DE69009405T2

DE69009405T2 - Trennung von Gasgemischen.

Info

Publication number: DE69009405T2
Application number: DE69009405T
Authority: DE
Inventors: Michael Ernest Garrett
Original assignee: BOC Group Ltd
Current assignee: BOC Group Ltd
Priority date: 1989-03-22
Filing date: 1990-03-19
Publication date: 1994-09-15
Anticipated expiration: 2010-03-20
Also published as: GB8906594D0; DE69009405D1; EP0430304B1; EP0430304A3; EP0390392A2; EP0390392A3; EP0430304A2; ZA901924B; JPH02290219A

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Trennung von Gasmischungen, insbesondere Luft, welche mit Wasserdampf beladen sind.
Obwohl es im 19. Jahrhundert erkannt wurde, daß eine selektive Gastrennung als eine Folge von verschiedenen Permeationsgeschwindigkeiten der jeweiligen Komponenten der Mischung ausgeführt werden könnte, wurden geeignete Membranen mit adäquat hoher Permeabilität und adäquat hohen Trennungseffizienzen nicht vor den 1960iger Jahren verfügbar, um einer derartigen Gastrennung zu erlauben, in einem bedeutenden, kommerziellen Maßstab ausgeführt zu werden. Seit den 1960iger Jahren ist die Verwendung von Membranen, um Gasmischungen zu trennen, eine wohlbekannte Technik in der Herstellung von industriellen Gasen geworden. Anlagen für die Trennung von Gasmischungen durch Membrane sind so aufgebaut, um einen großen Oberflächenbereich der Membran der zu trennenden Gasmischung darzubieten. Zum Beispiel können derartige Anlagen eine Menge von identischen, länglichen hohlen Fasern verwenden, welche aus einer geeigneten semipermeablen Membran gebildet sind und welche sich parallel zueinander erstrecken. Die Fasern sind auf geeignete Weise in einem Druckgefäß angebracht. Die zu trennende Gasmischung wird in das Druckgefäß bei oder nahe einem Ende außerhalb der Fasern eingespeist. Sie strömt längs der Fasern. Die Innenseiten der Fasern werden auf einem Druck niedriger als jener gehalten, welcher sich auf der Außenseite von ihnen ergibt. Wenn die zu trennende Gasmischung aus zwei Komponenten besteht, tritt die schneller durchdringende Komponente mehr und mehr zu der Niederdruckseite durch. Demgemäß wird das Gas auf der Außenseite der Fasern (Hochdruckseite) reicher an der langsamer durchdringenden Komponente, da sie über die Außenseite der Fasern strömt und das Produkt gas, reich an der langsamer diffundierenden Komponente, kann bei Druck aus dem Ende des Druckgefäßes abgezogen werden, gegenüberliegend jenem, bei welchem das Beschikkungsgas eingeführt wird.
Derartige Membrananlagen sind nun kommerziell zur Trennung von Luft erhältlich. Membranen werden verwendet, welche relativ mehr permeabel für Sauerstoff sind, als sie für Stickstoff sind, so daß das Produktgas bei Druck an Stickstoff angereichert ist. Der Vorteil von bekannten Membranen zur Trennung von Luft ist, daß sie genauso wie relativ permeabel für Sauerstoff zu sein, sie auch fähig sind, Kohlendioxid und Wasserdampf aus der eintretenden Luft zu trennen. Nichtsdestotrotz wird es als wünschenswert in der Technik angesehen, Wasserdampf aus der ankommenden Luft zu entfernen. Für diesen Zweck wird ein Trockner in der Form einer Kühlanlage oder eines Kühlers verwendet, welcher typischerweise bei einem Grad oder zwei C über dein Gefrierpunkt arbeitet. Siehe den Artikel betitelt "Generon Air Separation in Systems-Membranes in Gas Separation and Enrichment", K. B. McReynolds, The Proceedings of the 4th BOC Priestley Conference, Royal Society of Chemistry Special Publication No 62, Seiten 342-350. (Generon ist ein eingetragenes Warenzeichen.) Die Verwendung eines derartigen Kühlers hat eine Anzahl von Nachteilen, von welchen der wichtigste ist, daß das Gas, das in das Gefäß eintritt, das die Membran enthält, nicht wirklich trokken ist, d.h. es hat einen Taupunkt von ungefähr 2ºC. Zusätzlich bezieht der Betrieb einer mechanischen Kühlanlage, um die notwendige Kühlung zu ergeben, extra Verbrauch von Energie ein und die Kühlanlage selbst ist auf mechanisches Versagen anfänglich. Bezug wird auch auf das Dokument EP-A-0 266 745 genommen, welches die Entfernung von Wasserdampf aus einem Luftstrom unter Verwendung eines vorläufigen Membrantrennungsgefäß lehrt. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welche eine verbesserte vorläufige Trennung von Wasserdampf aus einer ankommenden Gasmischung zur Trennung schafft.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren der Trennung einer Gasmischung geschaffen, die zumindest zwei Hauptkomponenten und Wasserdampf umfaßt, worin Wasserdampf durch vorläufige Membranen aus einem komprimierten Strom der Gasmischung getrennt wird und der resultierende wasserabgereicherte Strom dann durch weitere Membranen getrennt wird, die stromabwärts der vorläufigen Membranen angeordnet sind, um ein trockenes Permeatgas zu schaffen, das an einer Hauptkomponente angereichert ist, und einen unter Druck stehenden Produktstrom, der an der anderen Hauptkomponente angereichert ist, worin ein Strom des trockenen Permeatgases über die vorläufigen Membranen auf ihrer Permeatseite herübergeführt wird, um dadurch den Partialdruck von Wasserdampf auf der Permeatseite der vorläufigen Membranen zu erniedrigen und dadurch die Trennung des Wasserdampfs aus der unter Druck stehenden Gasmischung zu erleichtern.
Die Erfindung schafft auch eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens, das ein vorläufiges Membrantrennungsgefäß mit einem Einlaß für einen unter Druck stehenden Gasstrom umfaßt, der zumindest zwei Hauptkomponenten und Wasserdampf umfaßt, und die Membranen enthält, die dazu angepaßt sind, Wasserdampf aus der Gasmischung zu trennen, worin das vorläufige Membrangefäß einen Auslaß für die unter Druck stehende Gasmischung hat, die mit einem Einlaß zu einem Hauptmembrangastrennungsgefäß kommuniziert, das stromabwärts des vorläufigen Membrantrennungsgefäßes angeordnet ist und Membrane enthält, die dazu angepaßt sind, die Trennung wie zwischen zwei Hauptkomponenten der Gasmischung zu bewirken, worin das Hauptgefäß auf seiner Permeatseite einen Auslaß hat, welcher mit einem Einlaß auf der Permeatseite des vorläufigen Membrangefäßes kommuniziert, wobei es auch einen Auslaß für feuchtes Gas aus der Membranseite des vorläufigen Gefäßes gibt.
Das Verfahren gemäß der Erfindung nutzt die Tatsache, daß die Trennung, wie zwischen zwei Hauptkomponenten des getrockneten Gases ein Permeatgas mit einem noch geringeren Taupunkt als das getrocknete Gas erzeugt, mit der Folge, daß dieses Permeatgas mit Vorteil verwendet werden kann, um die Permeatseite der Membranen, die verwendet werden, um die ankommende Gasmischung zu trocknen, zu reinigen.
Das Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung sind insbesondere geeignet für die Verwendung in der Trennung von Luft. Membrane, die eine Trennung wie zwischen Stickstoff und Sauerstoff bewirken, sind in der Technik wohlbekannt.
Beispiele für geeignete Membrane zur Trocknung des ankommenden Gases sind in dem US-Patent Nr. 4 783 201 offenbart.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird nun beispielsweise mit Bezug auf die begleitende diagrammatische Zeichnung beschrieben, welche ein schematisches Leitungsdiagramm einer Lufttrennungsanlage ist.
