WO2018072888A1 - Verfahren und vorrichtung zur kryogenen zerlegung von synthesegas - Google Patents

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WO2018072888A1
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retentate
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Daniel Garthe
Christian EBERL
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Linde Aktiengesellschaft
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    • F25J2270/90—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration
    • F25J2270/904—External refrigeration, e.g. conventional closed-loop mechanical refrigeration unit using Freon or NH3, unspecified external refrigeration by liquid or gaseous cryogen in an open loop

Definitions

  • the invention relates to a process for the production of pure hydrogen and a carbon monoxide product from a predominantly hydrogen and carbon monoxide containing feed gas, which is partially condensed by cooling to a first carbon monoxide rich, hydrogen-containing liquid phase and a first hydrogen-rich, carbon monoxide-containing gas phase to win over a membrane is decomposed into pure hydrogen and a carbon monoxide-rich, hydrogen-containing retentate, from which hydrogen is subsequently separated by means of an H 2 separation column also used to decompose the first carbon monoxide-rich, liquid phase containing hydrogen.
  • the invention relates to a device for carrying out the
  • condensation processes Methods of the generic type have been known to the person skilled in the art for many years as so-called condensation processes. They are preferably used for the decomposition of synthesis gases which are present at a high pressure and at the same time have a high carbon monoxide and a low methane content.
  • Carbon monoxide existing synthesis gas which usually also contains nitrogen, argon and / or methane as impurities, fed as feed gas into a cryogenic, arranged in a thermally insulated cold box part of the plant.
  • a cryogenic, arranged in a thermally insulated cold box part of the plant fed as feed gas into a cryogenic, arranged in a thermally insulated cold box part of the plant.
  • Liquid phase in which hydrogen and other substances are still dissolved is subsequently passed from the separator in an H 2 separation column to strip hydrogen.
  • a portion of the liquid phase is warmed and fed to the H 2 separation column as an intermediate feed, while the remainder is fed at the top of the column as reflux to back-wash carbon monoxide from the hydrogen-rich, rising in the column gas phase.
  • a portion of the carbon monoxide still passes into the hydrogen-rich, withdrawn from the top of the column flash gas that is released after being heated against cooling process streams for further use at the plant boundary and for the
  • Condensation process represents a leakage current for carbon monoxide and hydrogen.
  • the bottom product obtained in the H 2 separation column is further treated by rectification in a CO / CH 4 and / or CO / N 2 column, in which case heat can be fed to the columns via a reboiler.
  • the hydrogen-rich, carbon monoxide-containing gas phase from the separator has a purity of only about 90 mol% and therefore can not be discharged directly as pure hydrogen, for which a purity of more than 98 mol% is required.
  • a purity of more than 98 mol% is required.
  • Condensation process for example, extended by a membrane unit arranged outside the cold box, in which the hydrogen-rich, carbon monoxide-containing gas phase from the separator to be cooled after being heated against
  • Process streams into pure hydrogen and a carbon monoxide-rich, hydrogen-containing retentate is decomposed.
  • the retentate is subsequently returned to the cold box where it is cooled and introduced gaseously to remove hydrogen in the middle part of the H 2 separation column in order to convert carbon monoxide from the retentate into the carbon monoxide product.
  • the retentate frequently has a significantly higher hydrogen concentration.
  • This and the gaseous state of the retentate complicate the separation task of the H 2 separation column considerably and require an increased column reflux, which can not always be supplied in sufficient quantity from the separator.
  • too low a reflux will inevitably result in an increase in carbon monoxide losses in the flash gas withdrawn from the top of the H 2 separation column.
  • the desired by the process control increase in the carbon monoxide yield of the condensation process is therefore not or only slightly achieved.
  • the object of the present invention is therefore to provide a method of the type described above and a device for its implementation, by which the described disadvantages of the prior art are overcome.
