WO2002030549A1 - Verfahren zur abtrennung von distickstoffmonoxid aus wasserstoff, stickstoffmonoxid und distickstoffmonoxid enthaltenden gasen - Google Patents

Verfahren zur abtrennung von distickstoffmonoxid aus wasserstoff, stickstoffmonoxid und distickstoffmonoxid enthaltenden gasen Download PDF

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    • Y02P20/151—Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2

Definitions

  • EP-A-0113023 discloses a method for removing nitrous oxide from gases containing hydrogen, nitrogen monoxide and nitrous oxide by treating the gases with molecular sieves.
  • a disadvantage of this method is that the absorption bed cannot be used continuously.
  • the object of the present invention was to provide a process which enables the removal of nitrous oxide from hydrogen, nitrogen monoxide and nitrous oxide gases in a technically simple and economical manner while avoiding the disadvantages mentioned.
  • the gas (I) to be treated contains dinitrogen monoxide, nitrogen monoxide, hydrogen and optionally inert.
  • Gas (I) should advantageously contain up to 15% by volume, preferably 3 to 15% by volume, in particular 7 to 15% by volume, of dinitrogen monoxide.
  • Gas (I) should advantageously contain up to 20% by volume, preferably 0 to 15% by volume, in particular 5 to 15% by volume, of nitrogen monoxide.
  • Gas (I) should advantageously contain up to 90% by volume, preferably 50 to 85% by volume, in particular 50 to 75% by volume, of hydrogen.
  • inert is understood to mean chemical components other than nitrous oxide, nitrogen monoxide and hydrogen. Inerts in total can advantageously be used in amounts of up to 20% by volume, preferably 7 to 20% by volume, in particular 13 to 20% by volume. Come as Inerts
  • organic, in particular inorganic chemical components which are present in gaseous form under the conditions of the process according to the invention, in particular nitrogen.
  • inert organic, in particular inorganic chemical components which under the conditions of the inventive method
  • gaseous and liquid form such as vapors from liquids, in particular water vapor, which can generally be present in gas (I) in amounts up to their saturation vapor pressure which corresponds to the process conditions.
  • Such gases (I) are obtained, for example, in the production of hydroxylammonium salts by catalytic reduction of nitrogen monoxide with hydrogen.
  • the reaction can be carried out at from 30 to 60 ° C. using strong mineral acids, in particular
  • the activity and selectivity of the catalyst can be adjusted by treating the catalyst with organic or inorganic compounds, in particular sulfur-containing compounds.
  • a gas (I) which contains 45 50 to 75% by volume hydrogen, 5 to 15% by volume nitrogen monoxide, 3 to 15% by volume dinitrogen monoxide and 13 to 20% by volume inert, in particular nitrogen and water vapor , contains.
  • the gas obtained in such processes consists of 50 to 75% by volume of hydrogen, 5 to 15% by volume of nitrogen monoxide, 3 to 15% by volume of nitrous oxide, 13 to 20% by volume of inerts, in particular nitrogen and Water vapor, as well as impurities of these compounds which are customary technically per se.
  • gas (I) contains too much water vapor
  • a reduction, preferably removal of the water vapor is advantageous before using the method according to the invention.
  • Such a reduction or removal can be carried out by methods known per se, for example by adsorption, such as pressure or temperature swing adsorption, or membrane separation.
  • gas (I) contains too little water vapor, then humidification can advantageously be considered, as can be done by methods known per se.
  • a gas (I) is separated by means of a semipermeable membrane into a per eat (II) containing a higher volume fraction of nitrous oxide than gas (I) and a retentate (III) containing a lower volume fraction of nitrous oxide than gas (I).
  • Suitable semipermeable membranes are those which contain essentially organic or inorganic materials, such as organic polymers, preferably polyimides, cellulosic materials or polyphenylene oxide, such as ceramic materials, preferably composite membranes with a separating layer made of zeolite or amorphous silicon dioxide or aluminum oxide, or like carbon molecular sieve membranes.
  • organic or inorganic materials such as organic polymers, preferably polyimides, cellulosic materials or polyphenylene oxide, such as ceramic materials, preferably composite membranes with a separating layer made of zeolite or amorphous silicon dioxide or aluminum oxide, or like carbon molecular sieve membranes.
  • the average average pore size in the case of the inorganic materials should advantageously be in the range from 0.4 to 2 n.
