DE729475C - Process for gas separation using an auxiliary material cycle - Google Patents
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Description
Verfahren zur Gaszerlegung unter Anwendung eines Hilfsstoffkreislaufes Bei der Zerlegung von Gasgemischen, z. B. solchen mit hohem Gehalt an Wasserstoff in der Größenordnung von. z. B. 50°(0, welcher in großer Reinheit gewonnen werden soll, ist es bekannt, mit Hilfe eines Stoffes, welcher an der Gaszerlegung selbst nicht beteiligt ist, die für die Gaszerlegung erforderliche Kälte oder wenigstens einen erheblichen Anteil derselben zu decken. Als Hilfsstoff kommt z. B. Stickstoff in Frage. Der Stickstoff wird zu diesem Zweck auf hohen Druck, z. B. -2oo at, komprimiert, in Gegenströmern abgekühlt und in einem Drosselventil entspannt, wobei der Vorgang zweckmäßig so geleitet wird, daß eine Verflüssigung oder wenigstens eine Teilverflüssigung des Stickstoffes eintritt. Der bei der Entspannung anfallende Dampf wird z. B. dem Hochdruckstickstoff entgegengeführt, wobei er seine Kälte an den Hochdruckstickstoff abgibt. Der verflüssigte Anteil wird z. B. in ein Verdampfungsgefäß übergeleitet, wo er unter Atmosphärendruck siedet und die für die Abtrennung der restlichen Beimengungen vom Wasserstoff erforderliche Verflüssigungskälte hergibt. Darüber hinaus ist es bekannt, den größeren Teil des Hochdruckstickstoffes, nachdem er im Gegenströmer auf tiefe Temperatur abgekühlt ist, auf einen Zwischendruck; z. B. 5o at, zu entspannen und die so gewonnene Kälte in demselben Gegenströmer wieder auf den Hochdruckstickstoff zu übertragen. Dieses Verfahren ist deswegen besonders günstig, weil der Energieaufwand für die Kompression des Mitteldruckstickstoffes auf Hochdruck erheblich kleiner ist als für die Kompression von entspanntem Stickstoff auf Hochdruck, die Kälteleistung bei der Entspannung aber nicht in dem gleichen Maße abnimmt, so daß also die je kcal Kälte aufzuwendende Kompressionsarbeit bei der Entspannung von Hoch- auf Mitteldruck wesentlich kleiner ist als bei der Entspannung auf Atmosphärendruck.Process for gas separation using an auxiliary material cycle When breaking down gas mixtures, e.g. B. those with a high content of hydrogen on the order of. z. B. 50 ° (0, which can be obtained in great purity it is known, with the help of a substance, which is involved in the gas decomposition itself is not involved, the refrigeration required for the gas separation, or at least to cover a significant proportion of the same. As an adjuvant z. B. nitrogen in question. For this purpose, the nitrogen is at high pressure, e.g. B. -2oo at, compressed, cooled in countercurrents and relaxed in a throttle valve, the process is expediently conducted so that a liquefaction or at least a partial liquefaction of nitrogen occurs. The resulting in the relaxation steam is z. B. the High pressure nitrogen counteracted, whereby it its cold to the high pressure nitrogen gives away. The liquefied portion is z. B. transferred to an evaporation vessel, where it boils under atmospheric pressure and that for the separation of the remaining impurities provides condensation cooling required by the hydrogen. In addition, it is known the greater part of the high pressure nitrogen after going in countercurrent cooled to low temperature, to an intermediate pressure; z. B. 5o at to relax and the cold thus obtained in the same countercurrent again on the high pressure nitrogen transferred to. This method is particularly favorable because of the energy consumption significantly smaller for the compression of medium pressure nitrogen to high pressure is the refrigeration capacity than for the compression of relaxed nitrogen to high pressure but does not decrease to the same extent during relaxation, so that the ever kcal of cold compression work to be expended when relaxing from high to medium pressure is much smaller than with the relaxation to atmospheric pressure.