  • the stated object is achieved according to the method according to the invention in that the retentate is partially condensed by cooling to a second
  • Liquid phase to a much lower concentration of hydrogen, which is preferably not higher than that of the circulating in the H 2 separation column streams. Compared to the prior art, therefore, significantly less hydrogen enters the H 2 separation column. Furthermore, since the introduction of the liquid phase does not increase the gas load of the H 2 - separation column, u. U. alone from the first carbon monoxide-rich, hydrogen-containing liquid phase a column reflux are branched off in an amount sufficient to limit the carbon monoxide losses in the deducted from the top of the H 2 - separation column hydrogen fraction and the
  • the entire second carbon monoxide-rich, hydrogen-containing liquid phase of the H 2 separation column is expediently fed in as an intermediate feed. If the column return can not be branched off in sufficient quantity from the first carbon monoxide-rich, liquid phase containing hydrogen, a preferred embodiment of the method according to the invention provides at least part of the second carbon monoxide-rich liquid phase containing hydrogen as the column reflux to the top of the H 2 separation column and only to use the remaining part as intermediate feed.
  • the second hydrogen-rich, carbon monoxide-containing gas phase can be subjected to further treatment steps. Preferably, however, it is added to the withdrawn from the top of the H 2 separation column hydrogen fraction and transferred to the flash gas. If the process is operated with a CO / CH 4 column, it is also possible to use the second hydrogen-rich, carbon monoxide-containing
  • the retentate is preferably conducted parallel to the feed gas and cooled against the same process streams as this and partially condensed. Cooling in a different way but should not be excluded.
  • the retentate can be used for heating a CO / CH 4 or CO / N 2 column used in the process and thereby partially condensed.
  • the retentate present after cooling as a two-phase material flow is passed into a separator, from which the second carbon monoxide-rich, hydrogen-containing liquid phase and the second hydrogen-rich, carbon monoxide-containing gas phase are withdrawn.
  • the invention relates to a device for recovering pure hydrogen and a carbon monoxide product from a predominantly hydrogen and
  • Carbon monoxide containing feed gas comprising at least one
  • Main heat exchanger for cooling and partial condensation of the feed gas, a first separator for separating the available during the cooling of the feed gas two-phase mixture in a first carbon monoxide rich,
  • Carbon monoxide-containing gas phase a membrane unit in which the first hydrogen-rich, carbon monoxide-containing gas phase in pure hydrogen and a carbon monoxide-rich, hydrogen-containing retentate can be dismantled, and an H 2 - Separation column for the separation of hydrogen from both the first carbon monoxide-rich, hydrogen-containing liquid phase and from the retentate.
  • the object is achieved device-side according to the invention that they at least one heat exchanger for cooling and partial condensation of the retentate and a second separator for separating the obtainable in the cooling of the retentate two-phase mixture in a second
  • connection of the second separator to the H 2 separation column can be designed such that the entire liquid phase of the H 2 separation column obtainable in the second separator can be applied as an intermediate feed or as a column reflux.
  • the second separator is preferably connected to a line, via which a hydrogen fraction can be withdrawn from the top of the H 2 separation column, so that the second hydrogen-rich fraction obtained in the second separator,
  • the second separator may also be connected to a line leaving the column sump, so that the gas phase from the separator is miscible with the methane-containing bottom product of the CO / CH 4 column, which is usually after Heating is used as fuel gas.
  • the device according to the invention preferably comprises a first and a second main heat exchanger, which can be flowed through in series by the feed gas for partial condensation. It makes sense to have the two
  • Main heat exchanger designed so that they are also useful for the partial condensation of the retentate.
  • Main heat exchanger designed so that they are also useful for the partial condensation of the retentate.
  • one of the main heat exchanger can be connected to a reboiler associated with one of the columns, whereby the retentate can be cooled in the one main heat exchanger and partially condensed in the reboiler.
  • FIG. 1 shows a gas separation according to the invention, in the cryogenic part of which two columns are used to separate hydrogen and methane from carbon monoxide.
  • a predominantly consisting of hydrogen and carbon monoxide and methane-containing feed gas 1 is introduced to the cryogenic decomposition in the thermally insulated cold box CB and there in the first E1 and second
  • Main heat exchanger E2 cooled against process streams to be heated, wherein the condensation of components, a two-phase mixture 2 is formed, which is separated in a first separator D1 in a first carbon monoxide-rich, hydrogen-containing liquid and a first hydrogen-rich, carbon monoxide-containing gas phase.
  • the gas phase is via line 3 from the first
  • the liquid phase 6 from the separator D1 is introduced into the H 2 separation column T1 in order to separate off hydrogen.
