemäß Fig. 3 sein.
Jede wirtschaftliche Bewertung eines zu erzeugenden höheren Feeddrucks sollte berücksichtigen, daß eine um so höhere Druckenergie, die in derartigem Retentat bzw. derartigen Retentaten verfügbar ist, dazu führt, daß die glasartige Membraneinheit bzw. die glasartigen Membraneinheiten die Effektivität des Turboexpanders bzw. der Turboexpander verbessern, wobei ein derartiges Retentat durch einen Kompressor an unterschiedlichen Orten des Verfahrenskreislaufes hindurchgeführt werden könnte, und wobei die Druckzunahme der Gasströme/Dampfströme vorteilhaft ist, um das Trennergebnis zu optimieren.
Schließlich kann, abweichend von den Darstellungen gemäß den Fig. 1 und 2, anstelle der Adsorptionseinrichtung 27 vorgesehen werden, daß das Permeat 18 nach der Druckerhöhung im Turboexpander 28 auf eine weitere glasartige Membraneinheit (nicht dargestellt) gegeben wird, die mit einem hinreichenden Druckverhältnis ausgestattet ist, um so ein gewünschtes Gas mit kleinem kinetischen Durchmesser, beispielsweise Wasserstoff, mit einem Reinheitsgrad von 96 bis 99 Mol% zu gewinnen. Das Retentat dieser nicht dargestellten, weiteren glasartigen Membraneinheit kann ebenfalls weiter rezirkuliert werden, d. h. neu in den Verfahrensablauf an ausgewählten Orten (nicht dargestellt) eingekoppelt werden.
Wann immer die im System zur Verfügung stehende Druckenergie nicht ausreichend ist, um dem Erfordernis des Turboexpanders bzw. den Erfordernissen der Turboexpander zu genügen, können derartige Einrichtungen durch Dampfkraft angetrieben werden. Alternativ dazu können elektrisch angetriebene Kompressoren anstelle von Turboexpandern verwendet werden. Dort wo Kompressoren im Verfahrenskreislauf dargestellt bzw. beschrieben sind, können sie durch Turboexpander ersetzt werden, soweit eine ausreichende Druckenergie verfügbar ist.
Fig. 3 stellt eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dar. Ein Gas und/oder ein Gasdampfgemisch, das getrennt werden soll, wird typischerweise in der Petro- und Gasindustrie angetroffen, das bei höherem Druck in natürlichen Gasströmen, wie Helium in geringen Konzentrationen wie 0,5 bis 5 Mol%, beispielsweise in einem Bereich zwischen 30 und 300 bar, verfügbar sein kann, oder, wenn der Druck im Feed 11 erheblich kleiner ist, in seinem Druck; mittels einer Pumpe/Kompressor 25 vorzugsweise bis zu einem Bereich zwischen 30 und 40 bar oder größer erhöht wird. Das unter Druck befindliche Gas und/oder das Gasdampfgemisch wird durch einen Wärmetauscher/Erhitzer 26 geführt, um seine Temperatur bis in einen Bereich zwischen 40 und 120ºC, vorzugsweise zwischen 70 und 80ºC, anzuheben. Bevor das in seinem Druck erhöhte Gasdampfgemisch 11 auf den Eingang der glasartigen Membran bzw. den glasartigen Membranen geleitet wird, wird der Feedstrom durch eine Vorbehandlungseinrichtung/Filtereinrichtung oder Auffangein richtung (Knockout--Einrichtung) 21 geführt, um, wie vorangehend erwähnt, sicherzustellen, daß keine Kondensation in der aktuellen glasartigen Membran 19 in der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten 16 stattfinden. In der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten 16 wird der Feedstrom 11 (dessen Temperatur und dessen Druck erhöht worden ist) in ein Retentat 17, das beispielsweise mit C&sub2;, und höheren Kohlenwasserstoffen angereichert ist, und in ein Permeat getrennt, das mit Gasen mit kleinem kinetischen Durchmesser hoch angereichert ist und dessen Druck stark erniedrigt ist. Wie vorangehend beschrieben, wird das Permeat 18 durch einen Turboexpander 28 hindurch geführt und nachfolgend mit höherem Druck, beispielsweise im Bereich zwischen 18 und 20 bar, auf die Adsorptionseinrichtung 17 geführt, ggf. nachdem es über einen Wärmeaustauscher/Kühler 29 geführt worden ist. Alternative Möglichkeiten der Behandlung des Permeats 18 und/oder des Resorptions- oder Spülgasstromes 31 und/oder des Retentats 17 können, wie vorangehend beschrieben, in Betracht gezogen werden, vgl. Fig. 1 und 2.
10 Anordnung/Vorrichtung
11 Gas- und/oder Dampfgemisch (Feed)
12 erste Membrantrenneinrichtung (b)
13 Retentat (der ersten Membrantrenneinheit)
14 Permeat (der ersten Membrantrenneinheit)
15 erste Membran
16 zweite Membrantrenneinheit (a)
17 Retentat (der zweiten Membrantrenneinheit)
18 Permeat (der zweiten Membrantrenneinheit)
19 zweite Membran
20 Wärmetauscher/Kühler
21 Filtereinrichtung
22 Pumpe/Verdichter
23 Nachreinigungsstufe
24 Wärmetauscher/Kühler
25 Vakuumpumpe
26 Wärmetauscher/Erhitzer
27 Adsorptionseinrichtung
28 Turboexpander
29 Wärmetauscher
30 dritte Membraneinheit
31 Desorption- oder Spülgasstrom
32 Vakuumpumpe/Verdichter
33 Wärmetauscher
34 Wärmetauscher
35 Permeat der organophilen Membraneinheit