Bezug nehmend auf die Figur der Zeichnung wird Luft in dem Kompressor 2 komprimiert und an einem Einlaß 4 des Gefäßes 6 gespeist, das die Membranen 8 enthält. Das Gefäß 6 hat einen zweiten Gaseinlaß 10 und zwei Ausläße 12 und 14. Die komprimierte Luft fließt durch das Gefäß 6 aus dem Einlaß 4 zu dem Einlaß 12. Ihr Weg durch das Gefäß 6 führt sie über eine Oberfläche von jeder der Membranen 8 in dem Gefäß 6. Die Membranen sind von einer Zusammensetzung und einem molekularen Aufbau, derart, daß Wasserdampf dadurch relativ rasch im Vergleich mit Sauerstoff und Stickstoff diffundiert oder durchdringt. Demgemäß wird die Luft an Wasserdampf abgereichert, während sie durch das Gefäß 6 zu dem Auslaß 12 strömt. Das Permeatgas, welches an Wasserdampf angereichert ist, strömt aus dem Gefäß 6 durch den Auslaß 14 bei einem Druck ein wenig über Atmosphärendruck. Die Trennung des Wasserdampfes aus der ankommenden Luft wird vereinfacht, indem es einen merkbaren Druckunterschied zwischen der Luftseite und der Permeatgasseite der Membranen gibt. Demgemäß wird daher die ankommende Luft vorzugsweise in dem Kompressor 2 zu einem Druck von zumindest 5 Bar und typischerweise zu einem Druck in dem Bereich von 8 bis 12 bar komprimiert.
Der unter Druck stehende Luftstrom, der nun an Wasserdampf abgereichert ist, strömt in ein Hauptmembrantrennungsgefäß 16, das stromabwärts des Gefäßes 6 angeordnet ist, und zwar durch einen Einlaß 18. Das Gefäß 16 enthält Membranen 20, welche von einer Zusammensetzung und einem molekularen Aufbau sind, um so Sauerstoff von Stickstoff vermöge der unterschiedlichen relativen Diffusionsraten dieser zwei Gase dort hindurch zutrennen. Das Gefäß 16 hat einen Auslaß 22 für Produktstickstoff und einen Auslaß 24 für Permeatgas. Die Membranen 20 sind in dem Gefäß 18 derart angeordnet, daß die ankommende Luft längs einer Seite von jeder Membran aus dem Einlaß 18 zu dem Auslaß 22 strömt. Sauerstoff diffundiert oder dringt schneller durch die Membranen 20 durch und so ist das Permeatgas an Sauerstoff angereichert, während das Produktgas, das den Auslaß 22 verläßt, an Stickstoff angereichert ist. Typischerweise kann Stickstoff, der weniger als 5 % an Volumen Sauerstoff enthält, gebildet werden. Das Permeatgas verläßt das Gefäß 16 durch den Auslaß 24 bei einem Druck gerade über atmosphärischem Druck. Der Druckabfall über die Membrane ist wirksam, um den Taupunkt des Permeatgases zu erniedrigen (im Vergleich zu jenem der Luft, die in das Gefäß 16 durch den Einlaß 18 eintritt).
Das trockene Permeatgas aus dem Gefäß 16 wird über eine Leitung 26 zu dem Einlaß 10 des Gefäßes 6 geführt und spült damit mit trockenem Gas die Permeaträume des Gefäßes 6. Demgemäß wird der Partialdruck des Wasserdampfes in den Permeaträumen des Gefäßes 6 reduziert und dies vereinfacht die Trennung des Wasserdampfes aus der ankommenden Luft in dem Membrantrennungsgefäß 6. Feuchtes Gas wird aus dem Gefäß 6 durch den Auslaß 14 entladen. Dieses Gas ist typischerweise Abfallgas, aber es ist an Sauerstoff angereichert und kann daher in irgendeinem Prozeß verwendet werden, in welchem feuchte, sauerstoffangereicherte Luft verwendet werden kann, z.B. in der Oxygenierung von Abwasser, um so seinen biologischen Sauerstoffbedarf zu verringern.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung können die hohlen Glieder in beiden, den Gefäßen 6 und 16, quer zu dem Strom von zu trennendem Gas angeordnet sein und dieses Gas in die röhrenförmigen Durchtritte innerhalb der Fasern eingelassen werden. Das Permeatgas aus dem Gefäß 16 wird über die Oberflächen der Membrane des Gefäßes 6 auf ihrer Permeatgasseite in Übereinstimmung mit der Erfindung geführt. In einem ähnlichen Ausführungsbeispiel der Erfindung gibt es gerade ein Gefäß mit querlaufenden Trocknungsmembranen, die stromaufwärts der querlaufenden Membranen angeordnet sind, die dazu ausgebildet sind, zwischen Sauerstoff und Stickstoff zu trennen. Permeatgas aus den stromabwärtigen Membranen wird aus dem Gefäß abgezogen und dann zu dem Gefäß auf der Permeatgasseite der stromaufwärtigen Membranen in Übereinstimmung mit der Erfindung zurückgeführt.

