DE10116330A1

DE10116330A1 - Trennsäule und Verfahren zur Kryotrennung von Gasgemischen

Info

Publication number: DE10116330A1
Application number: DE10116330A
Authority: DE
Inventors: Jean Gallarda; Francois Cam
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2000-04-07
Filing date: 2001-04-02
Publication date: 2001-10-11
Anticipated expiration: 2021-04-03
Also published as: FR2807504B1; GB2361052A; US20020011077A1; US6374634B2; GB0108487D0; GB2361052B; DE10116330B4; FR2807504A1

Abstract

Trennsäule zur Kryotrennung von Gasgemischen, mit einem zylindrischen Mantel (1), einer Einrichtung (2) zur Einleitung des Gasgemisches in die Trennsäule, wenigstens einer Trennstufe, die eine den gesamten Querschnitt der Trennsäule einnehmende aktive Zone (5, 15, 28, 29), eine Flüssigkeitsbarriere (20, 26, 27) und einen Wärmetauscher umfaßt, einer Einrichtung (38) zum Zuführen von verflüssigtem Waschgas am Kopf der Trennsäule, eine Einrichtung (39) zum Abziehen der leichtflüchtigsten Komponente des Gasgemisches am Kopf der Trennsäule und eine Einrichtung (6, 7) zum Abziehen mindestens einer weniger leicht flüchtigen, verflüssigten Komponente des Gasgemisches am Fuß der Trennsäule, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsbarriere (10, 26, 27) durch einen zylindrischen Behälter gebildet wird, der einen perforierten Boden (11) und eine Umfangswand aufweist, die mit dem Mantel (1) der Trennsäule einen Ringspalt (9) bildet, durch den das in der Trennsäule aufsteigende Gas hindurchströmen kann, und daß der Wärmetauscher gebildet wird durch ein innenseitig an der zylindrischen Wand (1) angebrachtes Innenfutter (30, 31), dessen unteres Ende sich in Höhe des oberen Randes der Flüssigkeitsbarriere (10, 26, 27) befindet und daß über Öffnungen (15, 18) mit dem Inneren der Trennsäule verbunden ist, so daß das Gas zwischen dem Innenfutter und dem Mantel hindurchströmen kann, während auskondensierende Flüssigkeit in die Flüssigkeitsbarriere zurückgeleitet wird, und durch einen ...

Description

Die Erfindung betrifft Trennsäulen zur Kryotrennung von Gasgemischen. Spezi eller befaßt sich die Erfindung mit Trennsäulen, in denen man Wasserstoff reini gen und dabei von CO und Methan trennen kann, die in einem Synthesegas ent halten sind.

Bei allen Drücken, die in der folgenden Beschreibung angegeben werden, han delt es sich um Absolutdrücke.

Eines der hauptsächlichen Verfahren zur Herstellung von Wasserstoff in indu striellem Maßstab ist das Reformieren oder Umsetzen eines leichten Kohlenwas serstoffes wie etwa Methan mit Wasserdampf. Man erhält ein Gemisch aus Was serstoff und CO, das Restanteile an Methan enthält und das anschließend nach verschiedenen Verfahren behandelt werden kann, um Wasserstoff im Reinzu stand zu extrahieren.

Bei einem dieser Verfahren wird das Synthesegas, das etwa 70% Wasserstoff, 25% CO und 5% Methan enthält, unter hohem Druck (in der Größenordnung von 1500-4500 kPa (15-45 bar)) in eine Kryotrennsäule eingeleitet, in der es mit Methan gewaschen wird. Das Synthesegas hat dann eine Temperatur von -180°C. Das CO und das Methan, die etwas gelösten Wasserstoff enthalten, sammeln sich im flüssigen Zustand im unteren Teil der Trennsäule und werden von dort abgezogen, während der Wasserstoff am Kopf der Trennsäule im gasför migen Zustand abgezogen wird. Das flüssige Gemisch aus CO, Methan und gelö stem Wasserstoff wird in einer zweiten Trennsäule unter mittlerem Druck (in der Größenordnung von 1000 kPa) gestrippt. Der Wasserstoff wird im gasförmigen Zustand am Kopf dieser Trennsäule abgezogen, und das flüssige Gemisch aus CO und Methan wird am Boden der Trennsäule abgezogen. Dieses Gemisch wird dann in eine Niederdruck-Trennsäule eingeleitet (Druck in der Größenordnung von 250 kPa). Das gasförmige CO wird am Kopf dieser Trennsäule abgezogen, und das flüssige Methan sammelt sich am Fuß der Trennsäule.