  • it is split into two partial streams, of which the first 7 is expanded as reflux to the top of the H 2 separation column T1, while the second partial stream 8 after a relaxation and a partial evaporation in the second main heat exchanger E2 the middle part of the H 2 separation column T1 as an intermediate heating is given up. Further heat is supplied to the H2 separating column T1 via the circulating heater 9 integrated in the heat exchanger E2.
  • the retentate 5 is also cooled parallel to Eisatzgas 1 in the main heat exchangers E1 and E2 against process streams to be heated and in another reacted two-phase mixture 10, which is separated in a second separator D2 in a second carbon monoxide-rich, hydrogen-containing liquid and a second hydrogen-rich, carbon monoxide-containing gas phase.
  • Liquid phase 1 1 from the second separator D2 is supplied to the stream 7 and thus passes to the separation of hydrogen in the H 2 separation column T1, where it increases the amount of reflux.
  • the gas phase 12 from the second separator D2 is added to the hydrogen-rich overhead fraction 13 from the H 2 separation column T1 and released together with this after heating in the reboiler E3 and the main heat exchanger E1 as flash gas 14 at the plant boundary.
  • the resulting in the H 2 -Tennkolonne T1 largely hydrogen-free, consisting of carbon monoxide and methane sump fraction 15 is released and the fed via the reboiler E3 and the stream 16 heated CO / CH 4 -Trennkolonne T2 as an intermediate feed.
  • the peak cooling required for the process is obtained via a refrigeration cycle driven by the cycle compressor V, which is designed with three stages C1, C2 and C3, in which carbon monoxide circulates as refrigerant.
  • Carbon monoxide 17 leaves the third compressor stage C3 at a pressure typically between 8 and 20 bar (a), is subsequently cooled in the first main heat exchanger E1 and condensed in the reboiler E3.
  • a first part 18 of the liquid carbon monoxide 19 is conducted as reflux to the top of the CO / CH 4 separation column T2, while the second part 20 is expanded by splitting cold into two streams 21 and 22 via the throttle bodies a and b.
  • the two-phase, formed during the expansion streams 23 and 24 are completely evaporated in the second main heat exchanger E2, further warmed in the first main heat exchanger E1 and then returned via the suction sides of the compressor stages C1 and C2 in the cycle compressor V.
  • the top product 30 of the CO / CH 4 separation column T2 has the
  • a methane-rich, carbon monoxide-containing liquid phase 32 collects, which can be discharged as fuel gas 33 after evaporation and heating in the main heat exchangers E2 and E1.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Gewinnung von Reinwasserstoff (4) sowie eines Kohlenmonoxidprodukts (31) aus einem vorwiegend Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweisenden Einsatzgas (1), das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine erste kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase (6) und eine erste wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase (3) zu gewinnen, die über eine Membran (M) in Reinwasserstoff (4) und ein kohlenmonoxidreiches, Wasserstoff enthaltendes Retentat (5) zerlegt wird, von dem nachfolgend Wasserstoff mit Hilfe einer auch zur Zerlegung der ersten kohlenmonoxidreichen, Wasserstoff enthaltenden Flüssigphase (6) eingesetzten H2-Trennkolonne (T1) abgetrennt wird. Kennzeichnend hierbei ist, dass das Retentat (5) durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine zweite kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase (11) und eine zweite Wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase (12) zu erhalten, von denen lediglich die Flüssigphase (11) zur Abtrennung von Wasserstoff in die H2-Trennkolonne (T1) eingeleitet wird.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zur krvoqenen Zerlegung von Svnthesegas
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Gewinnung von Reinwasserstoff sowie eines Kohlenmonoxidprodukts aus einem vorwiegend Wasserstoff und Kohlenmonoxid aufweisenden Einsatzgas, das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine erste kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase und eine erste wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase zu gewinnen, die über eine Membran in Reinwasserstoff und ein kohlenmonoxidreiches, Wasserstoff enthaltendes Retentat zerlegt wird, von dem nachfolgend Wasserstoff mit Hilfe einer auch zur Zerlegung der ersten kohlenmonoxidreichen, Wasserstoff enthaltenden Flüssigphase eingesetzten H2-Trennkolonne abgetrennt wird.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Verfahren der gattungsgemäßen Art sind dem Fachmann seit vielen Jahren als sog. Kondensationsprozesse bekannt. Sie werden vorzugsweise zur Zerlegung von Synthesegasen eingesetzt, die mit einem hohen Druck vorliegen und gleichzeitig einen hohen Kohlenmonoxid- und einen niedrigen Methangehalt aufweisen.
