EP4176218A1 - Gasgemisch-zerlegungsanlage sowie verfahren zum abtrennen von wenigstens einem hauptfluid aus einem gasgemisch - Google Patents

Gasgemisch-zerlegungsanlage sowie verfahren zum abtrennen von wenigstens einem hauptfluid aus einem gasgemisch

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EP4176218A1
EP4176218A1 EP21740001.9A EP21740001A EP4176218A1 EP 4176218 A1 EP4176218 A1 EP 4176218A1 EP 21740001 A EP21740001 A EP 21740001A EP 4176218 A1 EP4176218 A1 EP 4176218A1
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EP
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heat exchanger
block
fluid
process fluid
gas mixture
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EP21740001.9A
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    • Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

Definitions

  • the invention relates to a gas mixture separation system for separating at least one main fluid from a gas mixture.
  • the invention also relates to a method for separating at least one main fluid from a gas mixture.
  • pure hydrogen is mainly produced by steam reforming natural gas, with the harmful gases still remaining in the product gas for a fuel cell, for example carbon monoxide, carbon dioxide and residues of methane, having to be laboriously separated out.
  • the object of the invention is to provide a gas mixture separation plant and a corresponding method with which it is possible to separate a desired fluid from a gas mixture in an energy-efficient manner.
  • the object is achieved according to the invention by a gas mixture separation system for separating at least one main fluid from a gas mixture, the gas mixture separation system comprising an initial block and an end block, which is connected downstream of the initial block.
  • the initial block comprises an inlet for the gas mixture, a compressor connected downstream of the inlet for compressing the gas mixture, a first heat exchanger, a second heat exchanger and an outlet.
  • the end block includes an inlet, a first heat exchanger and an outlet. The inlet of the end block is fluidly connected to the outlet of the header.
  • the gas mixture separation plant has a return line for a main fluid separated in the end block, which is flow-connected to the outlet of the end block.
  • the return line is functionally coupled both to the first heat exchanger of the end block and to the first heat exchanger of the initial block, so that the main fluid present in the return line withdraws heat from a process fluid present in the respective first heat exchanger in order to cool the corresponding process fluid.
  • the second heat exchanger of the header is connected downstream of the first heat exchanger of the header. The second heat exchanger of the initial block liquefies and separates a separation fluid from a process fluid which has been received from the associated first heat exchanger.
  • the second heat exchanger of the header is coupled to a line via which the second heat exchanger of the header receives a cooling fluid that extracts heat from the process fluid present in the second heat exchanger of the header in order to cool the corresponding process fluid.
  • the header has a third heat exchanger that ensures a heat exchange between the respective process fluid that is supplied to the first heat exchanger of the header and the separation fluid that has been separated from the process fluid by means of the second heat exchanger of the header, so that the separation fluid removes heat from the process fluid and evaporates.
  • the third heat exchanger of the initial block is separated from the return line.
  • the object is achieved according to the invention by a method for separating at least one main fluid from a gas mixture, with the following steps:
  • the main fluid can in principle be hydrogen, which is present in as pure as possible is present, since hydrogen as the main gas for a hydrogen economy is to be split off from the gas mixture in as pure a form as possible.
  • a separation fluid has been separated from the gas mixture in the second heat exchanger of the initial block, this being liquefied beforehand.
  • the separation fluid can be a further component of the gas mixture that is to be separated from the gas mixture in order to be able to provide the pure hydrogen.
  • the separation fluid can be carbon monoxide, carbon dioxide or methane.
  • the process fluid in the second heat exchanger of the initial block can be cooled in order to liquefy the separation fluid and thus to separate it in a simple manner from the process fluid present in the second heat exchanger.
  • the cooling fluid is fed to the second heat exchanger, which interacts accordingly with the process gas in the second heat exchanger, whereby the separation fluid can be liquefied in order to be able to separate it accordingly.
  • the cooling fluid can be cooled nitrogen and / or cooled oxygen, the cooling fluid being, for example, at a temperature between 70 and 110 Kelvin, in particular at 95 Kelvin or lower.
  • the gas mixture separation system can comprise at least one cooling fluid line or a line through which the cooling fluid flows.
  • the cooling fluid can have a correspondingly low temperature, for example a temperature between 70 and 110 Kelvin, in particular a temperature of 95 Kelvin or lower, preferably 92 Kelvin or lower.
  • the cooling fluid thermally couples with the respective process fluid in the at least one second heat exchanger, in particular in all existing second heat exchangers, whereby the corresponding separation fluid liquefies and can thus be separated from the respective process fluid.
  • the gas mixture separation system can comprise two cooling fluid lines or two lines through which two different cooling fluids flow separately from one another. In this way, thermal coupling with the two different cooling fluids can take place in the respective second heat exchanger.
  • the at least one cooling fluid can be nitrogen and / or oxygen.
  • the at least one cooling fluid line or the line through which the cooling fluid flows can be part of a further separation system, for example an air separation system, which is thus thermally coupled to the gas mixture separation system.
  • a system can be provided that includes the gas mixture separation system and the further separation system, the gas mixture separation system and the separation system being thermally coupled via the at least one cooling fluid line or the line through which the cooling fluid flows.
  • the further decomposition plant can be part of a system for storing hydrogen obtained from coal.
  • the cooling fluid interacts with the process fluid in the second heat exchanger that has been fed to the second heat exchanger.
  • energy or heat is withdrawn from this process fluid, so that the separation fluid can be liquefied and separated from the process fluid that has been fed to the second heat exchanger.
  • the process fluid fed to the second heat exchanger corresponds to the separation fluid and the process fluid that leaves the second heat exchanger.
  • the cooling fluid removes energy or heat from the separation fluid and the process fluid, which leaves the second heat exchanger.
  • the separation fluid previously liquefied by means of the second heat exchanger of the initial block can be evaporated again, as a result of which it withdraws heat from the process fluid present in the third heat exchanger of the initial block.
  • the energy efficiency of the gas mixture separation system can thus be further improved.
  • the corresponding separation fluid is then in the form of a gas.
  • the third heat exchanger of the initial block is separated from the return line so that the main fluid which flows through the return line does not interact with another fluid in the third heat exchanger. Rather, in the third heat exchanger there is only an exchange of heat between the process fluid that is fed to the first heat exchanger of the initial block and the separation fluid that has been separated from the process fluid that was fed to the second heat exchanger by means of the second heat exchanger of the initial block.
  • the gas mixture which is compressed or compressed in the compressor of the initial block, can be compressed to a pressure ⁇ 5 bar, whereby the boiling point of the individual gases of the gas mixture is increased accordingly.
  • thermal energy is withdrawn from the corresponding process fluid in the respective heat exchangers, as a result of which the process fluid is cooled.
  • the main fluid that is cooled to the maximum is used in particular, which has been split off in the end block in order to cool the process fluid present in the first heat exchanger of the initial block.
  • the energy efficiency of the entire gas mixture separation system can be increased accordingly.
  • the gas mixture separation plant can be used in a system for storing hydrogen obtained from coal, which system has a coal gasification reactor for gasifying coal.
  • the coal gasification reactor requires pure oxygen for the gasification process, which can be provided as the main fluid of the gas mixture separation plant or as a separation fluid for the gas mixture separation plant.
  • the gas mixture separation plant can therefore be integrated in a system for storing hydrogen obtained from coal, which has a coal gasification reactor for gasifying the coal and a steam power plant for producing electricity, which is thermally coupled to the coal gasification reactor.
  • the system can also have a water-gas shift reaction plant which is connected to the coal gasification reactor in order to receive the reaction gases from the coal gasification reactor, a discharge line coupled to an output of the water gas shift reaction system, which is thermally coupled to a feed water line of the steam power plant and a Include gas storage.
  • the gas store can be connected to the water-gas shift reaction system in order to store at least one of the product gases of the water-gas shift reaction system, the steam power plant for Electricity production is thermally coupled with the coal gasification reactor in such a way that the reaction gases of the coal gasification reactor are sufficiently cooled due to the heat dissipated to the feed water of a feed water line of the steam power plant, so that the reaction gases can be processed directly in the water gas shift reaction system without active cooling in between.
  • the gas mixture separation plant can itself provide pure hydrogen, for example as the main fluid, wherein the pure hydrogen can be (temporarily) stored together with the hydrogen obtained from the water-gas shift reaction plant.
  • the gas mixture separation plant can provide pure oxygen, for example as a separation fluid, which is fed to the coal gasification reactor for the gasification process.
  • the gas mixture separation system according to the invention can decompose a gas mixture with a significantly reduced energy requirement compared to the conventional methods, in particular a hydrogen-rich gas mixture. This is because the cooled individual gases that are already present are used exclusively by means of thermal coupling in order to liquefy a separation fluid from the process fluid or process gas, which lowers the temperature of the process fluid.
  • the end block has a second heat exchanger, wherein the second heat exchanger of the end block is connected downstream of the first heat exchanger of the end block, and wherein the second heat exchanger of the end block liquefies a separation fluid of a process fluid obtained from the associated first heat exchanger and separates it from the process fluid.
  • the second heat exchanger of the end block is coupled to the line via which the second heat exchanger of the end block receives the cooling fluid that extracts heat from the process fluid present in the second heat exchanger of the end block in order to cool the corresponding process fluid.
  • the energy efficiency of the gas mixture separation system and of the method can be increased accordingly, since the process fluid is also processed in two different heat exchangers in the end block in order to reduce the temperature of the process fluid accordingly.
  • the process fluid upstream of the second heat exchanger of the initial block also comprises at least one further gas or a further component of the gas mixture than the process fluid that is fed to the second heat exchanger of the end block.
  • the end block has a third heat exchanger which ensures a heat exchange between the respective process fluid that is supplied to the first heat exchanger of the end block and the separation fluid that has been separated from the process fluid by means of the second heat exchanger of the end block, so that the separation fluid removes heat from the process fluid and vaporizes it.
  • the third heat exchanger of the end block is also separated from the return line.
  • the separation fluid previously liquefied by means of the second heat exchanger of the end block can thus be evaporated again, as a result of which it withdraws heat from the process fluid present in the third heat exchanger of the end block.
  • the energy efficiency of the gas mixture separation system can thus be further improved.
  • the corresponding separation fluid is thus in the form of a gas.
  • At least one middle block is provided between the header and the end block, the middle block comprising an inlet, a first heat exchanger and an outlet, the inlet of the middle block with the outlet of the header and the outlet of the middle block with the inlet of the end block are connected, and wherein the return line is also functionally coupled to the first heat exchanger of the central block, so that the main fluid present in the return line withdraws heat from a process fluid present in the first heat exchanger of the central block in order to cool the corresponding process fluid.
  • the Central block comprises a further first heat exchanger which ensures a heat exchange between the main fluid separated in the end block, which is returned via the return line, and the process fluid present in the first heat exchanger of the central block. In this respect, there is a further thermal coupling.
  • every heat exchanger in the entire gas mixture separation system ensures a thermal coupling, via which heat is extracted from the process fluid in order to cool it further.