Die Erfindung besteht darin, daß nur ein kleiner Teil des Mitteldruckstickstoffes in an sich bekannter Weise zur Kühlung des Hochdruckstlckstoffes dient, während der andere Teil im Wärmeaustausch dem Rohgas entgegengeführt und hierbei seine Kälte zur Kondensation der hochsiedenden Bestandteile des Rohgases verwendet wird, worauf die Verdampfungskälte dieser Bestandteile im Wärmeaustausch auf den eintretenden Hochdruckstickstoff übertragen wird. Wie bei den bekannten Anlagen werden sodann auch hier der Mitteldruckstickstoff und der Niederdruckstickstoff nach Anwärmen wieder den entsprechenden Stufen der Verdichtungsanlage zugeführt und auf Hochdruck verdichtet.The invention consists in that only a small part of the medium pressure nitrogen in a manner known per se for cooling the high-pressure component serves, while the other part is directed towards the raw gas in the heat exchange and here its cold is used to condense the high-boiling components of the raw gas whereupon the evaporation coolness of these components in the heat exchange on the entering high pressure nitrogen is transferred. As with the known systems the medium-pressure nitrogen and the low-pressure nitrogen are then also used here after warming up, fed back to the corresponding stages of the compression system and compressed to high pressure.
Nach dem Stande der Technik (siehe »Zeitschrift für die gesamte Kälteindustrie« 1925, Seite 97) müßte angenommen werden, daß eine Erhöhung der Mitteldruckstickstoffmenge über den durch die Wärmekapazität der Hochdruckmenge bestimmten Wert ohne Kälteverluste nicht möglich ist. Dadurch, daß die durch den zusätzlichen Mitteldruckstickstoff besonders wirtschaftlich dargebotene Kälte zur fraktionierten Kondensation des Rohgases verwendet wird, läßt sich die Mitteldruckstickstoffmenge überraschenderweise doch noch um einen erheblichen Betrag vermehren, für den eine entsprechende Menge Hochdruckstickstoff nicht auf Atmosphärendruck entspannt zu werden braucht. Auf diese Weise wird die Kondensationskälte wesentlich billiger erzeugt als bisher. ° Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung Abb. i erläutert Im Gegenströmer i wird das Rohgas, das unter einem Druck von z. B. 17 at steht, im Wärmeaustausch mit den Zerlegungsprodukten, das sind z. B. Wasserstoff und Restgas, bis zur Verflüssigung der Äthylenfraktion abgekühlt. In dem gleichen Gegenströmer strömt dem Rohgas kalter Stickstoff von So at entgegen, welcher die für die Kondensation der Äthylenfraktion erforderliche Kälte auf das Rohgas überträgt.According to the state of the art (see "Journal for the entire refrigeration industry" 1925, page 97) it would have to be assumed that an increase in the medium-pressure nitrogen quantity beyond the value determined by the heat capacity of the high-pressure quantity is not possible without cold losses. The fact that the particularly economical cold provided by the additional medium pressure nitrogen is used for the fractional condensation of the raw gas, the medium pressure nitrogen can surprisingly be increased by a considerable amount, for which a corresponding amount of high pressure nitrogen does not need to be expanded to atmospheric pressure. In this way, the condensation cooling is generated much cheaper than before. ° The invention is explained below with reference to the schematic drawing Fig. I. B. 17 at is in heat exchange with the decomposition products, which are z. B. hydrogen and residual gas, cooled to liquefaction of the ethylene fraction. In the same countercurrent, cold nitrogen from Soat flows against the raw gas, which transfers the cold required for the condensation of the ethylene fraction to the raw gas.
In dem Abscheider 3 wird das Kondensat vom Gas getrennt. Im Gegenströmer 2 wird Hochdruckstickstoff von Zoo at durch entgegenströmenden Stickstoff von 5o at und durch auf Atmosphärendruck oder Unterdruck entspannten Stickstoff abgekühlt. In diesem Gegenströmer wird außerdem die flüssige Äthylenfraktion aus dem Abscheider 3, welche durch das Ventil .1 abreguliert wird, verdampft und angewärmt, wobei die Äthylenfraktion ihre Kälte ebenfalls auf den eintretenden Hochdruckstickstoff überträgt. Der kalte Hochdruckstickstoff wird nach Verlassen des Gegenströmers 2 im Drosselventil 6 auf 5o at entspannt. Ein Teil dieses auf Mitteldruck entspannten Stickstoffes wird, wie bereits gesagt, im Gegenströmer #', dem Hochdruckstickstoff