Nach Abtrennung von Stoffen wie Wasser und Kohlenmonoxid, die bei den im
Kondensationsprozess auftretenden tiefen Temperaturen ausfrieren und zu Blockaden führen können, wird das weitgehend aus den Wertstoffen Wasserstoff und
Kohlenmonoxid bestehende Synthesegas, das daneben gewöhnlich auch Stickstoff, Argon und/oder Methan als Verunreinigungen enthält, als Einsatzgas in einen kryogenen, in einer wärmeisolierten Cold Box angeordneten Anlagenteil geführt. Hier wird es in indirektem Wärmetausch gegen anzuwärmende Verfahrensströme so weit abgekühlt, dass es zu einer partiellen Kondensation kommt, bei der sich eine kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase und eine
wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase bilden, die anschließend in einem Abscheider voneinander getrennt werden. Die kohlenmonoxidreiche
Flüssigphase, in der noch Wasserstoff und andere Stoffe gelöst sind, wird nachfolgend aus dem Abscheider in eine H2-Trennkolonne geleitet, um Wasserstoff abzustrippen. Hierzu wird ein Teil der Flüssigphase angewärmt und der H2-Trennkolonne als Zwischeneinspeisung zugeführt, während der Rest am Kolonnenkopf als Rücklauf aufgegeben wird, um Kohlenmonoxid aus der wasserstoffreichen, in der Kolonne nach oben steigenden Gasphase zurückzuwaschen. Ein Teil des Kohlenmonoxids gelangt jedoch trotzdem in das wasserstoffreiche, vom Kopf der Kolonne abgezogene Flash- Gas, das nach Anwärmung gegen abzukühlende Verfahrensströme zur weiteren Verwendung an der Anlagengrenze abgegeben wird und für den
Kondensationsprozess einen Verluststrom für Kohlenmonoxid und Wasserstoff darstellt.
Je nach dem Gehalt an Verunreinigungen im Einsatzgas sowie der geforderten Reinheit des Kohlenmonoxidprodukts kann es erforderlich sein, Methan und/oder Stickstoff ebenfalls gezielt abzutrennen. Hierzu wird das in der H2-Trennkolonne erhaltene Sumpfprodukt in einer CO/CH4- und/oder einer CO/N2-Kolonne durch Rektifikation weiterbehandelt, wobei den Kolonnen jeweils über einen Reboiler Wärme zugeführt werden kann.
Abhängig von Druck und Zusammensetzung des Einsatzgases ist es auf diese Weise nur möglich, Kohlenmonoxid mit einer Ausbeute zwischen 60 und 90% zu gewinnen. Darüber hinaus weist die Wasserstoff reiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase aus dem Abscheider eine Reinheit von lediglich ca. 90 mol-% auf und kann daher nicht direkt als Reinwasserstoff, für den eine Reinheit von mehr als 98 mol-% gefordert wird, abgegeben werden. Um ein Kohlenmonoxidprodukt mit höherer Ausbeute zu gewinnen sowie
Reinwasserstoff zu erzeugen, wird nach dem Stand der Technik der
Kondensationsprozess beispielsweise um eine außerhalb der Cold Box angeordnete Membraneinheit erweitert, in der die wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase aus dem Abscheider nach Anwärmung gegen abzukühlende
Verfahrensströme in Reinwasserstoff und ein kohlenmonoxidreiches, Wasserstoff enthaltendes Retentat zerlegt wird. Das Retentat wird nachfolgend in die Cold Box zurückgeführt, dort abgekühlt und zur Abtrennung von Wasserstoff gasförmig in den mittleren Teil der H2-Trennkolonne eingeleitet, um Kohlenmonoxid aus dem Retentat in das Kohlenmonoxidprodukt zu überführen. Gegenüber den anderen in der H2-Trennkolonne zirkulierenden Stoffströmen weist das Retentat häufig eine deutlich höhere Wasserstoffkonzentration auf. Dies und der gasförmige Zustand des Retentats erschweren die Trennaufgabe der H2-Trennkolonne erheblich und erfordern einen erhöhten Kolonnenrücklauf, der nicht immer in ausreichender Menge aus dem Abscheider zugeführt werden kann. Ein zu geringer Rücklauf hat jedoch unweigerlich eine Erhöhung der Kohlenmonoxidverluste in das vom Kopf der H2-Trennkolonne abgezogene Flash-Gas zur Folge. Die durch die Verfahrensführung angestrebte Vergrößerung der Kohlenmonoxidausbeute des Kondensationsprozesses wird daher nicht oder nur in geringem Maß erreicht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art sowie eine Vorrichtung zu dessen Durchführung anzugeben, durch die die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik überwunden werden. Die gestellte Aufgabe wird verfahrensseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Retentat durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine zweite
kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase und eine zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase zu erhalten, von denen lediglich die Flüssigphase zur Abtrennung von Wasserstoff in die H2-Trennkolonne eingeleitet wird.
