DE729475C - Verfahren zur Gaszerlegung unter Anwendung eines Hilfsstoffkreislaufes - Google Patents

Description

• Verfahren zur Gaszerlegung unter Anwendung eines Hilfsstoffkreislaufes Bei der Zerlegung von Gasgemischen, z. B. solchen mit hohem Gehalt an Wasserstoff in der Größenordnung von. z. B. 50°(0, welcher in großer Reinheit gewonnen werden soll, ist es bekannt, mit Hilfe eines Stoffes, welcher an der Gaszerlegung selbst nicht beteiligt ist, die für die Gaszerlegung erforderliche Kälte oder wenigstens einen erheblichen Anteil derselben zu decken. Als Hilfsstoff kommt z. B. Stickstoff in Frage. Der Stickstoff wird zu diesem Zweck auf hohen Druck, z. B. -2oo at, komprimiert, in Gegenströmern abgekühlt und in einem Drosselventil entspannt, wobei der Vorgang zweckmäßig so geleitet wird, daß eine Verflüssigung oder wenigstens eine Teilverflüssigung des Stickstoffes eintritt. Der bei der Entspannung anfallende Dampf wird z. B. dem Hochdruckstickstoff entgegengeführt, wobei er seine Kälte an den Hochdruckstickstoff abgibt. Der verflüssigte Anteil wird z. B. in ein Verdampfungsgefäß übergeleitet, wo er unter Atmosphärendruck siedet und die für die Abtrennung der restlichen Beimengungen vom Wasserstoff erforderliche Verflüssigungskälte hergibt. Darüber hinaus ist es bekannt, den größeren Teil des Hochdruckstickstoffes, nachdem er im Gegenströmer auf tiefe Temperatur abgekühlt ist, auf einen Zwischendruck; z. B. 5o at, zu entspannen und die so gewonnene Kälte in demselben Gegenströmer wieder auf den Hochdruckstickstoff zu übertragen. Dieses Verfahren ist deswegen besonders günstig, weil der Energieaufwand für die Kompression des Mitteldruckstickstoffes auf Hochdruck erheblich kleiner ist als für die Kompression von entspanntem Stickstoff auf Hochdruck, die Kälteleistung bei der Entspannung aber nicht in dem gleichen Maße abnimmt, so daß also die je kcal Kälte aufzuwendende Kompressionsarbeit bei der Entspannung von Hoch- auf Mitteldruck wesentlich kleiner ist als bei der Entspannung auf Atmosphärendruck.
• Die Erfindung besteht darin, daß nur ein kleiner Teil des Mitteldruckstickstoffes in an sich bekannter Weise zur Kühlung des Hochdruckstlckstoffes dient, während der andere Teil im Wärmeaustausch dem Rohgas entgegengeführt und hierbei seine Kälte zur Kondensation der hochsiedenden Bestandteile des Rohgases verwendet wird, worauf die Verdampfungskälte dieser Bestandteile im Wärmeaustausch auf den eintretenden Hochdruckstickstoff übertragen wird. Wie bei den bekannten Anlagen werden sodann auch hier der Mitteldruckstickstoff und der Niederdruckstickstoff nach Anwärmen wieder den entsprechenden Stufen der Verdichtungsanlage zugeführt und auf Hochdruck verdichtet.
• Nach dem Stande der Technik (siehe »Zeitschrift für die gesamte Kälteindustrie« 1925, Seite 97) müßte angenommen werden, daß eine Erhöhung der Mitteldruckstickstoffmenge über den durch die Wärmekapazität der Hochdruckmenge bestimmten Wert ohne Kälteverluste nicht möglich ist. Dadurch, daß die durch den zusätzlichen Mitteldruckstickstoff besonders wirtschaftlich dargebotene Kälte zur fraktionierten Kondensation des Rohgases verwendet wird, läßt sich die Mitteldruckstickstoffmenge überraschenderweise doch noch um einen erheblichen Betrag vermehren, für den eine entsprechende Menge Hochdruckstickstoff nicht auf Atmosphärendruck entspannt zu werden braucht. Auf diese Weise wird die Kondensationskälte wesentlich billiger erzeugt als bisher. ° Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung Abb. i erläutert Im Gegenströmer i wird das Rohgas, das unter einem Druck von z. B. 17 at steht, im Wärmeaustausch mit den Zerlegungsprodukten, das sind z. B. Wasserstoff und Restgas, bis zur Verflüssigung der Äthylenfraktion abgekühlt. In dem gleichen Gegenströmer strömt dem Rohgas kalter Stickstoff von So at entgegen, welcher die für die Kondensation der Äthylenfraktion erforderliche Kälte auf das Rohgas überträgt.