  • the membrane can be constructed symmetrically, preferably asymmetrically.
  • the membrane can have an integral or composite structure.
  • the membrane can advantageously be in the form of a tube or capillary module.
  • the outside diameter of the individual tube or the individual capillary should preferably be 0.35 to 40 mm.
  • the separating layer of the membrane can be inside or outside.
  • the membrane is in the form of a spiral winding module, flat membranes i being rolled up in a manner known per se to form a cylindrical body.
  • the process according to the invention can advantageously be carried out at temperatures in the range from 0 to 100 ° C., preferably 20 to 70 ° C.
  • pressures in the range from 0.1 to 10 MPa, preferably 1 to 5 MPa are advantageous.
  • Pressures in the range from 1 to 200 kPa, preferably 5 to 150 kPa, in particular 20 to 150 kPa, can advantageously be set on the permeate side of the membrane.
  • the ratio of the pressure on the retentate side of the membrane to the pressure on the permeate side of the membrane should advantageously be in the range from 2 to 100, preferably 5 to 80, in particular 8 to 1550.
  • the retentates (III) obtainable by the process according to the invention have a lower volume fraction of nitrous oxide, advantageously a fraction of nitrous oxide in the range from 0 to 10% by volume, preferably 2 to 7% by volume, in particular 2 to 5% by volume.
  • the process according to the invention can be carried out in one or more stages, such as 2, 3 or 4. Under several levels
  • 25 is understood to mean the use of the retentate obtained in one stage in the preceding stage and the permeate as feedstock in the subsequent stage, the respective permeate being advantageously compressed to the pressure in the range described above before being fed into the subsequent stage. 0 den can.
  • the application of the method according to the invention to gas (I) in a first stage is advantageous, while obtaining a permeate and a retentate, and application of the method according to the invention to the permeate as a starting material in a second stage.
  • the retentate obtained in the second stage can advantageously be returned to the first stage by admixing it with the gas (I) used there; the permeate can advantageously be removed as a nitrous oxide-rich fraction.
  • Such a membrane column is preferably composed of n stages of the process according to the invention together with 5 n in the range from 2 to 10, preferably 2, 3 or 4.
  • Gas (I) of stage m is added (with m less than or equal to n).
  • the permeate from stage m after compression to a pressure in the range described above, in each case fed to stage m + 1, with the exception of the nth stage, from which the permeate as a nitrous oxide-rich fraction is removed.
  • the retentate from stage m is fed to the stage (m-1) before the respective stage.
  • the retentate (III) obtained in one or more stages from the process according to the invention can advantageously be used for the preparation of hydroxylamine or its salts by catalytic reaction of nitrogen monoxide with hydrogen.
  • the retentate (III) can be used unchanged or after admixing other chemical components, in particular nitrogen monoxide and hydrogen, or preferably the reduction, in particular removal, of components of retentate (III), in particular a reduction, preferably removal of the nitrogen.
  • a reduction or removal can be carried out by methods known per se, for example by adsorption, such as pressure or temperature swing adsorption, or membrane separation.
  • the nitrous oxide contained in permeate (II) can be decomposed in a manner known per se, such as catalytically or thermally, or in applications known per se, if appropriate after prior treatment, for example by the process according to the invention.

Abstract

Verfahren zur Abtrennung von Distickstoffmonoxid aus Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid enthaltenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid enthaltenden Gas (I) mittels einer semipermeablen Membran in ein Permeat (II) enthaltend einen höheren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid als Gas (I) und ein Retentat (III) enthaltend einen geringeren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid als Gas (I) auftrennt.

Description

Verfahren zur Abtrennung von Distickstoffmonoxid aus Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid enthaltenden Gasen
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Abtrennung von Distickstoffmonoxid aus Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid enthaltenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid enthaltenden Gas (I) mittels einer semipermeablen Membran in ein Permeat (II) enthaltend einen höheren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid als Gas(I) und ein Retentat (III) enthaltend einen geringeren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid als Gas (I) auftrennt.
Bei der Herstellung von Hydroxylammoniumsalzen durch katalytische Hydrierung von Stickstoffmonoxid mit Wasserstoff entsteht als Nebenprodukt u.a. Distickstoffmonoxid. Da der ümstz nicht quantita- tiv ist, erhält man somit Abgase, die Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid und Inerte enthalten. Solche Gasgemische sind insbesondere unter erhöhtem Druck zündfähig, vor allem bei Gehalten an Distickstoffmonoxid von mehr als 10 Vol-%. Da die Abgase jedoch wertvolle Ausgangsstoffe enthalten, besteht Bedarf, diese wieder zu verwenden.