Gegenüber dem Retentat weist die erfindungsgemäß aus ihm abgetrennte
Flüssigphase eine wesentlich geringere Wasserstoffkonzentration auf, die bevorzugt nicht höher ist als diejenige der in der H2-Trennkolonne zirkulierenden Stoffströme. Im Vergleich zum Stand der Technik gelangt daher deutlich weniger Wasserstoff in die H2- Trennkolonne. Da weiterhin die Einleitung der Flüssigphase die Gasbelastung der H2- Trennkolonne nicht erhöht, kann u. U. alleine aus der ersten kohlenmonoxidreichen, Wasserstoff enthaltenden Flüssigphase ein Kolonnenrücklauf in einer Menge abgezweigt werden, die ausreicht, die Kohlenmonoxidverluste in die vom Kopf der H2- Trennkolonne abgezogene Wasserstofffraktion zu begrenzen und die
Kohlenmonoxidausbeute des Kondensationsprozesses deutlich zu erhöhen. In diesem Fall wird sinnvollerweise die gesamte zweite kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase der H2-Trennkolonne als Zwischeneinspeisung aufgegeben. Kann der Kolonnenrücklauf nicht in ausreichender Menge aus der ersten kohlenmonoxidreichen, Wasserstoff enthaltenden Flüssigphase abgezweigt werden, so sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, zumindest einen Teil der zweiten kohlenmonoxidreichen, Wasserstoff enthaltenden Flüssigphase als Kolonnenrücklauf zum Kopf der H2-Trennkolonne zu führen und nur den restlichen Teil als Zwischeneinspeisung zu nutzen.
Um zumindest einen der in ihr enthaltenen Wertstoffe ebenfalls als Produkt zu gewinnen, kann die zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase weiteren Behandlungsschritten unterzogen werden. Vorzugsweise wird sie jedoch der vom Kopf der H2-Trennkolonne abgezogenen Wasserstofffraktion zugemischt und in das Flash-Gas überführt. Falls der Prozess mit einer CO/CH4-Kolonne betrieben wird, ist es auch möglich, die zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende
Gasphase dem methanreichen Sumpfprodukt der CO/CH4-Kolonne zuzumischen, die nach Anwärmung als Brenngas genutzt wird.
Das Retentat wird vorzugsweise parallel zum Einsatzgas geführt und gegen dieselben Verfahrensströme wie dieses abgekühlt und partiell kondensiert. Eine Abkühlung auf andere Art soll aber nicht ausgeschlossen sein. Beispielsweise kann das Retentat zur Beheizung einer im Prozess eingesetzten CO/CH4- oder CO/N2-Kolonne verwendet und dabei partiell kondensiert werden. Das nach der Abkühlung als zweiphasiger Stoffstrom vorliegende Retentat wird in einen Abscheider geleitet, aus dem die zweite kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase und die zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltene Gasphase abgezogen werden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Gewinnung von Reinwasserstoff sowie eines Kohlenmonoxidprodukts aus einem vorwiegend Wasserstoff und
Kohlenmonoxid aufweisenden Einsatzgas, umfassend zumindest einen
Hauptwärmetauscher zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Einsatzgases, einen ersten Abscheider zur Trennung des bei der Abkühlung des Einsatzgases erhältlichen zweiphasigen Stoffgemisches in eine erste kohlenmonoxidreiche,
Wasserstoff enthaltende Flüssigphase und eine erste wasserstoffreiche,
Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase, eine Membraneinheit, in der die erste wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase in Reinwasserstoff und ein kohlenmonoxidreiches, Wasserstoff enthaltendes Retentat zerlegbar ist, sowie eine H2- Trennkolonne zur Abtrennung von Wasserstoff sowohl aus der ersten kohlenmonoxidreichen, Wasserstoff enthaltenden Flüssigphase als auch aus dem Retentat. Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass sie wenigstens einen Wärmetauscher zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Retentats sowie einen zweiten Abscheider zur Trennung des bei der Abkühlung des Retentats erhältlichen zweiphasigen Stoffgemisches in eine zweite
kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase und eine zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase umfasst, wobei der zweite Abscheider derart mit der H2-Trennkolonne verbunden ist, dass dieser die zweite Flüssigphase zur Abtrennung von Wasserstoff zugeführt werden kann.