Das in der dritten Trennsäule abgeschiedene Methan wird im flüssigen Zustand zum Kopf der ersten Trennsäule gepumpt und dient dort als Waschflüssigkeit zum Reinigen des Wasserstoffs. Diese Operation ist desto wirksamer, je niedri ger die Temperatur ist, bei der sie ausgeführt wird. Man versucht deshalb, die Temperatur der ersten Trennsäule als Ganzes so nahe wie möglich bei -180°C zu halten. Dieser Grenzwert ist durch die Erstarrungstemperatur des Methans bestimmt, die -182,5°C beträgt. Da der Waschprozeß exotherm ist, muß zu die sem Zweck den in der Trennsäule zirkulierenden Materialien in unterschiedli chen Höhen Wärme entzogen werden. Hierzu verwendet man zweckmäßigerwei se flüssiges CO, das in einem Kühlzyklus erzeugt wird.

Einige Vorrichtungen, die gegenwärtig zu diesem Zweck eingesetzt werden, ar beiten nach dem folgenden Prinzip. Das Synthesegas aus Wasserstoff, CO und Methan wird mit einer Temperatur von -180°C in einer gegebenen Höhe in den unteren Teil der Trennsäule eingeleitet. Während es im Inneren der Trennsäule aufsteigt, durchquert es eine aktive Zone der Trennsäule, etwa eine erste Aus fütterung, wo es an CO verarmt und sich bis auf -175,4°C erwärmt. Das Gasge misch wird dann oberhalb dieser ersten Ausfütterung ein erstes Mal aus der Trennsäule extrahiert und in einer ersten Passage durch einen Plattenwärme tauscher geleitet, in dem seine Temperatur auf -180,9°C zurückgeführt wird. Danach wird das Gas oberhalb des ersten Extraktionspunktes wieder in die Trennsäule eingeleitet. Es setzt seinen Aufstieg in der Trennsäule fort und durchquert eine zweite Ausfütterung, wo es an CO verarmt wird und sich wieder auf -176,1°C erwärmt. Oberhalb dieser zweiten Ausfütterung wird das Gasge misch erneut aus der Trennsäule extrahiert und in einer zweiten Passage durch den Plattenwärmetauscher geleitet, wo es wieder auf -180,9°C gekühlt wird. Da nach wird es oberhalb seines zweiten Extraktionspunktes wieder in die Trenn säule eingeleitet. Es setzt seinen Aufstieg fort und durchquert eine dritte Ausfüt terung, wonach es erneut aus der Trennsäule extrahiert, in einer dritten Passa ge durch den Plattenwärmetauscher gekühlt und mit -180,9°C oberhalb des dritten Extraktionspunktes wieder in die Trennsäule eingeleitet wird. Bei seinem weiteren Aufstieg durchquert das Gas eine vierte und letzte Ausfütterung, ober halb derer das flüssige Methan als Waschflüssigkeit zugeführt wird. Das Wa schen des Wasserstoffs mit flüssigem Methan, das zur Kondensation von CO und seiner Mischung mit dem flüssigen Methan führt, bewirkt eine Erhöhung der Temperatur der aufsteigenden Gase, so daß die Gase nach jedem Durchgang durch eine aktive Zone, etwa eine Ausfütterung, abgezogen und gekühlt werden müssen. Am Kopf der Trennsäule sammelt sich von CO gereinigter Wasserstoff unter hohem Druck.