Aus EP-A-0113023 ist ein Verfahren zur Entfernung von Distickstoffmonoxid aus Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid enthaltenden Gasen durch behandeln der Gase mit Molekularsieben bekannt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß das Absorptionsbett nicht kontinuierlich genutzt werden kann. Zudem sollte man zweckmäßigerweise das Gas vor der Behandlung trocknen und außerdem das Absorptionsbett vor der Desorption mit Stickstoff spülen, um die Bildung explosiver Gasgemische zu ver- meiden.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, daß die Abtrennung von Distickstoffmonoxid aus Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid ent- haltenden Gasen auf technisch einfache und wirtschaftliche Weise unter Vermeidung der genannten Nachteile ermöglicht.
Demgemäß wurde das eingangs definierte Verfahren gefunden.
Das zu behandelnde Gas (I) enthält Distickstoffmonoxid, Stickstoffmonoxid, Wasserstoff und gegebenenfalls Inerte. Vorteilhaft sollte Gas (I) bis zu 15 Vol.%, vorzugsweise 3 bis 15 Vol-%, insbesondere 7 bis 15 Vol-% Distickstoffmonoxid enthalten.
Vorteilhaft sollte Gas (I) bis zu 20 Vol.%, vorzugsweise 0 bis 15 5 Vol-%, insbesondere 5 bis 15 Vol-% Stickstoffmonoxid enthalten.
Vorteilhaft sollte Gas (I) bis zu 90 Vol.%, vorzugsweise 50 bis 85 Vol-%, insbesondere 50 bis 75 Vol-% Wasserstoff enthalten.
10 Als Inerte werden im Sinne der vorliegenden Erfindung andere chemische Komponenten als Distickstoffmonoxid, Stickstoffmonoxid und Wasserstoff verstanden. Inerte können in Summe vorteilhaft in Mengen von bis zu 20 Vol-%, vorzugsweise 7 bis 20 Vol-%, insbesondere 13 bis 20 Vol-% eingesetzt werden. Als Inerte kommen
15 organische, insbesondere anorganische chemische Komponenten, die unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens gasförmig vorliegen, insbesondere Stickstoff, in Betracht. Ebenso kommen als Inerte organische , insbesondere anorganische chemische Komponenten, die unter den Bedingungen des erfindungsgemäßen Verfah-
20 rens an sich gasförmig und flüssig vorliegen können, wie Dämpfe von Flüssigkeiten, insbesondere Wasserdampf, in Betracht, wobei diese in der Regel in Gas (I) in Mengen bis zu ihrem den Verfahrensbedingungen entsprechenden Sättigungsdampfdruck vorliegen können.
25
Solche Gase (I) erhält man beispielsweise bei der Herstellung von Hydroxylammoniumsalzen durch katalytische Reduktion von Stickstoffmonoxid mit Wasserstoff, Die Umsetzung kann man bei 30 bis ' 60°C unter Mitverwendung von starken Mineralsäuren, insbesondere
30 Schwefelsäure oder Phosphorsäure, gegebenenfalls unter Zusatz von Salzen, insbesondere Ämmoniumsalzen, solcher Säuren, durchführen. In der Regel geht man von 4 bis 6 normalen wäßrigen Säuren aus. Als Katalysatoren kann man suspendierte Edelmetallkatalysatoren, insbesondere Platin-Träger-Katalysatoren verwenden, wobei sich
35 als Träger insbesondere Graphit als vorteilhaft erwiesen hat. Die Aktivität und Selektivität des Katalysators kann durch die Behandlung des Katalysators mit organischen oder anorganischen Verbindungen, insbesondere schwefelhaltigen Verbindungen, eingestellt werden.
40
Solche Verfahren sind an sich bekannt, beispielsweise aus DE-C-11 77 118.