Die Verbindung des zweiten Abscheiders mit der H2-Trennkolonne kann derart ausgestaltetet sein, dass die gesamte, im zweiten Abscheider erhältliche Flüssigphase der H2-Trennkolonne als Zwischeneinspeisung oder als Kolonnenrücklauf aufgebbar ist. Möglich ist aber auch eine Verbindung, über die ein Teil der Flüssigphase der H2- Trennkolonne als Zwischeneinspeisung und der Rest als Kolonnenrücklauf zugeführt werden kann.
Weiterhin ist der zweite Abscheider vorzugsweise mit einer Leitung verbunden, über die eine Wasserstofffraktion vom Kopf der H2-Trennkolonne abgezogen werden kann, so dass die im zweiten Abscheider anfallende zweite wasserstoffreiche,
Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase mit der Wasserstofffraktion vereinigt und als Flash-Gas weiterführbar ist. Wenn die Vorrichtung eine CO/CH4-Kolonne umfasst, kann der zweite Abscheider auch mit einer vom Kolonnensumpf abgehenden Leitung verbunden sein, so dass die Gasphase aus dem Abscheider mit dem methanhaltigen Sumpfprodukt der CO/CH4-Kolonne mischbar ist, das gewöhnlich nach Anwärmung als Brenngas genutzt wird.
Die erfindungsgemäße Einrichtung umfasst vorzugsweise einen ersten und einen zweiten Hauptwärmetauscher, die von dem Einsatzgas zur partiellen Kondensation seriell durchströmt werden können. Sinnvollerweise sind die beiden
Hauptwärmetauscher so ausgeführt, dass sie auch zur partiellen Kondensation des Retentats nutzbar sind. Sind auch eine CO/CH4- und/oder eine CO/N2-Kolonne Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, kann auch einer der Hauptwärmetauscher mit einem einer der Kolonnen zugeordneten Reboilern verbunden sein, wodurch das Retentat in dem einen Hauptwärmetauscher abgekühlt und im Reboiler partiell kondensiert werden kann.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.
Die Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Gaszerlegung, in deren kryogenem Teil zwei Kolonnen eingesetzt werden, um Wasserstoff und Methan von Kohlenmonoxid zu trennen.
Über Leitung 1 wird ein vorwiegend aus Wasserstoff und Kohlenmonoxid bestehendes und Methan enthaltendes Einsatzgas 1 zur kryogenen Zerlegung in die thermisch isolierte Cold Box CB eingeleitet und dort im ersten E1 und zweiten
Hauptwärmetauscher E2 gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt, wobei durch die Kondensation von Komponenten ein zweiphasiges Stoffgemisch 2 entsteht, das in einem ersten Abscheider D1 in eine erste kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssig- und eine erste wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase getrennt wird. Die Gasphase wird über Leitung 3 aus dem ersten
Abscheider D1 abgezogen und nach Anwärmung in den Hauptwärmetauschern E2 und E1 der außerhalb der Cold Box CB angeordneten Membraneinheit M zugeführt, in der sie in das Produkt Reinwasserstoff 4 sowie ein kohlenmonoxidreiches, Wasserstoff enthaltendes Retentat 5 getrennt wird. Die Flüssigphase 6 aus dem Abscheider D1 wird dagegen zur Abtrennung von Wasserstoff in die H2-Trennkolonne T1 eingeleitet. Hierzu wird sie in zwei Teilströme gesplittet, von denen der erste 7 als Rücklauf auf den Kopf der H2-Trennkolonne T1 entspannt wird, während der zweite Teilstrom 8 nach einer Entspannung und einer Teilverdampfung im zweiten Hauptwärmetauscher E2 dem Mittelteil der H2-Trennkolonne T1 als Zwischenheizung aufgegeben wird. Weitere Wärme wird der H2-Trennkolonne T1 über den im Wärmetauscher E2 integrierten Umlauferhitzer 9 zugeführt.