entgegengeschickt, ein weiterer Teil des auf Mitteldruck entspannten Stickstoffes wird in an sich bekannter Weise über den Gegenströmer g und nach Entspannung auf Atmosphärendruck im Venti17 dem Trenn er io zugeführt, indem ein Teil des entspannten Stickstoffes in der Spirale ii in Wärmeaustausch mit dem Rohgas tritt. Ein verflüssigter Anteil des entspannten Stickstoffes wird über das Regulierventil 8 in den Verdampfer 12 geleitet, «-o er unter vermindertem Druck von z. B. o,1 ata siedet und seine Kälte für die weitere Abtrennung der Restgase von dem Wasserstoff abgibt. Der entspannte Stickstoff verläßt den Trenner io durch die Leitungen 13 und 1.1 über die Gegenströmer g und 2. Der restliche llitteldruckstickstoff wird durch Leitung 15 dem Gegenströmer i zugeführt, wo er also erfindungsgemäß die Kondensation der Äthvlenfraktion herbeiführt. Der dampfförmiger Teil des Rohgases tritt aus dem Abscheider 3 über den Gegenströmer 5 durch Leitung 16 in den Trenner io ein, aus welchem der gewonnene Wasserstoff durch Leitung 17 und das Restgas durch Leitung 18 über die Gegenströmer 5 und i austreten, um sodann den weiteren Verwendungszwecken zugeführt zu werden.In the separator 3, the condensate is separated from the gas. In countercurrent 2 becomes high pressure nitrogen from Zoo at by counterflowing nitrogen from 5o at and cooled by nitrogen expanded to atmospheric pressure or negative pressure. In this countercurrent flow, the liquid ethylene fraction from the separator is also removed 3, which is downregulated by valve .1, evaporates and warms up, whereby the The ethylene fraction also transfers its cold to the high pressure nitrogen entering. The cold high-pressure nitrogen is in the throttle valve after leaving the counterflow 2 6 to 5o at relaxed. Part of this nitrogen, which is relaxed to medium pressure is, as already said, in the countercurrent # ', sent towards the high pressure nitrogen, a further part of the nitrogen expanded to medium pressure is known per se Way via the countercurrent g and after expansion to atmospheric pressure in the Venti17 the separator is supplied by a portion of the relaxed nitrogen in the spiral ii enters into heat exchange with the raw gas. A liquefied portion of the relaxed Nitrogen is fed into the evaporator 12 via the regulating valve 8, «-o er under reduced pressure of e.g. B. o, 1 ata boils and its coldness for the rest Separation of the residual gases from the hydrogen emitted. The relaxed nitrogen leaves the separator io through the lines 13 and 1.1 via the countercurrents g and 2. The the remaining medium-pressure nitrogen is fed through line 15 to the countercurrent flow device i, so where he brings about the condensation of the Äthvlenfraktion according to the invention. Of the The vaporous part of the raw gas emerges from the separator 3 via the countercurrent 5 through line 16 into the separator io, from which the hydrogen obtained through line 17 and the residual gas through line 18 via the countercurrents 5 and i exit in order to then be used for further purposes.
Der aus dem Gegenströmer ? austretende Stickstoff von o,i ata wird durch eine nicht gezeichnete Vakuumpumpe auf Atmosphärendruck verdichtet und vereinigt sich mit dem ebenfalls aus Gegenströmer -a austretenden Stickstoff von i ata und wird sodann einem Kompressor zugeführt, um von neuem auf Zoo at verdichtet zu werden. Der aus den Gegenströmern i und 2 austretende Stickstoff von 5o at wird einer Mitteldruckstufe des gleichen Kompressors zugeführt und ebenfalls auf Zoo at verdichtet. Der Stickstoffkreislauf wird auf diese Weise geschlossen. Die den Gegenströmer 2 verlassende Äthylenfraktion steht unter einem Druck von z. B. i,o bis 1,5 ata, unter dem sie einem weiteren Zerlegungsprozeß zugeführt «-erden kann.The one from the countercurrent? exiting nitrogen from o, i ata becomes compressed by a vacuum pump, not shown, to atmospheric pressure and combined with the nitrogen from i ata and also exiting from countercurrent -a is then fed to a compressor to be compressed again on Zoo at. The nitrogen of 50 atm exiting from the countercurrents i and 2 becomes a medium-pressure stage of the same compressor and also compressed at Zoo at. The nitrogen cycle is closed this way. The ethylene fraction leaving the countercurrent 2 is under a pressure of z. B. i, o to 1.5 ata, under which they another Can be fed to the decomposition process.
Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird also die Äthylenfraktion unter besonders geringem Energieaufwand im Gegenströmer i verflüssigt, weil hierfür nur die Kompression des Hilfsstoffes von Mitteldruck auf Hochdruck erforderlich ist. Ferner wird die bei der Wiederverdampfung der verflüssigten Fraktion im Gegenströmer 2 frei werdende Kälte praktisch restlos wiedergewonnen, was bei. den früheren Verfahren auf erhebliche Schwierigkeiten stieß, und zwar wird dies erreicht durch die Vergrößerung der Menge des besonders günstigen Mitteldruckstickstoffkreislaufes (mit den beiden Ästen, die auf Gegenströmer i und 2 verteilt sind) bei gleichzeitiger Verringerung der auf Atmosphärendruck zu entspannenden Stickstoffmenge, deren Wiederverdichtung auf Hochdruck einen größeren Energieaufwand bei gleicher Kälteleistung erfordert. Die erfindungsgemäße Wirkung beruht darauf, daß der zu erwärmende Mitteldruckstickstoff seine Kälte teils auf das Rohgas zur Verflüssigung der Äthylenfraktion und nur zu einem kleinen Teil auf den Hochdruckstickstoff überträgt. Auf diese Weise. wird die Verflüssigungskälte, für die Äthylenfraktion auf das Rohgas nicht durch entspannten Stickstoff mit geringer spezifischer Wärme übertragen, sondern durch den Hochdruckstickstoff hoher spezifischer Wärme bei der Verdampfung derÄthylenfraktion zunächst aufgenommen und sodann nach der Entspannung auf Mitteldruck auf das Rohgas übertragen. Dies hat tatsächlich zur Wirkung, daß die Menge des Stickstoffes, der aus dem entspannten Zustand auf Hochdruck verdichtet werden muß, erheblich kleiner wird. Zwar wird die Stickstoffmenge, die vom Mitteldruck auf Hochdruck zu verdichten ist, etwas größer, jedoch ergibt sich insgesamt eine Energieersparnis in der Größenordnung von io% des gesamten für die Wasserstofferzeugung erforderlichen Energiebedarfes.In the process according to the invention, the ethylene fraction is liquefied with particularly little energy in the countercurrent i, because this only the compression of the auxiliary material from medium pressure to high pressure is required is. Furthermore, when re-evaporation of the liquefied fraction is in countercurrent 2 released cold practically completely recovered, which is at. the earlier procedures encountered considerable difficulties, and that is achieved by the enlargement the amount of the particularly favorable medium-pressure nitrogen circuit (with the two Branches that are distributed on countercurrents i and 2) with simultaneous reduction the amount of nitrogen to be released to atmospheric pressure, its recompression at high pressure requires a greater expenditure of energy with the same cooling capacity. The inventive effect is based on the fact that the medium-pressure nitrogen to be heated its cold partly on that Raw gas to liquefy the ethylene fraction and only a small part of it transfers to the high pressure nitrogen. In this way. the condensation cooling, for the ethylene fraction on the raw gas, is not carried out relaxed nitrogen with low specific heat transferred, but through the high-pressure nitrogen with a high specific heat during the evaporation of the ethylene fraction initially recorded and then after the expansion to medium pressure on the raw gas transfer. This actually has the effect of reducing the amount of nitrogen that must be compressed from the relaxed state to high pressure, considerably smaller will. It is true that the amount of nitrogen that compresses from medium pressure to high pressure is, somewhat larger, but overall there is an energy saving of the order of magnitude of 10% of the total energy required for hydrogen production.
Die Erfindung kann in ähnlicher Weise auch beider ZerlegungvonSynthesegasen oder anderen Gasgemischen angewendet werden, bei denen in größerer Menge anfallende höher siedende Fraktionen vor der endgültigen Gaszerlegung ausgeschieden werden sollen.The invention can similarly be used in the decomposition of synthesis gases or other gas mixtures are used in which larger quantities are produced higher-boiling fractions are eliminated before the final gas separation should.
Es ist nach dem gleichen Verfahren auch möglich, mehrere Fraktionen getrennt auszuscheiden, z. B. durch entsprechende Unterteilung des Gegenstromers i und Einschaltung weiterer Abscheider. .It is also possible to use the same procedure for multiple fractions to be separated out separately, e.g. B. by appropriate subdivision of the countercurrent i and activation of further separators. .