Claims

1. Verfahren zur Trennung und/oder Rückgewinnung von Gasen aus Gas und/oder Gasdampfgemischen mittels einer Membrantrenneinrichtung, auf die das Gas und/oder die Gasdampfgemische gegeben werden, gekennzeichnet durch eine mehrstufige, gleichzeitige Trennung derartiger Gase und/oder Gasdampfgemische in der Membrantrenneinrichtung mittels zweier unterschiedlicher Arten von Membranen, von denen eine wenigstens eine organophile Membran ist, wobei wenigstens eine der derartigen Membraneinheiten das Gas und/oder das Gasdampfgemisch in ein druckvermindertes Permeat, das mit dem gewünschten kondensierbaren Gas bzw. den Gasen/Gasdämpfen angereichert ist, und in ein Retentat, das mit dem gewünschten Gas bzw. den Gasen mit kleinem kinetischen Durchmesser bei im wesentlichen demselben Druck am Eingang der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten angereichert ist, trennt, in Kombination mit wenigstens einer glasartigen Membran, wobei wenigstens eine der derartigen glasartigen Membranen das Retentat von der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten in der Membrantrenneinrichtung in ein druckvermindertes Permeat, das mit dem gewünschten Gas bzw. den Gasen mit kleinem kinetischen Durchmesser angereichert ist, und in ein Retentat trennt, das mit derart gewünschtem kondensierbaren Gas/Dampf bzw. gewünschten Gasen/Dämpfen bei im wesentlichen demselben Druck wie am Einlaß der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten angereichert ist.