Zwischen den verschiedenen Ausfütterungen sind Flüssigkeitsbarrieren mit per foriertem Boden angeordnet, die den Zweck haben, die aus einer Ausfütterung abtropfende Flüssigkeit zu sammeln und auf die obere Oberfläche der nächsttie feren Ausfütterung zu verteilen. Zugleich ermöglichen es diese Flüssigkeitsbar rieren, die Druckverluste der vorgenannten Kühlkreisläufe zu kompensieren.

Die Anzahl der Ausfütterungen, die Anzahl der Stufen, in denen die Gase aus der Trennsäule abgezogen und gekühlt wieder eingeleitet werden und die Anzahl der Wärmetauscherpassagen sind nur als Beispiel zu verstehen. Sie können auch größer oder kleiner sein.

Eine optimale Funktion des Plattenwärmetauschers wird mit dem CO erreicht, das am Kopf der dritten Trennsäule gesammelt wird und das sich im flüssigen Zustand auf einer Temperatur von -182°C befindet und aufgrund des Wärme austausches mit den aus der ersten Trennsäule abgezogenen Gasen bei einem Druck von 260 kPa verdampft wird. Die Versorgung des Wärmetauschers mit flüssigem CO erfolgt mit Hilfe eines Thermosiphons, in den das aus der dritten Trennsäule stammende flüssige CO eingeleitet wird und in den das gasförmige CO nach seinem Durchgang durch den Wärmetauscher zurückgeleitet wird, be vor es daraus abgezogen wird.

Die erste Trennsäule, der Wärmetauscher und der Thermosiphon, die daran an gebaut sind, bilden zusammen eine komplexe und viel Platz beanspruchende Baugruppe. Insbesondere tragen die Rohrleitungen, die zum Überführen des Synthesegases aus der Trennsäule zum Wärmetauscher und vom Wärmetau scher zurück zur Trennsäule dienen, zu einer unerwünschten Komplexität der Anlage bei.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Trennsäule zu schaffen, die zur Herstellung von Wasserstoff aus einem Wasserstoff/CO-Gemisch unter Einsatz eines Wasch prozesses mit flüssigem Methan eingesetzt werden kann und die kleinbauender und weniger komplex ist als bisher zu diesem Zweck eingesetzte Trennsäulen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängi gen Vorrichtungsansprüchen.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Trennsäule:

- einen zylindrischen Mantel,
- eine Einrichtung zum Einleiten des Gasgemisches in die Trennsäule,
- wenigstens eine Gruppe, die gebildet wird durch:
- zwei in der Höhe gestaffelte aktive Zonen, die jeweils den gesamten Querschnitt der Trennsäule einnehmen,
- eine zwischen den aktiven Zonen angeordnete Flüssigkeitsbarriere in der Form eines zylindrischen Behälters, dessen Boden perforiert ist und dessen äußere Umfangswand mit dem zylindrischen Mantel der Trennsäule einen Ringspalt bildet, durch den das im Inneren der Trennsäule aufsteigende Gas hindurchtreten kann, nachdem es die aktive Zone passiert hat, oberhalb derer die Flüssigkeitsbarriere angeordnet ist,
- ein innenseitig am Mantel der Trennsäule angebrachtes Innenfutter, dessen unteres Ende in Höhe des oberen Randes einer Flüssigkeitsbarriere liegt und das mindestens eine Öffnung aufweist, durch die die Gase, die aus der un terhalb der Flüssigkeitsbarriere befindlichen aktiven Zone austreten, in das In nere des Innenfutters eintreten können, sowie mindestens eine Öffnung, durch die die Gase und die darin enthaltene kondensierte Flüssigkeit aus dem Inneren des Innenfutters austreten und oberhalb der genannten Flüssigkeitsbarriere wieder in das Innere der Trennsäule eintreten können,
- und ein außenseitig an dem zylindrischen Mantel der Trennsäule an gebrachtes Außenfutter, das dem Innenfutter gegenüberliegt und in seinem un teren Teil einen Einlaß für ein Kühlmedium und in seinem oberen Teil einen Auslaß für das Kühlmedium aufweist, so daß ein Wärmeübergang zwischen dem Kühlmedium in dem Außenfutter und den im Innenfutter zirkulierenden gasför migen und flüssigen Materialien durch den zylindrischen Mantel der Trennsäule hindurch stattfinden kann,
- eine Einrichtung zum Zuführen, in den oberen Teil der Trennsäule, eines verflüssigten Gases zum Waschen des Gases in der Trennsäule,
- eine Einrichtung zum Abziehen der leichtflüchtigsten Gaskomponente des Gasgemisches am Kopf der Trennsäule und
- eine Einrichtung zum Abziehen mindestens einer weniger flüchtigen Kompo nente des Gasgemisches mit flüssigen Zustand am Fuß der Trennsäule.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Innenfutter abwechselnd auf ihrem Umfang verteilte erste Bereiche, die in ihrem unteren Teil über Öff nungen mit dem Ringspalt verbunden sind und durch die die in der Trennsäule aufsteigenden Gase hindurchströmen können, und zweite Bereiche auf, die in ihrem unteren Teil in Öffnungen oberhalb des oberen Randes der Flüssigkeits barriere münden, so daß die durch diese zweiten Bereiche zirkulierenden Gase und die in diesen zweiten Bereichen kondensierte Flüssigkeit in das Innere der Trennsäule eingeleitet werden, wobei die ersten und zweiten Bereiche am oberen Ende des Innenfutters miteinander verbunden sind.