  • the corresponding heat extraction can take place in the case of the respective second heat exchanger by means of the cooling fluid, in the case of the respective first heat exchanger by means of the main fluid or in the case of the respective third heat exchanger by means of the respective separation fluid.
  • the central block has a second heat exchanger, the second heat exchanger of the central block being connected downstream of the first heat exchanger of the central block, and the second heat exchanger of the central block liquefying a separation fluid of a process fluid obtained from the first heat exchanger of the central block and separating it from the process fluid.
  • the second heat exchanger of the central block is coupled to the line via which the second heat exchanger of the central block receives the cooling fluid that extracts heat from the process fluid present in the second heat exchanger of the central block in order to cool the corresponding process fluid.
  • the process fluid can thus also be cooled several times in the central block by the central block having at least a second heat exchanger which ensures heat exchange between the process fluid and the cooling fluid, via which the corresponding separation fluid can be liquefied and separated.
  • heat can be extracted from the process fluid by the cooling fluid.
  • this ensures that the main fluid obtained from the gas mixture is present in as pure a form as possible, since several separation fluids have been split off from the gas mixture, in particular before they were liquefied.
  • the separation fluid to be separated is basically liquefied in that there is a thermal coupling in the corresponding second heat exchanger of the blocks of the gas mixture separation plant between the process fluid and the cooling fluid.
  • the gas mixture separation plant can comprise a plurality of middle blocks, which are each arranged one after the other between the start block and the end block, the respective middle blocks being coupled to one another. In this way, the purity of the main fluid can be ensured, since several separation fluids have been separated from the gas mixture, in particular one separation fluid per additional central block. In this respect, the number of central blocks determines how many different separation fluids are separated from the gas mixture.
  • the number of middle blocks also ensures how often the process fluid is cooled or how often the main fluid separated in the end block carries out a heat exchange with the process fluid in the corresponding blocks, i.e. the start block, the several middle blocks and the end block.
  • the gas mixture separation system can have a modular structure so that the number of central blocks can be selected to be variable, namely between 0 and a desired number. The higher the number of central blocks, the more different parts of the gas mixture can be separated.
  • a first central block and a second central block are provided between the initial block and the end block, the first central block comprising an inlet, a first heat exchanger and an outlet.
  • the second central block comprises an inlet, a first heat exchanger and an outlet.
  • the input of the first middle block is connected to the output of the header, the output of the first middle block is connected to the input of the second middle block, and the output of the second middle block is connected to the input of the end block.
  • the return line is also functionally coupled to the first heat exchanger of the first central block and to the first heat exchanger of the second central block, so that the main fluid present in the return line extracts heat from a process fluid present in the first heat exchanger of the first central block and from a process fluid present in the first heat exchanger of the second central block to cool the corresponding process fluid.
  • the energy efficiency of the gas mixture separation plant is accordingly increased, since the Main fluid is used several times for cooling the process fluid, namely additionally in the two central blocks.
  • the first central block and the second central block each have a second heat exchanger, wherein the second heat exchanger of the first central block is connected downstream of the first heat exchanger of the first central block, and wherein the second heat exchanger of the first central block liquefies a process fluid contained in the first heat exchanger of the first central block and separated from the process fluid, wherein the second heat exchanger of the first central block is coupled to the line via which the second heat exchanger of the first central block receives the cooling fluid that extracts heat from the process fluid present in the second heat exchanger of the first central block in order to cool the corresponding process fluid, and wherein the second heat exchanger of the second central block is connected downstream of the first heat exchanger of the second central block, and wherein the second heat exchanger of the second central block is a separation fluid of one of the first heat exchanger of the second central block ks contained process fluids liquefied and separated from the process fluid, wherein the second heat exchanger of the second central block is coupled to the line via which the second heat exchanger of the
  • the efficiency is further increased, since a separating fluid is liquefied and separated in the respective second heat exchangers of the two central blocks, in that the cooling fluid is supplied to the respective second heat exchanger, whereby heat is extracted from the corresponding process fluid.
  • the purity of the main fluid can be improved accordingly, since more separation fluids are separated from the process fluid.
  • the second heat exchangers of the different blocks can interact with the cooling fluid, whereby the separation fluid to be separated in the second heat exchanger is liquefied so that the separation fluid can be separated from the process fluid present.
  • the respective middle block can have a third heat exchanger which ensures a heat exchange between the respective process fluid that is supplied to the first heat exchanger and the separation fluid that is generated by means of the respective second heat exchanger has been separated from the process fluid, so that the separation fluid removes heat from the process fluid and evaporates.
  • the middle block can also comprise a third heat exchanger which - in a manner analogous to the start block or the end block - ensures a heat exchange between the respective process fluid that is fed to the first heat exchanger of the middle block and the separation fluid.
  • the separation fluid has been separated from the process fluid in the second heat exchanger by means of the respective second heat exchanger after this has previously been liquefied.
  • the separation fluid removes heat or energy from the process fluid, so that the liquid separation fluid evaporates again. In this respect, the energy efficiency of the gas mixture separation system can be increased further.
  • the second heat exchanger is fluidically coupled to the associated heat exchanger in such a way that the respective separation fluid in the first heat exchanger interacts with the corresponding process fluid in order to extract heat from the process fluid.
  • the energy efficiency of the gas mixture separation system can thus be increased further.
  • At least one storage device is provided for storing the main fluid.
  • the hydrogen in particular pure hydrogen, can at least be temporarily stored in the store for further use.
  • a memory for storing the separation fluid can be provided, which has been separated in the respective second heat exchanger in order to store or temporarily store the separation fluid for later use.
  • the gas mixture separation system has thermal insulation which surrounds and insulates the components of the gas mixture separation system.
  • the respective heat exchangers and the return line are surrounded by the thermal insulation in order to thermally insulate them accordingly.
  • the initial block has a fourth heat exchanger, which is connected upstream of the third heat exchanger, wherein the fourth heat exchanger ensures a heat exchange between the respective process fluid that is fed to the third heat exchanger of the initial block and the separation fluid that has been separated from the process fluid by means of the second heat exchanger of a block directly downstream of the initial block.
  • the efficiency of the gas mixture separation system can thus be increased further.
  • the fluid separated in the second heat exchanger is thermally coupled via the fourth heat exchanger to the compressed gas mixture which is fed to the first heat exchanger of the initial block.
  • the block directly downstream can be the end block if no middle block is provided or the (first) middle block if at least one middle block is provided between the start block and the end block.
  • each block that has a directly downstream block can have a corresponding fourth heat exchanger, that is to say all blocks except the end block, which this has no block directly downstream. This can further increase the efficiency of the entire gas mixture separation plant.
  • the respective fourth heat exchanger is also separated from the return line, i.e. the respective fourth heat exchanger does not receive the main fluid that flows through the main line.
  • the respective third heat exchanger of the corresponding block i.e. that of the start block, the middle block or the end block, is separated from the return line so that the main fluid flowing through the return line does not interact with another fluid in the third heat exchanger.
  • the blocks are graded according to the temperature of the separation fluids to be separated and the temperature point at which the Physical state changes to liquid.
  • the separating fluids to be separated off at high temperatures are thus split off earlier, that is closer to the initial block, whereas the separating fluids still to be separated off at lower temperatures are split off later, i.e. closer to the end block.
  • the cooled separation fluids of the gas mixture separation plant are separated from the respective process fluid and thermally coupled with the last gas mixture by means of a heat exchanger and liquefied by cooling with the cooling fluid, e.g. carbon monoxide.
  • the main fluid which can also be referred to as residual gas, for example hydrogen, can thus be passed in gaseous form to the central or initial block with maximum cooling.
  • the corresponding separation fluid for example liquefied carbon monoxide, cools the process fluid in the supply line from the central or initial block by means of evaporation and expansion including heat transfer.
  • the maximally cooled main fluid that is to say the maximally cooled gaseous hydrogen, can be used to cool the supplied process fluid from the central or initial block.
  • the temperature of the corresponding separation fluid and of the process fluid in the central block is somewhat higher, the temperature of the change in the state of aggregation of the separation fluid in the central block is also higher.
  • Each block can comprise several thermal couplings, namely a heat exchanger between the process fluid and the ultimately separated or remaining main fluid (the respective first heat exchanger), a thermal coupling for cooling the process fluid with the already cooled separation fluids (the respective second heat exchanger) and a thermal coupling of the liquid separated in the respective block, which also cools the process fluid by means of evaporation and normal pressure (the respective third heat exchanger).
  • a heat exchanger between the process fluid and the ultimately separated or remaining main fluid the respective first heat exchanger
  • a thermal coupling for cooling the process fluid with the already cooled separation fluids the respective second heat exchanger
  • a thermal coupling of the liquid separated in the respective block which also cools the process fluid by means of evaporation and normal pressure
  • Figure 1 shows a schematic structure of an inventive
  • Figure 2 shows a schematic structure of an inventive
  • Figure 3 shows a schematic structure of an inventive
  • a gas mixture separation plant 10 which comprises an initial block 12, a middle block 14 downstream of the beginning block 12 and an end block 16 downstream of the middle block 14.
  • the middle block 14 is thus arranged between the start block 12 and the end block 16.
  • the starting block 12 has an inlet 18 in the form of a feed line, via which the gas mixture separation system 10 is supplied with a gas mixture which is to be correspondingly broken down in the gas mixture separation system 10.
  • the gas mixture can comprise hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and nitrogen.
  • the header 18 comprises a compressor 20, which compresses the gas mixture received via the inlet 18, as a result of which a process fluid is generated.
  • the process fluid can be brought to a pressure of at least 5.2 bar.
  • the process fluid is transported from the compressor 20 to a first heat exchanger 22 in that the process fluid interacts with a main fluid separated in the gas mixture separation system 10 at the temperature T 2.i, for example hydrogen.
  • the main fluid removes heat from the process fluid of the header 12, as will be explained in detail below.
  • the main fluid is conducted via a return line 24 of the gas mixture separation system 10 from the end block 16 via the middle block 14 and the beginning block 12 to a storage unit 26 in which the pure main fluid is stored.
  • the starting block 12 comprises a second heat exchanger 28, which is connected downstream of the first heat exchanger 22, so that the second heat exchanger 28 receives the process fluid that is correspondingly cooled in the first heat exchanger 22.
  • the second heat exchanger 28, in particular the process fluid processed by the second heat exchanger 28, also interacts at the temperature T 2. o with at least one cooling fluid 30, for example nitrogen and / or oxygen, which flows via a feed line 31 through a line 32 to a discharge line 33 .
  • the line 32 can accordingly also be referred to as a cooling fluid line through which the cooling fluid 30 flows.
  • the gas mixture separation plant 10 can in principle also comprise two or more lines 30 through which two or more different cooling fluids 30 flow separately from one another, for example nitrogen and oxygen.
  • the at least one cooling fluid 30 can be provided by a separate system, this being provided for storage or further use.
  • the at least one line 30 through which the cooling fluid flows is, for example, part of a further separation plant, in particular an air separation plant. This further decomposition plant is thus thermally coupled to the gas mixture decomposition plant 10.
  • the gas mixture decomposition plant 10 and the further decomposition plant together form a system
  • the further decomposition plant can be part of a system for storing hydrogen obtained from coal.