2. Verfahren zur Trennung und/oder Rückgewinnung von Gasen aus Gas und/oder Gasdampfgemischen mittels einer Membrantrenneinrichtung, auf die das Gas und/oder die Gasdampfgemische gegeben werden, gekennzeichnet durch eine mehrstufige, gleichzeitige Trennung derartiger Gase und/oder Gasdampfgemische in der Membrantrenneinrichtung mittels zweier unterschiedlicher Arten von Membranen, von denen wenigstens eine eine glasartige Membran ist, wobei wenigstens eine der derartigen Membraneinheiten das Gas und/oder das Gasdampfgemisch in ein druckvermindertes Permeat, das mit dem gewünschten Gas bzw. den Gasen mit kleinem kinetischen Durchmesser angereichert ist, und in ein Retentat, das mit dem gewünschten kondensierbaren Gas bzw. den Gasen/Dämpfen bei im wesentlichen demselben Druck wie am Einlaß der Membraneinheit angereichert ist, trennt, in Kombination mit wenigstens einer organophilen Membran, wobei wenigstens eine derartige organophile Membraneinheit das von der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten kommende Retentat in der Membrantrenneinrichtung in ein druckvermindertes Permeat, das mit dem gewünschten kondensierbaren Gas/ Dampf bzw. den Gasen/Dämpfen angereichert ist, und in ein Retentat, das mit solchem gewünschten Gas bzw. solchen Gasen mit kleinem kinetischen Durchmesser bei im wesentlichen demselben Druck wie am Einlaß der organophilen Membraneinheit bzw. den organophilen Membraneinheiten angereichert ist, trennt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die organophile Membran bzw. die organophilen Membranen der Membrantrenneinrichtung eine elastomere oder gummiartige Membran ist bzw. elastomere oder gummiartige Membranen sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die organophile Membran bzw. organophilen Membranen aus Silikongummi hergestellt ist bzw. sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Silikongummi aus POMS oder PDMS besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die glasartige Membran bzw. glasartigen Membranen aus Polyamidimid bzw. Polyamiden hergestellt oder aus aromatischen Polyimiden hergestellt ist bzw. sind.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch auf die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten bei einem Druck zwischen 1 und 30 bar, vorzugsweise zwischen 2 bis 15 bar, gegeben wird.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch vor Eintritt in die organophile Membraneinheit bzw. die organophilen Membraneinheiten temperiert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Bereich von 0 bis 25ºC liegt.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der permeatseitige Druck der organophilen und glasartigen Membraneinheiten im Bereich von 1 bis 2 bar gehalten wird.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten verlassende Permeat mittels einer Vakuumpumpe druckerniedrigt wird, um ein verbessertes Druckverhältnis zu erzeugen, das lediglich anwendbar ist, wenn H&sub2;-freies Permeat vorausgesetzt werden kann.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch vor Eintritt in die glasartige Membraneinheit bzw. glasartigen Membraneinheiten druckerhöht wird.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende, der glasartigen Membraneinheit bzw. den glasartigen Membraneinheiten zugeführte Gas und/oder Gasdampfgemisch auf einen Druck im Bereich von 20 bis 100 bar, vorzugsweise zwischen 30 bis 40 bar, erhöht wird.

14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das bzw. die zu der glasartigen Membraneinheit bzw. zu den glasartigen Membraneinheiten zugeführten Gase bzw. Gas/Gasdampfgemische vor Eintritt in die glasartige Membraneinheit bzw. glasartigen Membraneinheiten temperiert wird bzw. werden.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Bereich von 40 bis 120ºC, vorzugsweise zwischen 50 bis 80ºC, liegt.

16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten über eine Adsorptionseinheit geleitet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat der glasartigen Membraneinheit bzw. Membraneinheiten vor Eintritt in die Adsorptionseinrichtung druckerhöht und temperaturerniedrigt wird, welche nach dem Prinzip der Druck-Wechsel-Adsorption arbeitet.

18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Permeat jeder Membraneinheit bzw. aller Membraneinheiten druckerhöht und temperiert wird, bevor es auf den Einlaß einer anderen Membraneinheit geführt wird.

19. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß ein Desorptions- oder ein Spülgasstrom, der die Adsorptionseinrichtung verläßt, in seinem Druck erhöht und temperiert wird, um an jeden Ort des Verfahrenskreislaufes zurückgeführt zu werden.

20. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das die glasartige Membraneinheit bzw. die glasartigen Membraneinheiten verlassende Retentat und das die organophile Membraneinheit bzw. organophilen Membraneinheiten verlassende Permeat mechanisch gemischt werden und einer weiteren Reinigung unter Ausnutzung der Druckenergie beider Ströme unterworfen werden.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Reinigung in einer Kühlstufe statt findet, beispielsweise in einer Tieftemperaturdestillationseinheit.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Reinigung in einer Adsorptions-/Absorptions-/Kondensationseinheit stattfindet.

23. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß das zu trennende Gas und/oder Gasdampfgemisch vor der Zufuhr zu jeder Membrantrenneinheit vorbehandelt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckerhöhung, die für jede der Trenn- und/oder Reinigungseinrichtung bzw. Reinigungseinrichtungen erforderlich ist, mittels eines Turboexpanders bewirkt wird, der mittels der Druckenergie angetrieben wird, die in Gasströmen enthalten ist, die im Verfahren an jedem Ort der Trenneinrichtung zur Verfügung stehen.