Die genannten Bereiche des Innenfutters sind vorzugsweise mit Wärmetauscher rippen oder -wellen ausgestattet, die in den ersten Bereichen als "gerade Wellen" und in den zweiten Bereichen als "Wellen mit teilweisem Seitenversatz" ausgebil det sind.

Gegenstand der Erfindung ist außerdem ein Verfahren zur Kryotrennung eines Gemisches, das Wasserstoff und CO enthält, mit einer Verfahrensstufe, in der der am Kopf einer Trennsäule vorhandene Wasserstoff, bevor er abgezogen wird, mit einem verflüssigten Gas gewaschen wird, dadurch gekennzeichnet, daß

- das Verfahren mit Hilfe einer Trennsäule ausgeführt wird, die den oben be schriebenen Aufbau aufweist,
- das in den Außenmantel eingeleitete Kühlmedium flüssiges CO ist und
- das in den oberen Teil der Trennsäule eingeleitete verflüssigte Waschgas ein Kohlenwasserstoff ist.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt der Erfindung besteht darin, daß das Kühlen des in der Trennsäule aufsteigenden Gasgemisches nicht mehr außerhalb der Trennsäule in einem separaten Wärmetauscher erfolgt, sondern innerhalb der Trennsäule selbst. Dies wird erreicht durch eine Folge von Außenfuttern am Mantel der Trennsäule, in denen das Kühlmedium, z. B. flüssiges CO, zirkuliert. Flüssigkeitsbarrieren mit geeigneter Konfiguration und innere Ausfütterungen der Trennsäule leiten die aufsteigenden Gase an den Wandbereichen der Trenn säule entlang, die den Zonen gegenüberliegen, in denen sich die Außenfutter be finden, so daß der gewünschte Wärmeaustausch stattfindet. Die Innenfutter er möglichen auch das Wiedereinleiten des gekühlten Materials in den zentralen Bereich der Trennsäule.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeich nung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Kryotrennsäule gemäß der Erfindung;

Fig. 2A und 2B perspektivische, aufgeschnittene Aussichtsvergrößerungen von Teilen der Trennsäule entsprechend dem Rahmen II in Fig. 1, wobei die Schnittebenen entsprechend den Linien IIA-IIA und IIB-IIB in Fig. 3 winkelver setzt sind;

Fig. 3 einen Querschnitt durch die Säule längs der Linie III-III in Fig. 1; und

Fig. 4 eine schematische Abwicklung eines Teils der Innenseite eines inneren Futters der Säule, entsprechend dem Bereich IV-IV in Fig. 3.