  • the gas mixture separation system 10 can also be part of the system for storing hydrogen obtained from coal.
  • the cooling fluid 30 flowing in the at least one line 32 couples thermally with the respective process fluid in the second heat exchanger 28.
  • the separation fluid 34 for example carbon dioxide, is liquefied at the temperature T2.0 in that the process fluid is thermally coupled to the at least one cooling fluid at the temperature T1.0.
  • the liquefied separation fluid 34 can then be driven further by means of a pump.
  • the process fluid is passed on from the second heat exchanger 28 to the outlet 36 of the initial block 12, which is in flow connection with the inlet 38 of the subsequent central block 14.
  • the separation fluid 34 separated off in the second heat exchanger 28 of the initial block 12 can flow through a third heat exchanger 40, which is shown in dashed lines in FIG.
  • a heat exchange takes place at the temperature T2.2 between the liquefied separation fluid 34, for example carbon dioxide, and the process fluid present before it is fed to the first heat exchanger 22.
  • the liquefied separation fluid 34 for example carbon dioxide
  • heat can already be extracted from the process fluid, as a result of which the previously liquid separation fluid 34 evaporates again.
  • the separation fluid 34 is present as a gas with the temperature T 2.2 .
  • the process fluid which has been supplied via the inlet 38 of the central block 14, is passed in the central block 14 in an analogous manner to the initial block 12 to a first heat exchanger 42 of the central block 14, in which the process fluid is thermally combined with the main fluid at the temperature T 1 .1 interacts, which has been passed through the return line 24.
  • the process fluid is accordingly cooled via the main fluid in the first heat exchanger 42 of the central block 14.
  • the cooled process fluid leaving the first heat exchanger 42 of the central block 14 is sent to a second heat exchanger 44 of the Central block 14 supplied, which also receives the cooling fluid 30 at the temperature Ti .0 , which flows through the cooling line 32.
  • a further separation fluid 46 of the process fluid which is present in the second heat exchanger 44 of the central block 14, so that the further separation fluid 46 can be separated in the second heat exchanger 44 of the central block 14, as shown by the corresponding arrow in FIG.
  • the further separation fluid 46 is, for example, carbon monoxide. Liquefaction of further Abtrennfluids 46 is carried at the temperature Ti. 0th
  • the remaining process fluid is fed to an input 50 of the end block 16 via an output 48 of the central block 14.
  • the third heat exchanger 52 of the central block 14 enables a heat exchange between the liquid separation fluid 46 and the process fluid which is supplied to the first heat exchanger 42 of the central block 14.
  • the liquid separation fluid can extract heat from the process fluid in that the separation fluid 46 is evaporated. This happens at the temperature Ti. 2 .
  • the process fluid fed to the end block 16 is also fed to a first heat exchanger 54 in the end block 16, which enables a heat exchange between the corresponding process fluid and the main fluid at the temperature T 0.i, the main fluid being fed via the return line 24 from the end block 16 to the reservoir 26 will.
  • the corresponding process fluid can be cooled by the main fluid.
  • the process fluid coming from the first heat exchanger 54 of the end block 16 is fed to a second heat exchanger 56 of the end block 16, in which the process fluid is mixed with the cooling fluid 30 at the temperature To . o interacts so that a further separation fluid 58, for example nitrogen, is liquefied from the present process fluid.
  • the further separation fluid 58 can so in second heat exchanger 56 of the end block 16 are separated, as shown by the corresponding arrow in FIG.
  • the separation fluid 58 is fed to an (optional) third heat exchanger 60 of the end block 16, in particular by means of a pump.
  • the third heat exchanger 60 of the end block 16 also receives the process fluid that is to be supplied to the first heat exchanger 54 of the end block 16. This makes it possible for the further separation fluid 58, which has previously been liquefied, to be evaporated again, as a result of which it withdraws heat from the process fluid. This happens at the temperature T 0.2 .
  • the process fluid leaving the second heat exchanger 56 is fed via an outlet 62 of the end block 16 into the return line 24, which interacts with the respective first heat exchangers 22, 42, 54 of the corresponding blocks 12, 14 and 16 in order to cool the process fluid present there.
  • the process fluid leaving the second heat exchanger 56 thus corresponds to the main fluid, which is present in pure form.
  • a further separation fluid 34, 46, 58 is separated in each block 12 to 16, for example carbon dioxide in the initial block 12, carbon monoxide in the middle block 14 and nitrogen in the end block 16.
  • the separation fluids 34, 46, 58, which are present as gases due to the respective third heat exchangers 40, 52, 60 of the blocks 12-16, can each be at least temporarily stored in a separate memory 64 to 68.
  • the corresponding vaporized separation fluids 34, 46, 58 first interact again with the corresponding process fluid in a fourth heat exchanger or the respective first heat exchanger 22, 42, 54 in order to extract further heat from the process fluid before the corresponding separation fluids 34, 46, 58 are stored in the associated memories 64, 66 and 68.
  • fourth heat exchangers is shown by way of example in FIG. 3, to which reference is made below.
  • the gas mixture separation plant 10 can have further middle blocks 14, which are provided in an analogous manner between the start block 12 and the end block 16.
  • the gas mixture is broken down into three components, namely the main fluid and two separation fluids 34, 58, which were separated from the corresponding process fluid in the respective second heat exchangers 28 and 56 of the starting block 12 and the end block 16, respectively.
  • thermal insulation can be provided which surrounds the components of the gas mixture separation system 10 and thus insulates them.
  • FIG. 3 an embodiment of the gas mixture separation plant 10 is shown, which is based on that of FIG.
  • the embodiment shown in FIG. 3 comprises, in addition to the embodiment according to FIG. 1, a fourth heat exchanger 70 within the initial block 12.
  • the fourth heat exchanger 70 is connected upstream of the third heat exchanger 40 of the corresponding block, that is to say of the initial block 12, so that the fourth heat exchanger 70 receives the process fluid supplied to the third heat exchanger 40 and the separation fluid 46, which by means of the second heat exchanger 44 of the corresponding block, ie the initial block 12, the block directly downstream has been separated from the process fluid, so the middle block 14.
  • the fourth heat exchanger 70 thus provides a heat exchange between the respective process fluid, that is, that which is supplied to the third heat exchanger 40, and the separation fluid 46 which has been separated in the second heat exchanger 44 of the central block 14.
  • the central block 14 can also have a fourth heat exchanger, which is not shown here for reasons of simplicity.
  • the fourth heat exchanger of the middle block 14 would accordingly receive the process fluid fed to the third heat exchanger 52 of the middle block 14 and the separation fluid 58 which has been separated in the second heat exchanger 56 of the end block 16.
  • the efficiency of the entire system can be further increased in this way.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gasgemisch-Zerlegungsanlage zum Abtrennen von einem Hauptfluid, mit einem Anfangsblock (12) und einem Endblock (16). Der Anfangsblock (12) hat einen ersten Wärmetauscher (22) und einen zweiten Wärmetauscher (28). Zudem ist eine Rückleitung (24) für das im Endblock (16) abgetrennte Hauptfluid vorgesehen, die mit dem ersten Wärmetauscher (54) des Endblocks (16) und dem ersten Wärmetauscher (22) des Anfangsblocks (12) wirkungstechnisch gekoppelt ist, sodass das Hauptfluid einem im jeweiligen ersten Wärmetauscher (22, 54) vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das Prozessfluid zu kühlen. Der zweite Wärmetauscher (28) ist mit einer Leitung (32) gekoppelt, über die er ein Kühlfluid empfängt. Der zweite Wärmetauscher (28) verflüssigt ein Abtrennfluid eines Prozessfluids und trennt dieses ab. Ein von der Rückleitung separierter, dritter Wärmetauscher (40) stellt einen Wärmeaustausch zwischen dem dem ersten Wärmetauscher (22) des Anfangsblocks (12) zugeführten Prozessfluid und dem Abtrennfluid sicher. Zudem ist ein Verfahren zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch beschrieben.

Description

Gasgemisch-Zerlegungsanlage sowie Verfahren zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch
Die Erfindung betrifft eine Gasgemisch-Zerlegungsanlage zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch.
Im Hinblick auf einen künftigen verstärkten Bedarf an Wasserstoff, insbesondere im Mobilitätsbereich, und dem Ziel einer Energiewende aus regenerativen Ausgangsmaterialien bei gleichzeitigen fortschreitenden Ausbau der regenerativen Stromproduktion stellt die Speicherung von Wasserstoff zur weiteren Verwendung eine große Herausforderung der nächsten Jahre dar. Hierbei liegt das Hauptproblem im Abtrennen des reinen Wasserstoffs, der in einem Gasgemisch enthalten ist.
Zurzeit wird hauptsächlich mittels Dampfreformierung von Erdgas reiner Wasserstoff produziert, wobei die noch verbliebenen schädlichen Gase im Produktgas für eine Brennstoffzelle, beispielsweise Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Reste von Methan, aufwendig herausgetrennt werden müssen.
Aus der DE 102018 103203 A1 ist beispielsweise ein Verfahren zur Zerlegung von Luft mittels Membranen bekannt, was auch als Membranverfahren bezeichnet wird. Dieses Verfahren ist jedoch verhältnismäßig kostspielig.
Zudem ist das sogenannte Linde-Verfahren immer noch gängiges Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen, insbesondere von Luft. Dieses Verfahren ist jedoch relativ energieaufwendig, weswegen die Energieeffizienz des Verfahrens nachteilig ist.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gasgemisch-Zerlegungsanlage sowie ein entsprechendes Verfahren bereitzustellen, mit denen es möglich ist, ein gewünschtes Fluid energieeffizient aus einem Gasgemisch abzutrennen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Gasgemisch- Zerlegungsanlage zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch, wobei die Gasgemisch-Zerlegungsanlage einen Anfangsblock und einen Endblock umfasst, der dem Anfangsblock nachgeschaltet ist. Der Anfangsblock umfasst einen Eingang für das Gasgemisch, einen dem Eingang nachgeschalteten Verdichter zum Komprimieren des Gasgemisches, einen ersten Wärmetauscher, einen zweiten Wärmetauscher sowie einen Ausgang. Der Endblock umfasst einen Eingang, einen ersten Wärmetauscher sowie einen Ausgang. Der Eingang des Endblocks ist mit dem Ausgang des Anfangsblocks strömungsverbunden. Die Gasgemisch-Zerlegungsanlage weist eine Rückleitung für ein im Endblock abgetrenntes Hauptfluid auf, die mit dem Ausgang des Endblocks strömungsverbunden ist. Die Rückleitung ist sowohl mit dem ersten Wärmetauscher des Endblocks als auch mit dem ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks wirkungstechnisch gekoppelt, sodass das in der Rückleitung vorliegende Hauptfluid einem im jeweiligen ersten Wärmetauscher vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen. Der zweite Wärmetauscher des Anfangsblocks ist dem ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks nachgeschaltet. Der zweite Wärmetauscher des Anfangsblocks verflüssigt und trennt ein Abtrennfluid von einem Prozessfluid ab, welches vom zugeordneten ersten Wärmetauscher erhalten worden ist. Der zweite Wärmetauscher des Anfangsblocks ist mit einer Leitung gekoppelt, über die der zweite Wärmetauscher des Anfangsblocks ein Kühlfluid empfängt, das dem im zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen. Der Anfangsblock weist einen dritten Wärmetauscher auf, der einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks zugeführt wird, und dem Abtrennfluid sicherstellt, das mittels des zweiten Wärmetauschers des Anfangsblocks vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, sodass das Abtrennfluid dem Prozessfluid Wärme entzieht und verdampft. Der dritte Wärmetauscher des Anfangsblocks ist von der Rückleitung separiert.
Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch, mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen eines Gasgemisches, Komprimieren des Gasgemisches, um ein Prozessfluid bereitzustellen,
Weiterleiten des Prozessfluids in einen ersten Wärmetauscher eines Anfangsblocks,
Weiterleiten des Prozessfluids in einen zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks, der dem ersten Wärmetauscher nachgeschaltet ist,
Verflüssigen und Abtrennen eines Abtrennfluids im zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks,
Weiterleiten des Prozessfluids vom zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks an einen ersten Wärmetauscher eines Endblocks,
Rückführen eines im Endblock abgetrennten Hauptfluids durch den ersten Wärmetauscher des Endblocks mittels einer Rückleitung, sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem im ersten Wärmetauscher des Endblocks vorliegenden Prozessfluid und dem Hauptfluid stattfindet,
Weiterleiten des im zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks abgetrennten Abtrennfluids an einen dritten Wärmetauscher des Anfangsblocks, der einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks zugeführt wird, und dem Abtrennfluid sicherstellt, das mittels des zweiten Wärmetauschers des Anfangsblocks vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, sodass das Abtrennfluid dem Prozessfluid Wärme entzieht und verdampft, wobei der dritte Wärmetauscher des Anfangsblocks von der Rückleitung separiert ist, und
Rückführen des im Endblock abgetrennten Hauptfluids durch den ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks mittels der Rückleitung, sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem im ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks vorliegenden Prozessfluid und dem Hauptfluid stattfindet.
Mit der Gasgemisch-Zerlegungsanlage, insbesondere den entsprechend angeordneten Wärmetauschern und der Rückleitung des im Endblocks abgetrennten Hauptfluids durch die jeweiligen ersten Wärmetauscher, ist eine energieeffiziente Gewinnung des Hauptfluids aus dem Gasgemisch sichergestellt. Bei dem Hauptfluid kann es sich grundsätzlich um Wasserstoff handeln, das in möglichst reiner Form vorliegt, da Wasserstoff als Hauptgas für eine Wasserstoffwirtschaft in möglichst reiner Form aus dem Gasgemisch abgespalten werden soll. Hierzu ist im zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks ein Abtrennfluid aus dem Gasgemisch abgetrennt worden, wobei dieses zuvor verflüssigt wurde. Bei dem Abtrennfluid kann es sich um einen weiteren Bestandteil des Gasgemisches handeln, das aus dem Gasgemisch abgetrennt werden soll, um den reinen Wasserstoff bereitstellen zu können. Insofern kann es sich bei dem Abtrennfluid um Kohlenmonoxid, Kohlendioxid oder Methan handeln.
Das Prozessfluid im zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks kann gekühlt werden, um das Abtrennfluid zu verflüssigen und so in einfacher Weise von dem im zweiten Wärmetauscher vorliegenden Prozessfluid abzutrennen. Hierzu wird das Kühlfluid dem zweiten Wärmetauscher zugeführt, das entsprechend mit dem Prozessgas im zweiten Wärmetauscher wechselwirkt, wodurch das Abtrennfluid verflüssigt werden kann, um dieses entsprechend abtrennen zu können. Bei dem Kühlfluid kann es sich um gekühlten Stickstoff und/oder gekühlten Sauerstoff handeln, wobei das Kühlfluid beispielsweise bei einer Temperatur zwischen 70 und 110 Kelvin vorliegt, insbesondere bei 95 Kelvin oder tiefer.
Insofern kann die Gasgemisch-Zerlegungsanlage zumindest eine Kühlfluid leitung bzw. eine Leitung umfassen, durch die Kühlfluid strömt. Das Kühlfluid kann eine entsprechend niedrige Temperatur aufweisen, beispielsweise eine Temperatur zwischen 70 und 110 Kelvin, insbesondere eine Temperatur von 95 Kelvin oder tiefer, vorzugsweise 92 Kelvin oder tiefer. Das Kühlfluid koppelt thermisch mit dem jeweiligen Prozessfluid in dem wenigstens einen zweiten Wärmetauscher, insbesondere in allen vorhandenen zweiten Wärmetauschern, wodurch das entsprechende Abtrennfluid verflüssigt und so vom jeweiligen Prozessfluid abgetrennt werden kann.
Insbesondere kann die Gasgemisch-Zerlegungsanlage zwei Kühlfluidleitungen bzw. zwei Leitungen umfassen, durch die zwei unterschiedliche Kühlfluide getrennt voneinander strömen. Im jeweiligen zweiten Wärmetauscher kann so eine thermische Koppelung mit den zwei unterschiedlichen Kühlfluiden erfolgen.
Bei dem wenigstens einen Kühlfluid kann es sich um Stickstoff und/oder Sauerstoff handeln. Die zumindest eine Kühlfluidleitung bzw. die Leitung, durch die Kühlfluid strömt, kann Teil einer weiteren Zerlegungsanlage sein, beispielsweise einer Luftzerlegungsanlage, die somit mit der Gasgemisch-Zerlegungsanlage thermisch gekoppelt ist.
Es kann demnach ein System vorgesehen sein, das die Gasgemisch- Zerlegungsanlage sowie die weitere Zerlegungsanlage umfasst, wobei die Gasgemisch-Zerlegungsanlage und die Zerlegungsanlage über die zumindest eine Kühlfluidleitung bzw. die Leitung, durch die Kühlfluid strömt, thermisch gekoppelt sind.
Die weitere Zerlegungsanlage kann Teil eines Systems zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff sein.
Mit anderen Worten wird im zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks sichergestellt, dass das Kühlfluid mit dem Prozessfluid im zweiten Wärmetauscher wechselwirkt, das dem zweiten Wärmetauscher zugeführt worden ist. Hierdurch wird diesem Prozessfluid Energie bzw. Wärme entzogen, sodass das Abtrennfluid verflüssigt und von dem Prozessfluid abgetrennt werden kann, das dem zweiten Wärmetauscher zugeführt worden ist.
Grundsätzlich entspricht das dem zweiten Wärmetauscher zugeführte Prozessfluid dem Abtrennfluid und dem Prozessfluid, das den zweiten Wärme tauscher verlässt. Insofern entzieht das Kühlfluid dem Abtrennfluid und dem Prozessfluid Energie bzw. Wärme, das den zweiten Wärmetauscher verlässt.
Aufgrund des dritten Wärmetauschers kann das zuvor mittels des zweiten Wärmetauschers des Anfangsblocks verflüssigte Abtrennfluid wieder verdampft werden, wodurch es dem im dritten Wärmetauscher des Anfangsblocks vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht. Die Energieeffizienz der Gasgemisch- Zerlegungsanlage kann somit weiter verbessert werden. Das entsprechende Abtrennfluid liegt dann als Gas vor.
Der dritte Wärmetauscher des Anfangsblocks ist von der Rückleitung separiert, sodass das Hauptfluid, welches durch die Rückleitung strömt, nicht im dritten Wärmetauscher mit einem anderen Fluid wechselwirkt. Im dritten Wärmetauscher findet vielmehr ausschließlich ein Wärmeaustausch zwischen dem Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks zugeführt wird, und dem Abtrennfluid statt, das mittels des zweiten Wärmetauschers des Anfangsblocks vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, welches dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wurde.
Das Gasgemisch, welches im Verdichter des Anfangsblocks verdichtet bzw. komprimiert wird, kann auf einen Druck < 5 Bar verdichtet werden, wodurch der Siedepunkt der einzelnen Gase des Gasgemisches entsprechend erhöht wird.
Grundsätzlich wird dem entsprechenden Prozessfluid in den jeweiligen Wärmetauschern Wärmenergie entzogen, wodurch das Prozessfluid gekühlt wird. Hierzu wird insbesondere das maximal gekühlte Hauptfluid genutzt, welches im Endblock abgespalten worden ist, um das im ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks vorliegenden Prozessfluid zu kühlen. Hierdurch kann die Energieeffizienz der gesamten Gasgemisch-Zerlegungsanlage entsprechend erhöht werden.
Die Gasgemisch-Zerlegungsanlage kann in einem System zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff verwendet werden, das einen Kohle vergasungsreaktor zur Vergasung von Kohle aufweist. Der Kohlevergasungs reaktor benötigt für den Vergasungsprozess reinen Sauerstoff, welcher als Hauptfluid der Gasgemisch-Zerlegungsanlage oder aber als Abtrennfluid der Gasgemisch-Zerlegungsanlage bereitgestellt werden kann.
Grundsätzlich kann die Gasgemisch-Zerlegungsanlage demnach in einem System zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff eingebunden sein, das einen Kohlevergasungsreaktor zur Vergasung der Kohle sowie ein Dampfkraftwerk zur Stromproduktion aufweist, das thermisch mit dem Kohlevergasungsreaktor gekoppelt ist. Das System kann zudem eine Wassergas- Shift-Reaktionsanlage, die mit dem Kohlevergasungsreaktor verbunden ist, um die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors zu erhalten, eine mit einem Ausgang der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage gekoppelte Ableitung, die mit einer Speisewasserleitung des Dampfkraftwerks thermisch gekoppelt ist und einen Gasspeicher umfassen. Der Gasspeicher kann mit der Wassergas-Shift- Reaktionsanlage verbunden sein, um wenigstens eines der Produktgase der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage zu speichern, wobei das Dampfkraftwerk zur Stromproduktion mit dem Kohlevergasungsreaktor derart thermisch gekoppelt ist, dass die Reaktionsgase des Kohlevergasungsreaktors aufgrund der abgeleiteten Wärme an das Speisewasser einer Speisewasserleitung des Dampfkraftwerks ausreichend gekühlt sind, sodass die Reaktionsgase direkt in der Wassergas- Shift-Reaktionsanlage ohne zwischengeschaltete aktive Kühlung prozessierbar sind. Die Gasgemisch-Zerlegungsanlage kann selbst reinen Wasserstoff bereitstellen, beispielsweise als Hauptfluid, wobei der reine Wasserstoff zusammen mit dem aus der Wassergas-Shift-Reaktionsanlage erhaltenen Wasserstoff (zwischen-) gespeichert werden kann. Zudem kann die Gasgemisch- Zerlegungsanlage reinen Sauerstoff bereitstellen, beispielsweise als Abtrennfluid, der dem Kohlevergasungsreaktor für den Vergasungsprozess zugeführt wird.