Um auch das in ihm enthaltene Kohlenmonoxid als Produkt gewinnen zu können, wird das Retentat 5 parallel zum Eisatzgas 1 in den Hauptwärmetauschern E1 und E2 ebenfalls gegen anzuwärmende Verfahrensströme abgekühlt und in ein weiteres zweiphasiges Stoffgemisch 10 umgesetzt, das in einem zweiten Abscheider D2 in eine zweite kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssig- und eine zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase getrennt wird. Die
Flüssigphase 1 1 aus dem zweiten Abscheider D2 wird dem Strom 7 zugeführt und gelangt so zur Abtrennung von Wasserstoff in die H2-Trennkolonne T1 , wo sie die Menge des Rücklaufs erhöht. Die Gasphase 12 aus dem zweiten Abscheider D2 wird der wasserstoffreichen Kopffraktion 13 aus der H2-Trennkolonne T1 zugemischt und gemeinsam mit dieser nach Anwärmung im Reboiler E3 und dem Hauptwärmetauscher E1 als Flash-Gas 14 an der Anlagengrenze abgegeben. Die in der H2-Tennkolonne T1 anfallende, weitgehend wasserstofffreie, aus Kohlenmonoxid und Methan bestehende Sumpffraktion 15 wird entspannt und der über den Reboiler E3 und den Stoffstrom 16 beheizten CO/CH4-Trennkolonne T2 als Zwischeneinspeisung aufgegeben.
Die für den Prozess benötigte Spitzenkälte wird über einen durch den mit drei Stufen C1 , C2 und C3 ausgeführten Kreislaufverdichter V angetriebenen Kältekreislauf erhalten, in dem Kohlenmonoxid als Kältemittel zirkuliert. Kohlenmonoxid 17 verlässt die dritte Verdichterstufe C3 mit einem Druck, der typischerweise zwischen 8 und 20bar(a) liegt, wird nachfolgend im ersten Hauptwärmetauscher E1 abgekühlt und im Reboiler E3 kondensiert. Ein erster Teil 18 des flüssigen Kohlenmonoxids 19 wird als Rücklauf zum Kopf der CO/CH4-Trennkolonne T2 geführt, während der zweite Teil 20 nach Aufteilung in zwei Stoffströme 21 und 22 über die Drosselorgane a und b kälteleistend entspannt wird. Die zweiphasigen, bei der Entspannung entstehenden Stoffströme 23 und 24 werden im zweiten Hauptwärmetauscher E2 vollständig verdampft, im ersten Hauptwärmetauscher E1 weiter angewärmt und danach über die Saugseiten der Verdichterstufen C1 und C2 in den Kreislaufverdichter V zurückgeführt.
Das Kopfprodukt 30 der CO/CH4-Trennkolonne T2 weist die für ein
Kohlenmonoxidprodukt geforderte Reinheit auf und wird nach Anwärmung in Reboiler E3 und dem ersten Hauptwärmetauscher E1 der dritten Verdichterstufe C3 zugeführt, die sie gemeinsam mit dem als Kältemittel eingesetzten Kohlenmonoxid verlässt. Nicht als Kältemittel benötigtes Kohlenmonoxid 31 wird als Kohlenmonoxidprodukt abgegeben. Im Sumpfraum der CO/CH4-Trennkolonne T2 sammelt sich eine methanreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Flüssigphase 32, die nach Verdampfung und Anwärmung in den Hauptwärmetauschern E2 und E1 als Brenngas 33 abgegeben werden kann. Zur vollständigen Deckung des Kältebedarfs kann es nötig sein, dem Prozess Flüssigstickstoff 34 zuzuführen, der nach Verdampfung und Anwärmung in den Hauptwärmetauschern E2 und E1 gasförmig aus der Cold Box CB abgezogen und verworfen wird.