Das hier im einzelnen beschriebene Beispiel bezieht sich speziell auf die Kryoab scheidung von Wasserstoff aus einem Gemisch aus Wasserstoff, CO und Restmethan, durch Waschen des Wasserstoffs mit flüssigem Methan, in einer Trennsäule gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Kryotrennsäule weist wie üblich einen zylindrischen Man tel 1 auf, der ihre hauptsächliche Tragstruktur bildet. Der Mantel besteht zu mindest zum Teil aus einem Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit wie etwa Alumi nium oder einer Aluminiumlegierung (vorzugsweise mit rostfreien Stahl), so daß unter Bedingungen, die weiter unten erläutert werden, zumindest in einigen Hö henbereichen der Säule ein einfacher Wärmeübergang zwischen dem inneren und dem äußeren Millieu ermöglicht wird. Der untere Teil dieser Säule unter scheidet sich nicht wesentlich von dem entsprechenden Teil bekannter Kryotrennsäulen. Er weist eine Einrichtung 2 zum Einleiten eines Gemisches aus Wasserstoff, CO und Methan in die Säule auf, in der dieses Gemisch behan delt werden soll. Typischerweise enthält das Gemisch 70% Wasserstoff, 25% CO und 5% Restmethan, das bei der Umsetzung des als Ausgangsmaterial für die Herstellung des Gemisches aus Wasserstoff und CO dienenden Methans mit Wasserdampf noch nicht reagiert hat. Das Gemisch wird mit einer Temperatur von -180° in den oberen Teil eines Trenntopfes 3 eingeleitet. Die aus diesem Ge misch austretenden Dämpfe durchqueren einen herkömmlich aufgebauten Fluidverteiler 4 mit perforiertem Boden, der sich unterhalb einer ersten Ausfüt terung 5 befindet. Der Fluidverteiler 4 erstreckt sich über den gesamten Innen querschnitt der Säule und ebenso über den gesamten Querschnitt der Ausfütte rung 5. Abzugseinrichtungen 6, 7 dienen zum Ableiten von flüssigen Gemischen aus CO und Methan, die sich einerseits am Boden des Trenntopfes 3 nieder schlagen, und ebenso am Boden 8 der Säule, für den Anteil des Gemisches aus CO und Methan, der aus dem Fluidverteiler 4 stammt.

Nachdem das aufsteigende Gasgemisch die erste Ausfütterung 5 durchquert hat, tritt es in den gemäß der Erfindung ausgebildeten Teil der Trennsäule ein. Das Gasgemisch durchströmt einen Ringspalt 9 zwischen dem Mandel 1 der Trennsäule und einer Flüssigkeitsbarriere 10, die durch einen einzigen zylindri schen Behälter gebildet wird, dessen Boden 11 mit Löchern mit einem kleinen Durchmesser (beispielsweise etwa 4 mm) perforiert ist. Der Außendurchmesser der Flüssigkeitsbarnere 10 ist kleiner als der Innendurchmesser der Säule, so daß der Ringspalt 9 gebildet wird, dessen Breite einige Zentimeter betragen kann. Der obere Rand 12 der Flüssigkeitsbarnere 10 liegt so auf einem am Man del 1 der Trennsäule befestigten Träger 13 auf, daß die Flüssigkeitsbarriere 10 im Inneren der Trennsäule in Position gehalten wird.

Auf einem wesentlich höher gelegenen Niveau als der obere Rand 12 der Flüssig keitsbarriere 10 beginnt eine zweite Ausfütterung 14, die sich über eine gegebe ne Höhe H erstreckt. Die Wand der Trennsäule weist ein Innenfutter auf, dessen unteres Ende sich auf gleicher Höhe wie der obere Rand 12 der Flüssigkeitsbar riere 10 befindet und dessen oberes Ende sich vorzugsweise auf gleicher Höhe oder etwas oberhalb (wie gezeigt) des oberen Endes der zweiten Ausfütterung 14 befindet. Die Konfiguration des Innenfutters ändert sich in Umfangsrichtung der Trennsäule. Je nach Winkelposition des betrachteten Sektors trifft man zwei un terschiedliche Konfigurationen an, die in Umfangsrichtung der Trennsäule mit einander abwechseln und die Trennsäule in eine bestimmte Anzahl von Sekto ren gliedern. Im gezeigten Beispiel sind 12 Sektoren vorhanden, wie in Fig. 3 zu erkennen ist.