Bei solchen Verfahren erhält man üblicherweise ein Gas (I) , das 45 50 bis 75 Vol-% Wasserstoff, 5 bis 15 Vol-% Stickstoffmonoxid, 3 bis 15 Vol-% Distickstoffmonoxid und 13 bis 20 Vol-% Inerte, insbesondere Stickstoff und Wasserdampf, enthält. Vorteilhaft be- steht das bei solchen Verfahren erhaltene Gas zu 50 bis 75 Vol-% aus Wasserstoff, zu 5 bis 15 Vol-% aus Stickstoffmonoxid, zu 3 bis 15 Vol-% aus Distickstoffmonoxid, zu 13 bis 20 Vol-% aus Inerten, insbesondere Stickstoff und Wasserdampf, sowie technisch an sich üblichen Verunreinigungen dieser Verbindungen.
Sollte Gas (I) zuviel Wasserdampf enthalten, so kommt vorteilhaft vor der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Reduzierung, vorzugsweise Entfernung des Wasserdampfes in Betracht. Eine solche Reduzierung oder Entfernung kann nach an sich bekannten Verfahren, beispielsweise durch Adsorption, wie Druck- oder Temperaturwechseladsorption, oder Membrantrennung, erfolgen.
Sollte Gas (I) zu wenig Wasserdampf enthalten, so kommt vorteil - haft eine Befeuchtung in Betracht, wie sie nach an sich bekannten Methoden erfolgen kann.
Erfindungsgemäß trennt man ein Gas (I) mittels einer semipermeablen Membran in ein Per eat (II) enthaltend einen höheren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid als Gas(I) und ein Retentat (III) enthaltend einen geringeren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid als Gas (I) auf.
Als semipermeable Membran kommen solche in Betracht, die im we- sentlichen organische oder anorganische Materialien enthalten, wie organische Polymere, vorzugsweise Polyimide, cellulosische Materialien oder Polyphenylenoxid, wie keramische Materialien, vorzugsweise Komposit-Membranen mit Trennschicht aus Zeolith oder amorphem Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid, oder wie Kohlenstoff- Molekularsiebmembranen. Die mittlere durchschnittliche Porengröße im Falle der anorganischen Materialen sollte vorteilhaft im Bereich von 0,4 bis 2 n betragen.
Die Membran kann symmetrisch, vorzugsweise asymmetrisch aufgebaut sein. Die Membran kann einen Integral- oder Komposit-Aufbau aufweisen.
Die Membran kann vorteilhaft als Rohr- oder Kapillarmodul vorliegen. Der Außendurchmesser des Einzelrohres oder der Einzelkapil- lare sollte dabei vorzugsweise 0,35 bis 40 mm liegen.
Die Trennschicht der Membran kann dabei innen oder außen liegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform liegt die Membran als Spiralwickelmodul vor, wobei flache Membranen i an sich bekannter Weise zu einem zylindrischen Körper aufgerollt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann man vorteilhaft bei Temperaturen im Bereich von 0 bis 100°C, vorzugsweise 20 bis 70°C durchführen.
5 Auf der Retentatseite der Membran kommen vorteilhaft Drücke im Bereich von 0,1 bis 10 MPa, vorzugsweise 1 bis 5 MPa in Betracht.
Auf der Permeatseite der Membran kann man vorteilhaft Drücke im Bereich von 1 bis 200 kPa, vorzugsweise 5 bis 150 kPa, ins- 10 besondere 20 bis 150 kPa einstellen.
Das Verhältnis des Drucks auf der Retentatseite der Membran zu dem Druck auf der Permeatseite der Membran sollte vorteilhaft im Bereich von 2 bis 100, vorzugsweise 5 bis 80, insbesondere 8 bis 15 50 liegen.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen Retentate (III) weisen einen geringeren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid auf, vorteilhaft einen Anteil an Distickstoffmonoxid im 20 Bereich von 0 bis 10 Vol-%, vorzugsweise 2 bis 7 Vol-%, insbesondere 2 bis 5 Vol-%.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer oder mehreren Stufen, wie 2, 3 oder 4, durchgeführt werden. Unter mehreren Stufen
25 wird dabei der Einsatz des in einer Stufe erhaltenen Retentats in der jeweils vorhergehenden und des Permeats als Einsatzstoff in der jeweils nachfolgenden Stufe verstanden, wobei das jeweilige Permeat vor der Ξinspeisung in die nachfolgende Stufe vorteilhaf auf den Druck in dem oben beschriebenen Bereich komprimiert wer- 0 den kann.