Ein weiteres Beispiel eines Anwendungsfalles der Erfindung zeigt Abb. 2. Aus dem Rohgas soll unter Anwendung eines Stickstoffkreislaufes ein kohlenoxydfreies Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch gewonnen werden. Der Wärmeaustausch erfolgt wiederum in den Gegenstromern 1, 2, 5 und g. Die Äthylenfraktion wird ebenfalls in dem Abscheider 3 gewonnen und durch Ventil q. abreguliert, um ihre Kälte darauf im Gegenstromer 2 auf den eintretenden Hochdruckstickstoff zu übertragen. Das restliche Rohgas tritt durch Leitung 16 über den Gegenstromer 5 in die Säule ig, in der ein CH4 haltiges Restgas ausgeschieden wird, welches durch Leitung 18 über die Gegenstromer 5 und i geführt wird. Die weitere Zerlegung des am oberen Ende der Säule ig abziehenden Gasgemisches erfolgt in der Säule 2o, welcher am oberen Ende das kohlenoxydfreie Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch entnommen wird, während am unteren Ende ein kohlenoxydhaltiges Stickstoff-Restgas-Gemisch abzieht, das über die Gegenstromer g und 2 geleitet wird.Another example of an application of the invention is shown in Fig. 2. Using a nitrogen cycle, the raw gas should be converted into a carbon-oxide-free gas Hydrogen-nitrogen mixture can be obtained. The heat exchange takes place again in countercurrents 1, 2, 5 and g. The ethylene fraction is also in the separator 3 obtained and through valve q. downregulated in order to keep their cold on it in countercurrent 2 to be transferred to the entering high pressure nitrogen. The remaining raw gas occurs through line 16 via the countercurrent 5 into the column ig, in which a CH4-containing Residual gas is excreted, which through line 18 via the countercurrent 5 and i is led. The further dismantling of the ig at the upper end of the column Gas mixture takes place in the column 2o, which is the carbon oxide-free at the upper end Hydrogen-nitrogen mixture is taken, while at the lower end a carbon dioxide-containing Nitrogen-residual gas mixture is withdrawn, which is passed over the countercurrent g and 2.
Der eintretende Hochdruckstickstoff wird im Ventil 6 auf Mitteldruck entspannt. Ein Teil des Mitteldruckstickstoffes wird dem Hochdruckstickstoff im Gegenstromer 2 entgegengeführt, ein weiterer Teil des Mitteldruckstickstoffes wird über Leitung 15 zum Gegenstromer i geführt, wo er zur Verflüssigung der Äthylenfraktion dient. Der restliche Teil des Mitteldruckstickstoffes wird nach Durchströmen des Gegenstromers g abermals in die Äste 22 und 23 aufgeteilt. Im Ast 22 wird im Ventil 24 Mitteldruckstickstoff auf Atmosphärendruckentspannt und dient zur Kühlung der Säule ig durch den Kondensator 21. Der weiterhin noch verbleibende Mitteldruckstickstoff des Astes 23, der im Gegenstromer g verflüssigt würde, wird im Ventil 25 auf den Zerlegungsdruck der Säule 2o, z. B. x2 atü, entspannt, um Kohlenoxyd und andere Restgase im Gegenstrom aus dem Wasserstoff auszuwaschen, wobei ein Teil des Stickstoffes im Wasserstoff, der Rest in dem CO-haltigen Restgas verbleibt.The high pressure nitrogen entering is in valve 6 to medium pressure relaxed. A part of the medium pressure nitrogen is the high pressure nitrogen in the Countercurrent flow 2 countered, another part of the medium pressure nitrogen is passed via line 15 to countercurrent i, where it is used to liquefy the ethylene fraction serves. The remaining part of the medium pressure nitrogen is after flowing through the Countercurrent g is again divided into branches 22 and 23. In branch 22 is in the valve 24 medium pressure nitrogen is expanded to atmospheric pressure and is used to cool the Column ig through the condenser 21. The still remaining medium pressure nitrogen of the branch 23, which would be liquefied in the countercurrent g, is in the valve 25 to the Decomposition pressure of column 2o, e.g. B. x2 atü, relaxed to carbon dioxide and others Wash residual gases in countercurrent from the hydrogen, with some of the nitrogen in the hydrogen, the remainder remains in the CO-containing residual gas.
Bei diesem Verfahren wird also ständig ein Teil des Stickstoffkreislaufes in der Säule "2o verbraucht. Eine gleiche Menge muß dem Kreislauf ständig vor dem nicht gezeichneten Kompressor wieder ersetzt werden. Die Vorteile des Mitteldruckstickstoffkreislaufes werden dadurch nicht beeinträchtigt.In this process, part of the nitrogen cycle is constantly being used in the column "2o consumed. An equal amount must be constantly before the circuit The compressor that is not shown can be replaced again. The advantages of the medium pressure nitrogen cycle are not affected.
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DE (1) | DE729475C (en) |
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1940
- 1940-10-08 DE DEG102357D patent/DE729475C/en not_active Expired
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