Claims

1. Ein Verfahren zur Trennung einer Gasmischung mit zumindest zwei Hauptkomponenten und Wasserdampf, wodurch Wasserdampf durch vorläufige Membranen (8) aus einem komprimierten Strom der Gasmischung getrennt wird und der resultierende, wasserabgereicherte Strom dann durch weitere Membranen (20) getrennt wird, die stromabwärts der vorläufigen Membranen angeordnet sind, um ein trockenes Permeatgas, das an einer Hauptkomponente angereichert ist, und einen unter Druck stehenden Produktstrom, der an der anderen Hauptkomponente angereichert ist, zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strom des trockenen Permeatgases über die vorläufigen Membranen (8) auf der Permeatseite geführt wird, um dadurch den Partialdruck von Wasserdampf auf der Permeatseite der vorläufigen Membranen (8) zu erniedrigen und dadurch die Trennung des Wasserdampfes aus der unter Druck stehenden Gasmischung zu vereinfachen.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorläufigen Membranen (8) und die weiteren Membranen (20) sich beide in der allgemeinen Richtung des Stromes der zu trennenden Gasmischung erstrecken.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vorläufigen Membranen (8) und die weiteren Membranen (20) sich beide quer zu dem Strom der zu trennenden Gasmischung erstrecken.

4. Ein Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Sätze von Membranen (8, 20) in dem gleichen Gefäß wie einander angeordnet sind.

5. Vorrichtung zur Trennung einer Gasmischung mit zumindest zwei Hauptkomponenten und Wasserdampf, die ein vorläufiges Membrantrennungsgefäß (6) mit einem Einlaß (4) für einen unter Druck stehenden Gasstrom umfaßt, der zumindest zwei Hauptkomponenten und Wasserdampf umfaßt, und Membranen (8) enthält, die dazu angepaßt sind, Wasserdampf aus der Gasmischung zu trennen, worin das vorläufige Membrangefäß (6) einen Auslaß (14) für feuchtes Gas auf der Membranseite und einen Auslaß (12) für die unter Druck stehende Gasmischung hat, die mit einem Einlaß (18) zu einem Hauptmembrangastrennungsgefäß (16) kommuniziert, das stromabwärts des vorläufigen Membrantrennungsgefäßes angeordnet ist und Membranen (20) enthält, die dazu angepaßt sind, die Trennung wie zwischen zwei Hauptkomponenten der Gasmischung zu bewirken, dadurch gekennzeichnet, daß das Hauptgefäß (16) auf seiner Permeatseite einen Auslaß (24) hat, welcher mit einem Einlaß auf der Permeatseite des vorläufigen Membrangefäßes (6) kommuniziert.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorläufigen Membranen und die weiteren Membranen sich beide in der Richtung erstrecken, die in der Verwendung die allgemeine Richtung des Stroms der zu trennenden Gasmischung ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorläufigen Membranen und die weiteren Membranen sich beide quer zu der Richtung erstrecken, die in der Verwendung die allgemeine Richtung des Stroms der zu trennenden Gasmischung ist.