So kommt vorteilhaft die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf Gas (I) in einer ersten Stufe unter Erhalt eines Permeats und eines Retentats und Anwendung des erfindungsgemäßen 5 Verfahrens auf das Permeat als Einsatzstoff in eine zweite Stufe in Betracht. Das in der zweiten Stufe erhaltene Retentat kann vorteilhaft mit in die erste Stufe durch Beimischen zu dem dort eingesetzten Gas (I) zurückgeführt werden, das Permeat kann vorteilhaft als Distickstoff onoxid-reiche Fraktion entnommen er- 0 den.
Es kommt vorteilhaft die Anwendung einer sogenannten Membrankolonne in Betracht. Eine solche Membrankolonne setzt sich vorzugsweise aus n Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens zusammen mit 5 n im Bereich von 2 bis 10, vorzugsweise 2, 3 oder 4. Hierbei führt man Gas (I) der Stufe m zu (mit m kleiner oder gleich n) . Das Permeat aus Stufe m iwrd, nach Verdichtung auf einen Druck in dem oben beschriebenen Bereich, jeweils Stufe m+1 zugeführt, mit Ausnahme der n-ten Stufe, aus der das Permeat als Distickstoff o- noxid-reiche Fraktion entnommen wird. Das Retentat aus einer Stufe m, mit Ausnahme der ersten Stufe, führt man der vor der je- weiligen Stufe liegenden Stufe (m-1) zu.
Das aus dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer oder mehreren Stufen erhaltene Retentat (III) kann man vorteilhaft zur Herstellung von Hydroxylamin oder dessen Salze durch katalytische Umset- zung von Stickstoffmonoxid mit Wasserstoff verwenden. Dazu kann das Retentat (III) unverändert oder nach Beimischung weiterer chemischer Bestandteile, insbesondere Stickstoffmonoxid und Wasserstoff, oder vorzugsweise der Reduzierung, insbesondere Entfernung, von Bestandteilen von Retentat (III) , insbesondere einer Reduzierung, vorzugsweise Entfernung des Stickstoffs, eingesetzt werden. Eine solche Reduzierung oder Entfernung kann nach an sich bekannten Verfahren, beispielsweise durch Adsorption, wie Druckoder Temperaturwechseladsorption, oder Membrantrennung, erfolgen.
Das in Permeat (II) enthaltene Distickstoffmonoxid kann in an sich bekannter Weise, wie katalytisch oder thermisch, zersetzt oder an sich bekannten Anwendungen, gegebenenfalls nach vorheriger Behandlung, beispielsweise nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, zugeführt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Abtrennung von Distickstoffmonoxid aus Wasser-
5 Stoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid enthaltenden Gasen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Wasserstoff, Stickstoffmonoxid und Distickstoffmonoxid enthaltenden Gas (I) mittels einer semipermeablen Membran in ein Permeat (II) enthaltend einen höheren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid 10. als Gas(I) und ein Retentat (III) enthaltend einen geringeren Volumenanteil an Distickstoffmonoxid als Gas (I) auftrennt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis des Drucks auf der Retentatseite der Membran zu dem Druck auf der
15 Permeatseite der Membran im Bereich von 2 bis 100 liegt.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei man auf der Retentatseite der Membran einen Druck im Bereich von 0,1 bis 10 MPa anwendet.
20
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei man auf der Permeatseite der Membran einen Druck im Bereich von 1 bis 200 kPa anwendet.
5 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei der Gehalt an Distickstoffmonoxid in Gas (I) bis zu 15 Vol-% liegt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Gehalt an Distickstoffmonoxid in Retentat (III) bis zu 10 Vol-% beträgt. 0
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei man die Abtrennung des Distickstoffmonoxids bei eine Temperaturen im Bereich von 0 bis 100°C durchführt.
5 8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei man eine Membran enthaltend im wesentlichen eines oder mehrere der Materialien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus organisches Polymer, keramische Materialien und Kohelnstoff-Molekularsiebmembran einsetzt. 0
9 . Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 8, wobei die mittlere durchschnittliche Porengröße der Membran im Falle von anorganischen Materialien im Bereich von 0,4 bis 2 n beträgt.
5
10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, wobei man als Gas (I) das Abgas der katalytischen Reduktion von Stickstoffmonoxid mit Wasserstoff zu Hydroxylamin oder einem oder mehreren von dessen Salzen verwendet.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, wobei man Retentat
(III) zur Herstellung von Hydroxylamin oder einem oder mehreren von dessen Salzen durch katalytische Umsetzung von Stickstoffmonoxid mit Wasserstoff verwendet.
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