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Gewinnung von Reinwasserstoff (4) sowie eines
Kohlenmonoxidprodukts (31 ) aus einem vorwiegend Wasserstoff und
Kohlenmonoxid aufweisenden Einsatzgas (1 ), das dabei durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine erste kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase (6) und eine erste wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase (3) zu gewinnen, die über eine Membran (M) in Reinwasserstoff (4) und ein kohlenmonoxidreiches, Wasserstoff enthaltendes Retentat (5) zerlegt wird, von dem nachfolgend Wasserstoff mit Hilfe einer auch zur Zerlegung der ersten kohlenmonoxidreichen, Wasserstoff enthaltenden Flüssigphase (6) eingesetzten H2-Trennkolonne (T1 ) abgetrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Retentat (5) durch Abkühlung partiell kondensiert wird, um eine zweite
kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase (1 1 ) und eine zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase (12) zu erhalten, von denen lediglich die Flüssigphase (1 1 ) zur Abtrennung von Wasserstoff in die H2- Trennolonne (T1 ) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zweite
kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase (1 1 ) der H2- Trennkolonne (T1 ) als Zwischeneinspeisung und/oder als Kolonnenrücklauf zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase (12) der Wasserstofffraktion (13) vom Kopf der H2-Trennkolonne (T1 ) oder dem
Sumpfprodukt (32) einer im Prozess eingesetzten CO/CH4-Kolonne (T2) zugemischt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Retentat (5) parallel zum Einsatzgas (1 ) geführt und gegen dieselben
Verfahrensströme wie dieses abgekühlt und partiell kondensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Retentat (5) zur Beheizung einer im Prozess eingesetzten CO/CH4- (T2) oder CO/N2-Kolonne verwendet und dabei partiell kondensiert wird.
6. Vorrichtung zur Gewinnung von Reinwasserstoff (4) sowie eines Kohlenmonoxidprodukts (31 ) aus einem vorwiegend Wasserstoff und
Kohlenmonoxid aufweisenden Einsatzgas (1 ), umfassend zumindest einen Hauptwärmetauscher (E2) zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Einsatzgases, einen ersten Abscheider (D1 ) zur Trennung des bei der Abkühlung des Einsatzgases (1 ) erhältlichen zweiphasigen Stoffgemisches (2) in eine erste kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase (6) und eine erste wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase (3), eine
Membraneinheit (M), in der die erste wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase (3) in Reinwasserstoff (4) und ein kohlenmonoxidreiches,
Wasserstoff enthaltendes Retentat (5) zerlegbar ist, sowie eine H2-Trennkolonne (T1 ) zur Abtrennung von Wasserstoff sowohl aus der ersten
kohlenmonoxidreichen, Wasserstoff enthaltenden Flüssigphase (6) als auch aus dem Retentat (5), dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens einen
Wärmetauscher (E2) zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Retentats sowie einen zweiten Abscheider (D2) zur Trennung des bei der Abkühlung des Retentats (5) erhältlichen zweiphasigen Stoffgemisches (10) in eine zweite kohlenmonoxidreiche, Wasserstoff enthaltende Flüssigphase (1 1 ) und eine zweite wasserstoffreiche, Kohlenmonoxid enthaltende Gasphase (12) umfasst, wobei der zweite Abscheider (D2) derart mit der H2-Trennkolonne (T1 ) verbunden ist, dass dieser die zweite Flüssigphase (1 1 ) zur Abtrennung von Wasserstoff zugeführt werden kann.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Abscheider (D2) mit der H2-Trennkolonne (T1 ) derart verbunden ist, dass die gesamte im zweiten Abscheider erhältliche Flüssigphase (1 1 ) der H2-Trennkolonne
(T1 ) als Zwischeneinspeisung und/oder als Kolonnenrücklauf aufgebbar ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite
Abscheider (D2) mit einer Leitung verbunden ist, über die eine Wasserstofffraktion (13) vom Kopf der H2-Trennkolonne (T1 ) oder ein Sumpfprodukt (32) aus einer CO/CH4-Kolonne (T2) abgezogen werden kann.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei seriell von dem Einsatzgas durchströmbare Hauptwärmetauscher (E1 , E2) umfasst, die auch zur Abkühlung und partiellen Kondensation des Retentats (5) genutzt werden können. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass e einer CO/CH4- (T2) oder einer CO/N2-Kolonne zugeordneter Reboiler (E3) dazu genutzt werden kann, um das Retentat (5) partiell zu kondensieren.
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