Die erfindungsgemäße Gasgemisch-Zerlegungsanlage kann, wenn ohnehin beispielsweise reiner Sauerstoff benötigt oder gespeichert werden muss, ein Gasgemisch mit deutlich reduziertem Energiebedarf im Vergleich zu den gängigen Verfahren zerlegen, insbesondere ein wasserstoffreiches Gasgemisch. Dies liegt daran, dass die ohnehin vorliegenden gekühlten Einzelgase ausschließlich mittels thermischer Kopplung genutzt werden, um ein Abtrennfluid aus dem Prozessfluid bzw. Prozessgas zu verflüssigen, wodurch die Temperatur des Prozessfluids gesenkt wird.
Ein Aspekt sieht vor, dass der Endblock einen zweiten Wärmetauscher aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher des Endblocks dem ersten Wärme tauscher des Endblocks nachgeschaltet ist, und wobei der zweite Wärmetauscher des Endblocks ein Abtrennfluid eines vom zugeordneten ersten Wärmetauscher erhaltenen Prozessfluids verflüssigt und vom Prozessfluid abtrennt. Der zweite Wärmetauscher des Endblocks ist mit der Leitung gekoppelt, über die der zweite Wärmetauscher des Endblocks das Kühlfluid empfängt, das dem im zweiten Wärmetauscher des Endblocks vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen. Hierdurch kann die Energieeffizienz der Gasgemisch-Zerlegungsanlage sowie des Verfahrens entsprechend erhöht werden, da das Prozessfluid auch im Endblock in zwei unterschiedlichen Wärmetauschern prozessiert wird, um die Temperatur des Prozessfluids entsprechend zu reduzieren. Insofern liegt in beiden Wärmetauschern des Endblocks sowie in beiden zweiten Wärmetauschern des Anfangs- und des Endblocks jeweils eine thermische Koppelung vor, beispielsweise mit dem Hauptfluid bzw. dem Kühlfluid, wodurch das entsprechende Prozessfluid gekühlt wird.
Grundsätzlich können dem Prozessfluid somit mehrere Abtrennfluide entzogen werden, die zuvor verflüssigt und dann abgespaltet werden. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass als Hauptfluid reiner Wasserstoff vorliegt.
Da dem Prozessfluid, welches durch die Gasgemisch-Zerlegungsanlage prozessiert wird, jeweils Abtrennfluide entzogen werden, ändert sich die Zusammensetzung des Prozessfluids entsprechend. So umfasst das Prozessfluid vor dem zweiten Wärmetauscher des Anfangsblocks noch wenigstens ein weiteres Gas bzw. einen weiteren Bestandteil des Gasgemisches als das Prozessfluid, das dem zweiten Wärmetauscher des Endblocks zugeführt wird.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der Endblock einen dritten Wärmetauscher aufweist, der einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher des Endblocks zugeführt wird, und dem Abtrennfluid sicherstellt, dass mittels des zweiten Wärmetauschers des Endblocks vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, sodass das Abtrennfluid dem Prozessfluid Wärme entzieht und verdampft. Insbesondere ist auch der dritte Wärmetauscher des Endblocks von der Rückleitung separiert. Das zuvor mittels des zweiten Wärmetauschers des Endblocks verflüssigte Abtrennfluid kann somit wieder verdampft werden, wodurch es dem im dritten Wärmetauscher des Endblocks vorhandenen Prozessfluid Wärme entzieht. Die Energieeffizienz der Gasgemisch- Zerlegungsanlage kann somit weiter verbessert werden. Das entsprechende Abtrennfluid liegt somit als Gas vor.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist zwischen dem Anfangsblock und dem Endblock zumindest ein Mittelblock vorgesehen, wobei der Mittelblock einen Eingang, einen ersten Wärmetauscher sowie einen Ausgang umfasst, wobei der Eingang des Mittelblocks mit dem Ausgang des Anfangsblocks und der Ausgang des Mittelblocks mit dem Eingang des Endblocks verbunden sind, und wobei die Rückleitung zusätzlich mit dem ersten Wärmetauscher des Mittelblocks wirkungstechnisch gekoppelt ist, sodass das in der Rückleitung vorliegende Hauptfluid einem im ersten Wärmetauscher des Mittelblocks vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen. Mit dem Mittelblock kann eine weitere Kühlung des Prozessfluids stattfinden, da der Mittelblock einen weiteren ersten Wärmetauscher umfasst, der einen Wärmeaustausch zwischen dem im Endblock abgetrennten Hauptfluid, welches über die Rückleitung zurückgeführt wird, und dem im ersten Wärmetauscher des Mittelblocks vorliegenden Prozessfluids sicherstellt. Insofern liegt eine weitere thermische Koppelung vor.
Grundsätzlich stellt jeder Wärmetauscher in der gesamten Gasgemisch- Zerlegungsanlage eine thermische Koppelung sicher, über die dem Prozessfluid Wärme entzogen wird, um dieses weiter zu kühlen.
Der entsprechende Wärmeentzug kann im Falle der jeweiligen zweiten Wärmetauscher mittels des Kühlfluids, im Falle der jeweiligen ersten Wärme tauscher mittels des Hauptfluids oder im Falle der jeweiligen dritten Wärme tauscher mittels des jeweiligen Abtrennfluids erfolgen.
Insbesondere weist der Mittelblock einen zweiten Wärmetauscher auf, wobei der zweite Wärmetauscher des Mittelblocks dem ersten Wärmetauscher des Mittelblocks nachgeschaltet ist, und wobei der zweite Wärmetauscher des Mittelblocks ein Abtrennfluid eines vom ersten Wärmetauscher des Mittelblocks erhaltenen Prozessfluids verflüssigt und vom Prozessfluid abtrennt. Der zweite Wärmetauscher des Mittelblocks ist mit der Leitung gekoppelt, über die der zweite Wärmetauscher des Mittelblocks das Kühlfluid empfängt, das dem im zweiten Wärmetauscher des Mittelblocks vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen. Das Prozessfluid kann somit im Mittelblock ebenfalls mehrfach gekühlt werden, indem der Mittelblock einen zumindest zweiten Wärmetauscher aufweist, der einen Wärmeaustausch zwischen dem Prozessfluid und dem Kühlfluid sicherstellt, über das das entsprechende Abtrennfluid verflüssigt und abgetrennt werden kann. Durch das Kühlfluid kann dem Prozessfluid entsprechend Wärme entzogen werden. Zudem ist so sichergestellt, dass das aus dem Gasgemisch gewonnene Hauptfluid in möglichst reiner Form vorliegt, da mehrere Abtrennfluide vom Gasgemisch abgespaltet worden sind, insbesondere bevor diese verflüssigt wurden.
Das abzutrennende Abtrennfluid wird grundsätzlich verflüssigt, indem eine thermische Koppelung im entsprechend zweiten Wärmetauscher der Blöcke der Gasgemisch-Zerlegungsanlage zwischen dem Prozessfluid und dem Kühlfluid vorliegt. Grundsätzlich kann die Gasgemisch-Zerlegungsanlage mehrere Mittelblöcke umfassen, die jeweils nacheinander zwischen dem Anfangsblock und dem Endblock angeordnet sind, wobei die jeweiligen Mittelblöcke miteinander gekoppelt sind. Hierdurch kann die Reinheit des Hauptfluids sichergestellt werden, da aus dem Gasgemisch mehrere Abtrennfluide abgetrennt worden sind, insbesondere pro zusätzlichem Mittelblock ein Abtrennfluid. Insofern bestimmt die Anzahl der Mittelblöcke, wie viele unterschiedliche Abtrennfluide aus dem Gasgemisch abgetrennt werden.
Die Anzahl der Mittelblöcke stellt auch sicher, wie oft das Prozessfluid gekühlt wird bzw. wie oft das im Endblock abgetrennte Hauptfluid einen Wärmeaustausch mit dem Prozessfluid in den entsprechenden Blöcken vornimmt, also dem Anfangsblock, den mehreren Mittelblöcken sowie dem Endblock.
Die Gasgemisch-Zerlegungsanlage kann modular aufgebaut sein, sodass die Anzahl der Mittelblöcke entsprechend variabel gewählt werden kann, nämlich zwischen 0 und einer gewünschten Anzahl. Je höher die Zahl der Mittelblöcke, desto mehr unterschiedliche Anteile des Gasgemisches können abgetrennt werden.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass zwischen dem Anfangsblock und dem Endblock ein erster Mittelblock und ein zweiter Mittelblock vorgesehen sind, wobei der erste Mittelblock einen Eingang, einen ersten Wärmetauscher sowie einen Ausgang umfasst. Der zweite Mittelblock umfasst einen Eingang, einen ersten Wärmetauscher sowie einen Ausgang. Der Eingang des ersten Mittelblocks ist mit dem Ausgang des Anfangsblocks verbunden, der Ausgang des ersten Mittelblocks ist mit dem Eingang des zweiten Mittelblocks verbunden, und der Ausgang des zweiten Mittelblocks ist mit dem Eingang des Endblocks verbunden. Die Rückleitung ist zusätzlich mit dem ersten Wärmetauscher des ersten Mittelblocks und mit dem ersten Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks wirkungstechnisch gekoppelt, sodass das in der Rückleitung vorliegende Hauptfluid einem im ersten Wärmetauscher des ersten Mittelblocks vorliegenden Prozessfluid sowie einem im ersten Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen. Die Energieeffizienz der Gasgemisch-Zerlegungsanlage ist demnach entsprechend erhöht, da das Hauptfluid zur Kühlung des Prozessfluids mehrfach verwendet wird, nämlich zusätzlich in den zwei Mittelblöcken.
Insbesondere weisen der erste Mittelblock und der zweite Mittelblock jeweils einen zweiten Wärmetauscher auf, wobei der zweite Wärmetauscher des ersten Mittelblocks dem ersten Wärmetauscher des ersten Mittelblocks nachgeschaltet ist, und wobei der zweite Wärmetauscher des ersten Mittelblocks ein Abtrennfluid vom ersten Wärmetauscher des ersten Mittelblocks enthaltenen Prozessfluids verflüssigt und vom Prozessfluid abtrennt, wobei der zweite Wärmetauscher des ersten Mittelblocks mit der Leitung gekoppelt ist, über die der zweite Wärmetauscher des ersten Mittelblocks das Kühlfluid empfängt, das dem im zweiten Wärmetauscher des ersten Mittelblocks vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen, und wobei der zweite Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks dem ersten Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks nachgeschaltet ist, und wobei der zweite Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks ein Abtrennfluid eines vom ersten Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks enthaltenen Prozessfluids verflüssigt und vom Prozessfluid abtrennt, wobei der zweite Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks mit der Leitung gekoppelt ist, über die der zweite Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks das Kühlfluid empfängt, das dem im zweiten Wärmetauscher des zweiten Mittelblocks vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen. Der Wirkungsgrad wird weiter erhöht, da in den jeweils zweiten Wärmetauschern der beiden Mittelblöcke ein Abtrennfluid verflüssigt und abgetrennt wird, indem dem jeweiligen zweiten Wärmetauscher das Kühlfluid zugeführt wird, wodurch dem entsprechend vorliegenden Prozessfluid Wärme entzogen wird. Zudem kann die Reinheit des Hauptfluids entsprechend verbessert werden, da mehr Abtrennfluide vom Prozessfluid abgetrennt werden.