In der ersten Konfiguration, die in Fig. 2A gezeigt ist, hat das Innenfutter einen Teil, in dessen Inneres das aus der ersten Ausfütterung 5 austretende Gas durch mindestens eine im unteren Rand des Innenfutters ausgebildete Öffnung 15 eintritt. Im gezeigten Beispiel fällt dieser untere Rand mit dem Träger 13 zu sammen, auf dem sich der Flüssigkeitsfänger 10 abstützt. Vorzugweise ist das Innere dieses Teils des Innenfutters mit Wärmetauscherwellen 16 ausgerüstet. In dem hier gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese Wärmetau scherwellen 16 von der Art, die üblicherweise als "gerade Wellen' bezeichnet werden und die im wesentlichen geradlinige "Korridore" bilden, in denen die Flüssigkeit, die im Inneren des Innenfutters kondensiert, ungehindert ablaufen und wieder auf die erste Ausfütterung 5 abtropfen kann. Ebenso kann das auf steigende Gasgemisch ungehindert zwischen diesen Wärmetauscherwellen hin durchströmen, da es nicht durch die ablaufende Flüssigkeit behindert wird und sich aufgrund der Konfiguration der geraden Wellen nicht im turbulenten Be reich befindet.

Wenn das aufsteigende Gasgemisch das obere Ende 17 des Innenfutters er reicht, das nicht mit Wärmetauscherwellen ausgerüstet ist, kann es wieder ab sinken, indem es einen dem vorgenannten Bereich benachbarten Bereich des In nenfutters durchquert, der die zweite Konfiguration hat, die in Fig. 2B gezeigt ist. Wenn das Gasgemisch, das zwischenzeitlich zum Teil kondensiert ist, die untere Zone des Innenfutters erreicht, kehrt es in den Innenraum der Trennsäu le zurück, indem es eine Öffnung 18 durchquert, die in der Wand 19 des Innen futters ausgebildet ist, die dem Inneren der Trennsäule zugewandt ist. Die kon densierte, mit CO und Methan angereicherte Flüssigkeit kann in die Flüssig keitsbarriere 10 abfließen. Das mit Wasserstoff angereicherte Gas setzt seinen Aufstieg im Innenraum der Trennsäule fort und durchquert die zweite Ausfütte rung 14.

Wie gezeigt, hat der Bereich des Innenfutters, der die zweite Konfiguration auf weist, vorzugsweise Wärmetauscherwellen 20 von der Art, die als "Wellen mit teilweisem Seitenversatz" bekannt sind (auch als "serrated waves" bezeichnet) und die eine große Wärmeaustauschfläche bieten und starke Turbulenzen in dem Fluid hervorrufen, das das Innenfutter durchströmt.

Wärmeaustauschprozesse dienen dazu, die Temperatur des mit Wasserstoff an gereicherten Gasgemisches wieder auf etwa -180°C zurückzuführen, um das Waschen des Wasserstoffs mit flüssigem Methan zu begünstigen, das am Kopf der Trennsäule zugeführt wird. Diese Wärmeaustauschprozesse vollziehen sich zwischen dem Gasgemisch, das sich im Inneren des zuvor beschriebenen Innen futters befindet, und einem Kühlmedium, das bevorzugt durch flüssiges CO mit einer Temperatur von -182°C gebildet wird. Zu diesem Zweck weist die Trenn säule erfindungsgemäß gegenüberliegend zu dem Innenfutter ein Außenfutter 21 auf, das einen Ringspalt mit dem Mantel 1 der Trennsäule bildet. Das Au ßenfutter 21 hat in seinem unteren Teil einen Einlaß 22 zum Zuführen von flüs sigem CO 23 und in seinem oberen Rand einen Auslaß 24 für gasförmiges CO 25 mit einem Druck von 260 kPa, das sich infolge des Wärmeaustausches zwi schen den Fluiden im Innen- und im Außenfutter bildet. Bei dem Wärmeaus tausch entzieht das flüssige CO dem wasserstoffreichen Gasgemisch im Innen futter Wärme, um dessen Temperatur wieder auf einen Wert nahe bei -180°C zu rückzuführen, bevor es die zweite Ausfütterung 14 durchquert.