• In dem Abscheider 3 wird das Kondensat vom Gas getrennt. Im Gegenströmer 2 wird Hochdruckstickstoff von Zoo at durch entgegenströmenden Stickstoff von 5o at und durch auf Atmosphärendruck oder Unterdruck entspannten Stickstoff abgekühlt. In diesem Gegenströmer wird außerdem die flüssige Äthylenfraktion aus dem Abscheider 3, welche durch das Ventil .1 abreguliert wird, verdampft und angewärmt, wobei die Äthylenfraktion ihre Kälte ebenfalls auf den eintretenden Hochdruckstickstoff überträgt. Der kalte Hochdruckstickstoff wird nach Verlassen des Gegenströmers 2 im Drosselventil 6 auf 5o at entspannt. Ein Teil dieses auf Mitteldruck entspannten Stickstoffes wird, wie bereits gesagt, im Gegenströmer #', dem Hochdruckstickstoff entgegengeschickt, ein weiterer Teil des auf Mitteldruck entspannten Stickstoffes wird in an sich bekannter Weise über den Gegenströmer g und nach Entspannung auf Atmosphärendruck im Venti17 dem Trenn er io zugeführt, indem ein Teil des entspannten Stickstoffes in der Spirale ii in Wärmeaustausch mit dem Rohgas tritt. Ein verflüssigter Anteil des entspannten Stickstoffes wird über das Regulierventil 8 in den Verdampfer 12 geleitet, «-o er unter vermindertem Druck von z. B. o,1 ata siedet und seine Kälte für die weitere Abtrennung der Restgase von dem Wasserstoff abgibt. Der entspannte Stickstoff verläßt den Trenner io durch die Leitungen 13 und 1.1 über die Gegenströmer g und 2. Der restliche llitteldruckstickstoff wird durch Leitung 15 dem Gegenströmer i zugeführt, wo er also erfindungsgemäß die Kondensation der Äthvlenfraktion herbeiführt. Der dampfförmiger Teil des Rohgases tritt aus dem Abscheider 3 über den Gegenströmer 5 durch Leitung 16 in den Trenner io ein, aus welchem der gewonnene Wasserstoff durch Leitung 17 und das Restgas durch Leitung 18 über die Gegenströmer 5 und i austreten, um sodann den weiteren Verwendungszwecken zugeführt zu werden.
• Der aus dem Gegenströmer ? austretende Stickstoff von o,i ata wird durch eine nicht gezeichnete Vakuumpumpe auf Atmosphärendruck verdichtet und vereinigt sich mit dem ebenfalls aus Gegenströmer -a austretenden Stickstoff von i ata und wird sodann einem Kompressor zugeführt, um von neuem auf Zoo at verdichtet zu werden. Der aus den Gegenströmern i und 2 austretende Stickstoff von 5o at wird einer Mitteldruckstufe des gleichen Kompressors zugeführt und ebenfalls auf Zoo at verdichtet. Der Stickstoffkreislauf wird auf diese Weise geschlossen. Die den Gegenströmer 2 verlassende Äthylenfraktion steht unter einem Druck von z. B. i,o bis 1,5 ata, unter dem sie einem weiteren Zerlegungsprozeß zugeführt «-erden kann.
• Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird also die Äthylenfraktion unter besonders geringem Energieaufwand im Gegenströmer i verflüssigt, weil hierfür nur die Kompression des Hilfsstoffes von Mitteldruck auf Hochdruck erforderlich ist. Ferner wird die bei der Wiederverdampfung der verflüssigten Fraktion im Gegenströmer 2 frei werdende Kälte praktisch restlos wiedergewonnen, was bei. den früheren Verfahren auf erhebliche Schwierigkeiten stieß, und zwar wird dies erreicht durch die Vergrößerung der Menge des besonders günstigen Mitteldruckstickstoffkreislaufes (mit den beiden Ästen, die auf Gegenströmer i und 2 verteilt sind) bei gleichzeitiger Verringerung der auf Atmosphärendruck zu entspannenden Stickstoffmenge, deren Wiederverdichtung auf Hochdruck einen größeren Energieaufwand bei gleicher Kälteleistung erfordert. Die erfindungsgemäße Wirkung beruht darauf, daß der zu erwärmende Mitteldruckstickstoff seine Kälte teils auf das Rohgas zur Verflüssigung der Äthylenfraktion und nur zu einem kleinen Teil auf den Hochdruckstickstoff überträgt. Auf diese Weise. wird die Verflüssigungskälte, für die Äthylenfraktion auf das Rohgas nicht durch entspannten Stickstoff mit geringer spezifischer Wärme übertragen, sondern durch den Hochdruckstickstoff hoher spezifischer Wärme bei der Verdampfung derÄthylenfraktion zunächst aufgenommen und sodann nach der Entspannung auf Mitteldruck auf das Rohgas übertragen. Dies hat tatsächlich zur Wirkung, daß die Menge des Stickstoffes, der aus dem entspannten Zustand auf Hochdruck verdichtet werden muß, erheblich kleiner wird. Zwar wird die Stickstoffmenge, die vom Mitteldruck auf Hochdruck zu verdichten ist, etwas größer, jedoch ergibt sich insgesamt eine Energieersparnis in der Größenordnung von io% des gesamten für die Wasserstofferzeugung erforderlichen Energiebedarfes.
• Die Erfindung kann in ähnlicher Weise auch beider ZerlegungvonSynthesegasen oder anderen Gasgemischen angewendet werden, bei denen in größerer Menge anfallende höher siedende Fraktionen vor der endgültigen Gaszerlegung ausgeschieden werden sollen.
• Es ist nach dem gleichen Verfahren auch möglich, mehrere Fraktionen getrennt auszuscheiden, z. B. durch entsprechende Unterteilung des Gegenstromers i und Einschaltung weiterer Abscheider. .
• Ein weiteres Beispiel eines Anwendungsfalles der Erfindung zeigt Abb. 2. Aus dem Rohgas soll unter Anwendung eines Stickstoffkreislaufes ein kohlenoxydfreies Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch gewonnen werden. Der Wärmeaustausch erfolgt wiederum in den Gegenstromern 1, 2, 5 und g. Die Äthylenfraktion wird ebenfalls in dem Abscheider 3 gewonnen und durch Ventil q. abreguliert, um ihre Kälte darauf im Gegenstromer 2 auf den eintretenden Hochdruckstickstoff zu übertragen. Das restliche Rohgas tritt durch Leitung 16 über den Gegenstromer 5 in die Säule ig, in der ein CH4 haltiges Restgas ausgeschieden wird, welches durch Leitung 18 über die Gegenstromer 5 und i geführt wird. Die weitere Zerlegung des am oberen Ende der Säule ig abziehenden Gasgemisches erfolgt in der Säule 2o, welcher am oberen Ende das kohlenoxydfreie Wasserstoff-Stickstoff-Gemisch entnommen wird, während am unteren Ende ein kohlenoxydhaltiges Stickstoff-Restgas-Gemisch abzieht, das über die Gegenstromer g und 2 geleitet wird.