Grundsätzlich können die zweiten Wärmetauscher der verschiedenen Blöcke mit dem Kühlfluid wechselwirken, wodurch das im zweiten Wärmetauscher abzutrennende Abtrennfluid verflüssigt wird, sodass das Abtrennfluid vom vorliegenden Prozessfluid abgetrennt werden kann.
Ferner kann der jeweilige Mittelblock einen dritten Wärmetauscher aufweisen, der einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird, und dem Abtrennfluid sicherstellt, das mittels des jeweiligen zweiten Wärmetauschers vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, sodass das Abtrennfluid dem Prozessfluid Wärme entzieht und verdampft.
Der Mittelblock kann auch einen dritten Wärmetauscher umfassen, der - in analoger Weise zum Anfangsblock bzw. zum Endblock - einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher des Mittelblocks zugeführt wird, und dem Abtrennfluid sicherstellt. Das Abtrennfluid ist mittels des jeweiligen zweiten Wärmetauschers vom Prozessfluid im zweiten Wärmetauscher abgetrennt worden, nachdem dieses zuvor verflüssigt worden ist. Das Abtrennfluid entzieht dem Prozessfluid Wärme bzw. Energie, sodass das flüssige Abtrennfluid wieder verdampft. Insofern kann die Energieeffizienz der Gasgemisch-Zerlegungsanlage weiter erhöht werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist jeweils der zweite Wärmetauscher mit dem zugeordneten Wärmetauscher derart strömungstechnisch gekoppelt, dass das jeweilige Abtrennfluid im ersten Wärmetauscher mit dem entsprechenden Prozessfluid wechselwirkt, um dem Prozessfluid Wärme zu entziehen. Die Energieeffizienz der Gasgemisch-Zerlegungsanlage kann so weiter erhöht werden.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass wenigstens ein Speicher zur Speicherung des Hauptfluids vorgesehen ist. In dem Speicher kann der Wasserstoff, insbesondere der reine Wasserstoff, für eine weitere Verwendung zumindest zwischengespeichert werden.
Alternativ oder ergänzend kann ein Speicher zur Speicherung des Abtrennfluids vorgesehen sein, welches in dem jeweiligen zweiten Wärmetauscher abgetrennt worden ist, um das Abtrennfluid für eine spätere Verwendung zu speichern oder zwischenzuspeichern.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Gasgemisch-Zerlegungsanlage eine Wärmedämmung aufweist, die die Komponenten der Gasgemisch- Zerlegungsanlage umgibt und dämmt. Insbesondere sind die jeweiligen Wärmetauscher sowie die Rückleitung von der Wärmedämmung umgeben, um diese entsprechend thermisch zu dämmen.
Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass der Anfangsblock einen vierten Wärmetauscher aufweist, der dem dritten Wärmetauscher vorgeschaltet ist, wobei der vierte Wärmetauscher einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem dritten Wärmetauscher des Anfangsblocks zugeführt wird, und dem Abtrennfluid sicherstellt, das mittels des zweiten Wärmetauschers eines dem Anfangsblock direkt nachgeschalteten Blocks vom Prozessfluid abgetrennt worden ist. Grundsätzlich kann die Effizienz der Gasgemisch-Zerlegungsanlage somit weiter gesteigert werden. Mit anderen Worten ist das im zweiten Wärmetauscher abgetrennte Fluid über den vierten Wärmetauscher mit dem verdichteten Gasgemisch wärmetechnisch gekoppelt, welches dem ersten Wärmetauscher des Anfangsblocks zugeführt wird.
Bei dem direkt nachgeschalteten Block kann es sich um den Endblock handeln, sofern kein Mittelblock vorgesehen ist oder um den (ersten) Mittelblock, sofern zwischen dem Anfangsblock und dem Endblock zumindest ein Mittelblock vorgesehen ist.
Ferner kann jeder Block, der einen direkt nachgeschalteten Block aufweist, einen entsprechenden vierten Wärmetauscher aufweisen, also alle Blöcke außer dem Endblock, das dieser keinen direkt nachgeschalteten Block hat. Hierdurch kann die Effizienz der gesamten Gasgemisch-Zerlegungsanlage weiter gesteigert werden.
Auch der jeweilige vierte Wärmetauscher ist von der Rückleitung separiert, d.h. der jeweilige vierte Wärmetauscher erhält nicht das Hauptfluid, welches durch die Hauptleitung strömt.
Generell ist der jeweilige dritte Wärmetauscher des entsprechenden Blocks, also derjenige des Anfangsblocks, des Mittelblocks bzw. des Endblocks, von der Rückleitung separiert, sodass das Hauptfluid, welches durch die Rückleitung strömt, nicht mit einem anderen Fluid im dritten Wärmetauscher wechselwirkt.
Im entsprechenden dritten Wärmetauscher findet vielmehr ausschließlich ein Wärmeaustausch zwischen dem Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher des jeweiligen Blocks zugeführt wird, und dem Abtrennfluid statt, das mittels des zweiten Wärmetauschers des entsprechenden Blocks vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, welches dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wurde.
Grundsätzlich sind die Blöcke gestaffelt nach der Temperatur der abzutrennenden Abtrennfluide und dem Temperaturpunkt, bei dem sich der Aggregatzustand zu flüssig ändert. Die bei hohen Temperaturen abzutrennenden Abtrennfluide werden somit früher, also näher am Anfangsblock, abgespaltet, wohingegen die bei niedrigeren Temperaturen noch abzutrennenden Abtrennfluide später abgespaltet werden, also näher am Endblock.
Anfangs wird im Endblock die gekühlten Abtrennfluide der Gasgemisch- Zerlegungsanlage getrennt vom jeweiligen Prozessfluid mit dem letzten Gasgemisch mittels Wärmetauscher thermisch gekoppelt und durch Kühlung mittels des Kühlfluids verflüssigt, z.B. Kohlenmonoxid. Das Hauptfluid, was auch als Restgas bezeichnet werden kann, beispielsweise Wasserstoff, kann somit gasförmig zum Mittel- oder Anfangsblock maximal gekühlt geleitet werden.
Das entsprechende Abtrennfluid, beispielsweise verflüssigter Kohlenmonoxid, kühlt das Prozessfluid in der Zuleitung vom Mittel- oder Anfangsblock mittels Verdampfung und Entspannung samt Wärmeübertragung.
Wie bereits erläutert, kann das maximal gekühlte Hauptfluid, also der maximal gekühlte gasförmige Wasserstoff, zum Kühlen des zugeleitetem Prozessfluids aus dem Mittel- oder Anfangsblock genutzt werden.
Grundsätzlich liegt die Temperatur des entsprechenden Abtrennfluids und des Prozessfluids im Mittelblock etwas höher, wobei auch die Temperatur der Aggregatzustandsänderung des Abtrennfluids im Mittelblock höher ist.
Jeder Block kann mehrere thermische Kopplungen umfassen, nämlich einen Wärmetauscher zwischen dem Prozessfluid und dem letztlich abgetrennten bzw. übrig gebliebenen Hauptfluid (der jeweilige erste Wärmetauscher), eine thermische Kopplung zum Kühlen des Prozessfluids mit dem bereits gekühlten Abtrennfluiden (der jeweilige zweite Wärmetauscher) sowie eine thermischen Kopplung des im jeweiligen Block flüssig abgetrennten Abtrennfluids, das mittels Verdampfung und Normaldruck das Prozessfluid ebenfalls kühlt (der jeweilige dritte Wärmetauscher).
Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen: Figur 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Gasgemisch-Zerlegungsanlage gemäß einer ersten Ausführungsform,
Figur 2 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Gasgemisch-Zerlegungsanlage gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
Figur 3 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Gasgemisch-Zerlegungsanlage gemäß einer dritten Ausführungsform.
In Figur 1 ist eine Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 gezeigt, die einen Anfangsblock 12, einen dem Anfangsblock 12 nachgeschalteten Mittelblock 14 sowie einen dem Mittelblock 14 nachgeschalteten Endblock 16 umfasst.
Der Mittelblock 14 ist somit zwischen dem Anfangsblock 12 und dem Endblock 16 angeordnet.
Der Anfangsblock 12 weist einen Eingang 18 in Form einer Zuleitung auf, worüber der Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 ein Gasgemisch zugeführt wird, welches in der Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 entsprechend zerlegt werden soll. Das Gasgemisch kann Wasserstoff, Kohlendioxid, Kohlenmonoxid sowie Stickstoff umfassen.
Des Weiteren umfasst der Anfangsblock 18 einen Verdichter 20, der das über den Eingang 18 erhaltene Gasgemisch komprimiert, wodurch ein Prozessfluid erzeugt wird. Hierzu kann das Prozessfluid auf mindestens 5,2 Bar Druck gebracht werden.
Das Prozessfluid wird vom Verdichter 20 zu einem ersten Wärmetauscher 22 transportiert, indem das Prozessfluid mit einem in der Gasgemisch- Zerlegungsanlage 10 abgetrennten Hauptfluid bei der Temperatur T2.i wechselwirkt, beispielsweise Wasserstoff. Das Hauptfluid entzieht dem Prozessfluid des Anfangsblocks 12 Wärme, wie nachfolgend noch detailliert erläutert wird.
Das Hauptfluid wird dabei über eine Rückleitung 24 der Gasgemisch- Zerlegungsanlage 10 vom Endblock 16 über den Mittelblock 14 und den Anfangsblock 12 zu einem Speicher 26 geleitet, in dem das reine Hauptfluid gespeichert wird. Darüber hinaus umfasst der Anfangsblock 12 einen zweiten Wärme tauscher 28, der dem ersten Wärmetauscher 22 nachgeschaltet ist, sodass der zweite Wärmetauscher 28 das im ersten Wärmetauscher 22 entsprechend gekühlte Prozessfluid erhält.
Der zweite Wärmetauscher 28, insbesondere das vom zweiten Wärmetauscher 28 prozessierte Prozessfluid, wechselwirkt bei der Temperatur T2.o zudem mit zumindest einem Kühlfluid 30, beispielsweise Stickstoff und/oder Sauerstoff, welche über eine Zuleitung 31 durch eine Leitung 32 zu einer Ableitung 33 strömt. Die Leitung 32 kann demnach auch als eine Kühlfluidleitung bezeichnet werden, durch die das Kühlfluid 30 strömt.
Die Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 kann grundsätzlich auch zwei oder mehr Leitungen 30 umfassen, durch die zwei oder mehr unterschiedliche Kühlfluide 30 getrennt voneinander strömen, beispielsweise Stickstoff und Sauerstoff.
Das zumindest eine Kühlfluid 30 kann von einer separaten Anlage bereitgestellt werden, wobei dieses zur Speicherung oder Weiterverwendung vorgesehen ist. Die zumindest eine Leitung 30, durch die das Kühlfluid strömt, ist zum Beispiel ein Teil einer weiteren Zerlegungsanlage, insbesondere einer Luftzerlegungsanlage. Diese weitere Zerlegungsanlage ist somit mit der Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 thermisch gekoppelt.