Dieser Vorgang, der beim Stand der Technik in einem von der Trennsäule ge trennten Wärmeaustauscher stattfand und ein Abziehen des Gasgemisches aus der Trennsäule erforderte, findet hier im Inneren der Trennsäule selbst statt. Dadurch wird der Platzbedarf für die Gesamtanlage beträchtlich reduziert und der Aufbau vereinfacht.

Für eine bessere Wirksamkeit der Anlage ist es vorteilhaft, wenn sich das Innen futter und das Außenfutter 21 der Trennsäule auf der gesamten Höhe der zwei ten Ausfütterung 14 gegenüberliegen. Die oberen Enden des Innenfutters und des Außenfutters 21 befinden sich dann zumindest in Höhe des oberen Endes der zweiten Ausfütterung 14 oder noch höher. So kann man die Erwärmung des aufsteigenden Gases in dem gesamten Höhenbereich kompensieren, indem sie sich hauptsächlich vollzieht.

Wie beim Stand der Technik wird das flüssige CO, das als Kühlmittel dient, vor teilhaft aus dem CO gewonnen, das am Kopf der Niederdrucksäule aufgefangen wird, in der das ursprünglich im Synthesegas vorhandene CO, das am Fuß der erfindungsgemäßen Trennsäule abgezogen wird, von dem darin enthaltenen Me than getrennt wird. Dieses Methan wird seinerseits zum Waschen des Wasser stoffs in der erfindungsgemäßen Trennsäule benutzt.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel weist die erfindungsgemäße Trennsäule weitere Stufen auf, die der zuvor beschriebenen ähneln und jeweils aufweisen:

- eine Flüssigkeitsbarriere 26, 27,
- eine Ausfütterung 28, 29 (oder, allgemeiner, eine aktive Zone),
- ein Innenfutter 30, 31,
- ein Außenfutter 32, 33,
- Einlässe 34, 35 zur Zufuhr von flüssigem CO in das Außenfutter 32 und
- Auslässe 36, 37 zum Ableiten von gasförmigem CO aus dem Außenfutter 32, 33.

Im Rahmen der Erfindung kann auch eine größere oder kleinere Anzahl solcher Stufen vorgesehen sein. In bestimmten Fällen kann eine einzige Stufe ausrei chend sein.

Im oberen Teil, oberhalb der letzten Stufe, in der die Wärmezufuhr zu dem in der Trennsäule vorhandenen Fluid stattfindet, befindet sich eine als solche be kannte Einrichtung 38, die es ermöglicht, flüssiges Methan in die Trennsäule einzuleiten und mit dem gasförmigen Wasserstoff in Kontakt zu bringen, um diesen zu reinigen. Ebenso befindet sich dort eine Einrichtung 39 zum Abziehen von gasförmigem Wasserstoff im reinen Zustand und unter hohem Druck aus dem Kopf der Trennsäule.

Es versteht sich, daß die Trennsäule auch alle übrigen Elemente aufweist, die für ihre einwandfreie Funktion notwendig oder nützlich sind und deren Einsatz bei Kryotrennsäulen bekannt ist. Insbesondere weist sie Stützeinrichtungen 40 auf, die die Ausfütterungen 5, 14, 28, 29 in Position halten.

Der Pegel der Flüssigkeit 41 in einer Flüssigkeitsbarriere 10 entspricht dem Druckverlust des aufsteigenden Gases zwischen seiner Austrittsstelle aus der Trennsäule und der Stelle des Wiedereintritts in die Trennsäule.