• Der eintretende Hochdruckstickstoff wird im Ventil 6 auf Mitteldruck entspannt. Ein Teil des Mitteldruckstickstoffes wird dem Hochdruckstickstoff im Gegenstromer 2 entgegengeführt, ein weiterer Teil des Mitteldruckstickstoffes wird über Leitung 15 zum Gegenstromer i geführt, wo er zur Verflüssigung der Äthylenfraktion dient. Der restliche Teil des Mitteldruckstickstoffes wird nach Durchströmen des Gegenstromers g abermals in die Äste 22 und 23 aufgeteilt. Im Ast 22 wird im Ventil 24 Mitteldruckstickstoff auf Atmosphärendruckentspannt und dient zur Kühlung der Säule ig durch den Kondensator 21. Der weiterhin noch verbleibende Mitteldruckstickstoff des Astes 23, der im Gegenstromer g verflüssigt würde, wird im Ventil 25 auf den Zerlegungsdruck der Säule 2o, z. B. x2 atü, entspannt, um Kohlenoxyd und andere Restgase im Gegenstrom aus dem Wasserstoff auszuwaschen, wobei ein Teil des Stickstoffes im Wasserstoff, der Rest in dem CO-haltigen Restgas verbleibt.
• Bei diesem Verfahren wird also ständig ein Teil des Stickstoffkreislaufes in der Säule "2o verbraucht. Eine gleiche Menge muß dem Kreislauf ständig vor dem nicht gezeichneten Kompressor wieder ersetzt werden. Die Vorteile des Mitteldruckstickstoffkreislaufes werden dadurch nicht beeinträchtigt.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur Zerlegung von Gasgemischen durch Tiefkühlung, insbesondere von Koksofengas oder Synthesegas, aus welchen neben einem Hauptprodukt mit tiefliegendem Siedepunkt, z. B. Wasserstoff, eine oder mehrere Fraktionen mit hochliegenden Siedetemperaturen, z. B. Kohlenwasserstoffe mit zwei oder mehr Kohlenstoffatomen, getrennt ausgeschieden werden, wobei zur Deckung des Kältebedarfes und zur Übertragung der bei Wiederverdampfung verflüssigter Gasbestandteile erzielbaren Kälte ein gasförmiger, niedrigsiedender Hilfsstoff, vorzugsweise Stickstoff, verwendet wird, welcher auf Hochdruck (z. B. Zoo at) verdichtet wird und von dem anschließend nur ein verhältnismäßig kleiner Teil in der Zerlegungsanlage auf Atmosphärendruck oder Unterdruck entspannt wird, während der größere Teil des kalten Hochdruckstickstoffes auf Mitteldruck, z. B. io bis 7o at, vorzugsweise auf rund 5o at entspannt wird und teils zur Kühlung des Hochdruckstickstoffes dient, dadurch -gekennzeichnet, daß der andere Teil des Mitteldruckstickstoffes im Wärmeaustausch dem Rohgas entgegengeführt und hierbei seine Kälte zur Kondensation der hochsiedenden Bestandteile des Rohgases verwendet wird, worauf die Verdampfungskälte dieser Bestandteile im Wärmeaustausch auf den eintretenden Uochdruckstickstoff übertragen wird; dabei werden der unter Mitteldruck stehende Stickstoff und der Niederdruckstickstoff nach erfolgter Anwärmung in an sich bekannter Weise wieder auf Hochdruck verdichtet.
2. 2. Verfahren nach Anspruch Z, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Mitteldruckstickstoffes auf etwa Atmosphärendruck. entspannt und in Wärmeaustausch mit dem zu zerlegenden Gasgemisch gebracht wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der bei der Entspannung eines Teiles des Mitteldruckstickstoffes auf etwa Atmosphärendruck erhaltene flüssige Anteil unter Unterdruck zur Erreichung sehr tiefer Zerlegungstemperaturen verdampft wird. Verfahren nach Anspruch z bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des 'Mitteldruckstickstoffes in eine Waschsäule auf den Druck dieser Säule entspannt, als''4aschflüssigkeit dem aufsteigenden Gasstrom in der Waschsäule entgegengeführt wird und sodann zusammen mit den Zerlegungsprodukten den Zerlegungsapparat verläßt.