Mit anderen Worten bilden die Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 und die weitere Zerlegungsanlage zusammen ein System, insbesondere kann die weitere Zerlegungsanlage Teil eines Systems zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff sein. Insofern kann auch die Gasgemisch- Zerlegungsanlage 10 Teil des Systems zur Speicherung von aus Kohle gewonnenem Wasserstoff sein.
Das in der wenigstens einen Leitung 32 strömende Kühlfluid 30 koppelt thermisch mit dem jeweiligen Prozessfluid im zweiten Wärmetauscher 28.
Hierdurch erhöht sich die Temperatur des Kühlfluids 30 im zweiten Wärmetauscher 28 des Anfangsblocks 12 auf eine Temperatur T20, die das Kühlfluid 30 auch noch in der Ableitung 33 hat. Das entsprechende Kühlfluid 30, welches durch die Leitung 32 strömt, sorgt dafür, dass ein Abtrennfluid 34 im zweiten Wärmetauscher 28 des Anfangsblocks 12 bei der Temperatur T2.0 verflüssigt wird, wodurch dieses vom Prozessfluid im zweiten Wärmetauscher 28 abgetrennt werden kann, wie durch den entsprechenden Pfeil in Figur 1 dargestellt ist.
Das Abtrennfluid 34, beispielsweise Kohlendioxid, wird bei der Temperatur T2.0 verflüssigt, indem das Prozessfluid mit dem wenigstens einen Kühlfluid bei der Temperatur T1.0 thermisch koppelt. Anschließend kann das verflüssigte Abtrennfluid 34 mittels einer Pumpe weitergetrieben werden.
Das Prozessfluid wird vom zweiten Wärmetauscher 28 zum Ausgang 36 des Anfangsblocks 12 weitergeleitet, der mit dem Eingang 38 des nachfolgenden Mittelblocks 14 strömungsverbunden ist.
Das im zweiten Wärmetauscher 28 des Anfangsblocks 12 abgetrennte Abtrennfluid 34 kann durch einen dritten Wärmetauscher 40 strömen, der in Figur 1 gestrichelt dargestellt ist.
In dem dritten Wärmetauscher 40 findet ein Wärmeaustausch bei der Temperatur T2.2 zwischen dem verflüssigten Abtrennfluid 34, beispielsweise Kohlendioxid, und dem vorliegenden Prozessfluid statt, bevor dieses dem ersten Wärmetauscher 22 zugeführt wird. Hierbei kann dem Prozessfluid bereits Wärme entzogen werden, wodurch das zuvor flüssige Abtrennfluid 34 wieder verdampft.
Insofern liegt das Abtrennfluid 34 als Gas mit der Temperatur T2.2 vor.
Das Prozessfluid, welches über den Eingang 38 des Mittelblocks 14 zugeführt worden ist, wird im Mittelblock 14 in analoger Weise zum Anfangsblock 12 zu einem ersten Wärmetauscher 42 des Mittelblocks 14 geleitet, in dem das Prozessfluid mit dem Hauptfluid bei der Temperatur T 1 .1 thermisch wechselwirkt, welches durch die Rückleitung 24 geführt worden ist. Das Prozessfluid wird demnach über das Hauptfluid in dem ersten Wärmetauscher 42 des Mittel blocks 14 gekühlt.
Das gekühlte Prozessfluid, welches den ersten Wärmetauscher 42 des Mittelblocks 14 verlässt, wird einem zweiten Wärmetauscher 44 des Mittelblocks 14 zugeführt, der zudem das Kühlfluid 30 bei der Temperatur Ti.0 erhält, welches durch die Kühlleitung 32 strömt.
Hierdurch wird ein weiteres Abtrennfluid 46 des Prozessfluids verflüssigt, welches im zweiten Wärmetauscher 44 des Mittelblocks 14 vorliegt, sodass das weitere Abtrennfluid 46 im zweiten Wärmetauscher 44 des Mittelblocks 14 abgetrennt werden kann, wie dies durch den entsprechenden Pfeil in Figur 1 dargestellt ist. Bei dem weiteren Abtrennfluid 46 handelt es sich beispielsweise um Kohlenmonoxid. Die Verflüssigung des weiteren Abtrennfluids 46 erfolgt bei der Temperatur Ti.0.
Das verbleibende Prozessfluid wird über einen Ausgang 48 des Mittelblocks 14 einem Eingang 50 des Endblocks 16 zugeführt.
Das im zweiten Wärmetauscher 44 des Mittelblocks 14 abgetrennte Abtrennfluid 46, welches flüssig ist, wird in analoger Weise zum Anfangsblock 12 einem (optionalen) dritten Wärmetauscher 52 des Mittelblocks 14 zugeführt, beispielsweise mittels einer Pumpe. Der dritte Wärmetauscher 52 des Mittelblocks 14 ermöglicht einen Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen Abtrennfluid 46 und dem Prozessfluid, welches dem ersten Wärmetauscher 42 des Mittelblocks 14 zugeführt wird. Hierbei kann das flüssige Abtrennfluid dem Prozessfluid Wärme entziehen, indem das Abtrennfluid 46 verdampft wird. Dies geschieht bei der Temperatur Ti.2.
Das dem Endblock 16 zugeführte Prozessfluid wird im Endblock 16 ebenfalls einem ersten Wärmetauscher 54 zugeführt, der einen Wärmeaustausch zwischen dem entsprechenden Prozessfluid und dem Hauptfluid bei der Temperatur T0.i ermöglicht, wobei das Hauptfluid über die Rückleitung 24 vom Endblock 16 zum Speicher 26 geführt wird. Hierbei kann das entsprechende Prozessfluid durch das Hauptfluid gekühlt werden.
Das aus dem ersten Wärmetauscher 54 des Endblocks 16 kommende Prozessfluid wird einem zweiten Wärmetauscher 56 des Endblocks 16 zugeführt, in dem das Prozessfluid mit dem Kühlfluid 30 bei der Temperatur To.o wechselwirkt, sodass ein weiteres Abtrennfluid 58, beispielsweise Stickstoff, aus dem vorliegenden Prozessfluid verflüssigt wird. Das weitere Abtrennfluid 58 kann so im zweiten Wärmetauscher 56 des Endblocks 16 abgetrennt werden, wie dies durch den entsprechenden Pfeil in Figur 1 gezeigt ist.
Das Abtrennfluid 58 wird einem (optionalen) dritten Wärmetauscher 60 des Endblocks 16 zugeführt, insbesondere mittels einer Pumpe. Der dritte Wärmetauscher 60 des Endblocks 16 erhält zudem das Prozessfluid, welches dem ersten Wärmetauscher 54 des Endblocks 16 zugeführt werden soll. Hierdurch ist es möglich, dass das weitere Abtrennfluid 58, welches zuvor verflüssigt worden ist, wieder verdampft wird, wodurch es dem Prozessfluid Wärme entzieht. Dies geschieht bei der Temperatur T0.2.
Das den zweiten Wärmetauscher 56 verlassende Prozessfluid wird über einen Ausgang 62 des Endblocks 16 in die Rückleitung 24 gespeist, die mit den jeweiligen ersten Wärmetauschern 22, 42, 54 den entsprechenden Blöcke 12,14 und 16 zusammenwirkt, um das dort vorliegende Prozessfluid zu kühlen. Das den zweiten Wärmetauscher 56 verlassende Prozessfluid entspricht somit dem Hauptfluid, welches in reiner Form vorliegt.
Grundsätzlich werden in der Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 gemäß der Ausführungsform nach Figur 1 vier unterschiedliche Gase aus dem Gasgemisch abgetrennt, wobei das Hauptfluid zuletzt abgetrennt wird und jeweils über die ersten Wärmetauscher 22, 42, 54 der entsprechenden Blöcke 12 bis 16 mit dem dort vorliegenden Prozessfluid wechselwirkt, um diesem Wärme zu entziehen.
Des Weiteren wird im jeden Block 12 bis 16 ein weiteres Abtrennfluid 34, 46, 58 abgetrennt, beispielsweise Kohlendioxid im Anfangsblock 12, Kohlenmonoxid im Mittelblock 14 und Stickstoff im Endblock 16.
Die Abtrennfluide 34, 46, 58, die aufgrund der jeweiligen dritten Wärmetauscher 40, 52, 60 der Blöcke 12-16 als Gase vorliegen, können jeweils in einem separaten Speicher 64 bis 68 zumindest zwischengespeichert werden.
Optional kann vorgesehen sein, dass die entsprechenden verdampften Abtrennfluide 34, 46, 58 zunächst noch einmal mit dem entsprechenden Prozessfluid in einem vierten Wärmetauscher oder dem jeweiligen ersten Wärmetauscher 22, 42, 54 wechselwirken, um dem Prozessfluid weiter Wärme zu entziehen, bevor die entsprechenden Abtrennfluide 34, 46, 58 in den zugeordneten Speichern 64, 66 und 68 gespeichert werden. Die Verwendung von vierten Wärmetauschern ist beispielhaft in Figur 3 gezeigt, worauf nachfolgend noch Bezug genommen wird.
Sofern dem Gasgemisch mehr als drei Abtrennfluide 34, 46, 58 entzogen werden sollen, um die Reinheit des Hauptfluids zu verbessern, kann die Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 weitere Mittelblöcke 14 aufweisen, die in analoger Weise zwischen dem Anfangsblock 12 und dem Endblock 16 vorgesehen sind.
In Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der der Mittelblock 14 nicht vorgesehen ist.
Insofern wird das Gasgemisch in drei Bestandteile zerlegt, nämlich dem Hauptfluid sowie zwei Abtrennfluiden 34, 58, die in den jeweiligen zweiten Wärmetauschern 28 und 56 des Anfangsblocks 12 bzw. des Endblocks 16 vom entsprechenden Prozessfluid abgetrennt wurden.
Ansonsten ist die Funktionsweise der beiden Gasgemisch-Zerlegungsanlagen gemäß Figuren 1 und 2 gleich.
Grundsätzlich kann eine Wärmedämmung vorgesehen sein, die die Komponenten der Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 umgibt und somit dämmt.
In Figur 3 ist eine Ausführungsform der Gasgemisch-Zerlegungsanlage 10 gezeigt, die auf derjenigen der Figur 1 basiert.
Die in der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform umfasst zusätzlich zur Ausführungsform nach Figur 1 einen vierten Wärmetauscher 70 innerhalb des Anfangsblocks 12.
Der vierte Wärmetauscher 70 ist dem dritten Wärmetauscher 40 des entsprechenden Blocks, also des Anfangsblocks 12, vorgeschaltet, sodass der vierte Wärmetauscher 70 das dem dritten Wärmetauscher 40 zugeführte Prozessfluid und das Abtrennfluid 46 erhält, das mittels des zweiten Wärmetauschers 44 des dem entsprechenden Block, also dem Anfangsblock 12, direkt nachgeschalteten Blocks vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, also des mittleren Blocks 14. Der vierte Wärmetauscher 70 stellt also einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, also demjenigen, das dem dritten Wärmetauscher 40 zugeführt wird, und dem Abtrennfluid 46 sicher, welches im zweiten Wärmetauscher 44 des Mittelblocks 14 abgetrennt worden ist.
Grundsätzlich kann der Mittelblock 14 auch einen vierten Wärmetauscher aufweisen, der aus Gründen der Einfachheit vorliegend nicht gezeigt ist. Der vierte Wärmetauscher des Mittelblocks 14 würde demnach das dem dritten Wärmetauscher 52 des Mittelblocks 14 zugeführte Prozessfluid und das Abtrennfluid 58 erhalten, welches im zweiten Wärmetauscher 56 des Endblocks 16 abgetrennt worden ist.
Grundsätzlich lässt sich die Effizienz des gesamten Systems so weiter erhöhen.

Claims

Patentansprüche
1. Gasgemisch-Zerlegungsanlage zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch, mit einem Anfangsblock (12) und einem Endblock (16), der dem Anfangsblock (12) nachgeschaltet ist, wobei der Anfangsblock (12) einen Eingang (18) für das Gasgemisch, einen dem Eingang (18) nachgeschalteten Verdichter (20) zum Komprimieren des Gasgemisches, einen ersten Wärmetauscher (22), einen zweiten Wärmetauscher (28) sowie einen Ausgang (36) umfasst, wobei der Endblock (16) einen Eingang (38), einen ersten Wärmetauscher (54) sowie einen Ausgang (62) umfasst, wobei der Eingang (38) des Endblocks (16) mit dem Ausgang (36) des Anfangsblocks (12) strömungsverbunden ist, wobei die Gasgemisch-Zerlegungsanlage (10) eine Rückleitung (24) für ein im Endblock (16) abgetrenntes Hauptfluid aufweist, die mit dem Ausgang (62) des Endblocks (16) strömungsverbunden ist, wobei die Rückleitung (24) sowohl mit dem ersten Wärmetauscher (54) des Endblocks (16) als auch mit dem ersten Wärmetauscher (22) des Anfangsblocks (12) wirkungstechnisch gekoppelt ist, sodass das in der Rückleitung (24) vorliegende Hauptfluid einem im jeweiligen ersten Wärmetauscher (22, 54) vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen, wobei der zweite Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12) dem ersten Wärmetauscher (22) des Anfangsblocks (12) nachgeschaltet ist, wobei der zweite Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12) ein Abtrennfluid (34) eines vom zugeordneten ersten Wärmetauscher (22) erhaltenen Prozessfluids verflüssigt und vom Prozessfluid abtrennt, wobei der zweite Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12) mit einer Leitung (32) gekoppelt ist, über die der zweite Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12) ein Kühlfluid empfängt, das dem im zweiten Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12) vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen, wobei der Anfangsblock (12) einen dritten Wärmetauscher (40) aufweist, der einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher (22) des Anfangsblocks (12) zugeführt wird, und dem Abtrennfluid (34) sicherstellt, das mittels des zweiten Wärmetauschers (28) des Anfangsblocks (12) vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, sodass das Abtrennfluid (34) dem Prozessfluid Wärme entzieht und verdampft, und wobei der dritte Wärmetauscher (40) des Anfangsblocks (12) von der Rückleitung (24) separiert ist.
2. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Endblock (16) einen zweiten Wärmetauscher (56) aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher (56) des Endblocks (16) dem ersten Wärmetauscher (54) des Endblocks (16) nachgeschaltet ist, und wobei der zweite Wärmetauscher (56) des Endblocks (16) ein Abtrennfluid (58) eines vom zugeordneten ersten Wärmetauscher (54) erhaltenen Prozessfluids verflüssigt und vom Prozessfluid abtrennt, wobei der zweite Wärmetauscher (56) des Endblocks (16) mit der Leitung (32) gekoppelt ist, über die der zweite Wärmetauscher (56) des Endblocks (16) das Kühlfluid empfängt, das dem im zweiten Wärmetauscher (56) des Endblocks (16) vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen.
3. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Endblock (16) einen dritten Wärmetauscher (60) aufweist, der einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher (54) des Endblocks (16) zugeführt wird, und dem Abtrennfluid (58) sicherstellt, das mittels des zweiten Wärmetauschers (56) des Endblocks (16) vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, sodass das Abtrennfluid (58) dem Prozessfluid Wärme entzieht und verdampft, insbesondere wobei der dritte Wärmetauscher (60) des Endblocks (16) von der Rückleitung (24) separiert ist.
4. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Anfangsblock (12) und dem Endblock (16) zumindest ein Mittelblock (14) vorgesehen ist, wobei der Mittelblock (14) einen Eingang (38), einen ersten Wärmetauscher (42) sowie einen Ausgang (48) umfasst, wobei der Eingang (38) des Mittelblocks (14) mit dem Ausgang (36) des Anfangsblocks (12) und der Ausgang (48) des Mittelblocks (14) mit dem Eingang (50) des Endblocks (16) verbunden sind, und wobei die Rückleitung (24) zusätzlich mit dem ersten Wärmetauscher (42) des Mittelblocks (14) wirkungstechnisch gekoppelt ist, sodass das in der Rückleitung vorliegende Hauptfluid einem im ersten Wärmetauscher (42) des Mittelblocks (14) vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen.
5. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelblock (14) einen zweiten Wärmetauscher (44) aufweist, wobei der zweite Wärmetauscher (44) des Mittelblocks (14) dem ersten Wärmetauscher (42) des Mittelblocks (14) nach geschaltet ist, und wobei der zweite Wärmetauscher (44) des Mittelblocks (14) ein Abtrennfluid (46) eines vom ersten Wärmetauscher (42) des Mittelblocks (14) erhaltenen Prozessfluids verflüssigt und vom Prozessfluid abtrennt, wobei der zweite Wärmetauscher (44) des Mittelblocks (14) mit der Leitung (32) gekoppelt ist, über die der zweite Wärmetauscher (44) des Mittelblocks (14) das Kühlfluid empfängt, das dem im zweiten Wärmetauscher (44) des Mittelblocks (14) vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen.
6. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Anfangsblock (12) und dem Endblock (16) ein erster Mittelblock (14) und ein zweiter Mittelblock (14) vorgesehen sind, wobei der erste Mittelblock (14) einen Eingang (38), einen ersten Wärmetauscher (42) sowie einen Ausgang (48) umfasst, wobei der zweite Mittelblock (14) einen Eingang (38), einen ersten Wärmetauscher (42) sowie einen Ausgang (48) umfasst, wobei der Eingang (38) des ersten Mittelblocks (14) mit dem Ausgang (36) des Anfangsblocks (12), der Ausgang (48) des ersten Mittelblocks (14) mit dem Eingang (38) des zweiten Mittelblocks (14), der Ausgang (48) des zweiten Mittelblocks (14) mit dem Eingang (50) des Endblocks (16) verbunden sind, und wobei die Rückleitung (24) zusätzlich mit dem ersten Wärmetauscher (42) des ersten Mittelblocks (14) und mit dem ersten Wärmetauscher (42) des zweiten Mittelblocks (14) wirkungstechnisch gekoppelt ist, sodass das in der Rückleitung (24) vorliegende Hauptfluid einem im ersten Wärmetauscher (42) des ersten Mittelblocks (14) vorliegenden Prozessfluid sowie einem im ersten Wärmetauscher (42) des zweiten Mittelblocks (14) vorliegenden Prozessfluid Wärme entzieht, um das entsprechende Prozessfluid zu kühlen.
7. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Mittelblock (14) einen dritten Wärmetauscher (52) aufweist, der einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher (42) zugeführt wird, und dem Abtrennfluid (46) sicherstellt, das mittels des jeweiligen zweiten Wärmetauschers (44) vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, sodass das Abtrennfluid (46) dem Prozessfluid Wärme entzieht und verdampft.
8. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils der zweite Wärmetauscher (28, 44, 56) mit dem zugeordneten ersten Wärmetauscher (22, 42, 54) derart strömungstechnisch gekoppelt ist, dass das jeweilige Abtrennfluid (34, 46, 58) im ersten Wärmetauscher (22, 42, 54) mit dem entsprechenden Prozessfluid wechselwirkt, um dem Prozessfluid Wärme zu entziehen.
9. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Speicher (26, 64, 66, 68) zur Speicherung des Hauptfluids und/oder des Abtrennfluids vorgesehen ist und/oder dass eine Wärmedämmung vorgesehen ist, die die Komponenten der Gasgemisch-Zerlegungsanlage (10) umgibt und dämmt.
10. Gasgemisch-Zerlegungsanlage nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangsblock (12) einen vierten Wärmetauscher aufweist, der dem dritten Wärmetauscher (40) vorgeschaltet ist, wobei der vierte Wärmetauscher einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem dritten Wärmetauscher (40) des Anfangsblocks (12) zugeführt wird, und dem Abtrennfluid (46, 58) sicherstellt, das mittels des zweiten Wärmetauschers (56) eines dem Anfangsblock (12) direkt nachgeschalteten Blocks (14, 16) vom Prozessfluid abgetrennt worden ist.
11. Verfahren zum Abtrennen von wenigstens einem Hauptfluid aus einem Gasgemisch, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines Gasgemisches,
Komprimieren des Gasgemisches, um ein Prozessfluid bereitzustellen,
Weiterleiten des Prozessfluids in einen ersten Wärmetauscher (22) eines Anfangsblocks (12),
Weiterleiten des Prozessfluids in einen zweiten Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12), der dem ersten Wärmetauscher (22) nachgeschaltet ist,
Verflüssigen und Abtrennen eines Abtrennfluids im zweiten Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12),
Weiterleiten des Prozessfluids vom zweiten Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12) an einen ersten Wärmetauscher (54) eines Endblocks (16),
Rückführen eines im Endblock (16) abgetrennten Hauptfluids durch den ersten Wärmetauscher (54) des Endblocks (16) mittels einer Rückleitung (24), sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem im ersten Wärmetauscher (54) des Endblocks (16) vorliegenden Prozessfluid und dem Hauptfluid stattfindet,
Weiterleiten des im zweiten Wärmetauscher (28) des Anfangsblocks (12) abgetrennten Abtrennfluids an einen dritten Wärmetauscher (40) des Anfangsblocks (12), der einen Wärmeaustausch zwischen dem jeweiligen Prozessfluid, das dem ersten Wärmetauscher (22) des Anfangsblocks (12) zugeführt wird, und dem Abtrennfluid (34) sicherstellt, das mittels des zweiten Wärmetauschers (28) des Anfangsblocks (12) vom Prozessfluid abgetrennt worden ist, sodass das Abtrennfluid (34) dem Prozessfluid Wärme entzieht und verdampft, wobei der dritte Wärmetauscher (40) des Anfangsblocks (12) von der Rückleitung (24) separiert ist, und
Rückführen des im Endblock (16) abgetrennten Hauptfluids durch den ersten Wärmetauscher (22) des Anfangsblocks (12) mittels der Rückleitung (24), sodass ein Wärmeaustausch zwischen dem im ersten Wärmetauscher (22) des Anfangsblocks (12) vorliegenden Prozessfluid und dem Hauptfluid stattfindet.
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