In einem praktischen Beispiel kann mit einer Trennsäule der oben beschriebe nen Art, die drei Stufen aus Flüssigkeitsbarriere, Ausfütterung und Innen- und Außenfutter aufweist, eine Reduktion der Höhe des aktiven Teils der Trennsäule um etwa 20% erreicht werden, im Vergleich zu einer entsprechenden herkömm lichen Trennsäule, bei der die drei Kühlstufen für das aufsteigende Gas durch externe Wärmetauscher gebildet werden. Wenn man außerdem berücksichtigt, daß keine externen Wärmeaustauscher und keine Leitungen zur Verbindung desselben mit der Trennsäule benötigt werden, so erkennt man, daß die erfin dungsgemäße Trennsäule einschließlich ihres Zubehörs wesentlich weniger Platz und Aufwand beansprucht als herkömmliche Anlagen.

Das oben beschriebene Beispiel kann im Rahmen der Erfindung auf vielfältige Weise abgewandelt werden. Insbesondere kann die Ausgestaltung des Innenfut ters vereinfacht werden. Wesentlich ist nur, daß der Wärmeaustausch zwischen dem in der Trennsäule vorhandenen Fluid und einem Kühlmittel, das ein Au ßenfutter an der Außenseite der Trennsäule ausfüllt, durch die Wand der Trenn säule hindurch erfolgt.

Die Verwendung der oben beschriebenen Trennsäule ist nicht auf den hier be schriebenen Anwendungsfall beschränkt. Vielmehr kann eine solche Trennsäule auch für andere kryotechnische Trennvorgänge eingesetzt werden. Ebenso kann auch ein anderes Waschgas als Methan verwendet werden. Insbesondere ist auch der Einsatz von Propan möglich. Schließlich können anstelle von flüssigem CO auch andere Kühlmittel benutzt werden, um dem aufsteigendem Gas Wärme zu entziehen. Beispielsweise könnte auch flüssiger Stickstoff verwendet werden.

Claims

1. Trennsäule zur Kryotrennung von Gasgemischen, mit:

- einem zylindrischen Mantel (1),
- einer Einrichtung (2) zur Einleitung des Gasgemisches in die Trennsäule,
- wenigstens einer Trennstufe, die eine den gesamten Querschnitt der Trenn säule einnehmende aktive Zone (5, 15, 28, 29), eine Flüssigkeitsbarriere (20, 26, 27) und einen Wärmetauscher umfaßt,
- einer Einrichtung (38) zum Zuführen von verflüssigtem Waschgas am Kopf der Trennsäule,
- einer Einrichtung (39) zum Abziehen der leichtflüchtigsten Komponente des Gasgemisches am Kopf der Trennsäule und
- einer Einrichtung (6, 7) zum Abziehen mindestens einer weniger leicht flüchtigen, verflüssigten Komponente des Gasgemisches am Fuß der Trennsäu le,

dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitsbarriere (10, 26, 27) durch einen zylindrischen Behälter gebildet wird, der einen perforierten Boden (11) und eine Umfangswand aufweist, die mit dem Mantel (1) der Trennsäule einen Ringspalt (9) bildet, durch den das in der Trennsäule aufsteigende Gas hin durchströmen kann, und daß der Wärmetauscher gebildet wird durch ein in nenseitig an dem zylindrischen Mantel (1) angebrachtes Innenfutter (30, 31), dessen unteres Ende sich in Höhe des oberen Randes der Flüssigkeitsbarriere (10, 26, 27) befindet und das über Öffnungen (15, 18) mit dem Inneren der Trennsäule verbunden ist, so daß das Gas zwischen dem Innenfutter und dem Mantel hindurchströmen kann, während auskondensierende Flüssigkeit in die Flüssigkeitsbarnere zurückgeleitet wird, und durch ein außenseitig an dem zy lindrischen Mantel (1) angebrachtes Außenfutter (21, 32, 33), das dem Innenfut ter (30, 31) gegenüberliegt und einen Einlaß (22, 34, 35) für ein Kühlmedium (23) in seinem unteren Bereich und einen Auslaß (24, 36, 37) für das Kühlmedi um in seinem oberen Bereich aufweist, so daß ein Wärmeaustausch zwischen dem Gas im Inneren der Trennsäule und dem Kühlmedium durch den zylindri schen Mantel (1) hindurch stattfindet.

2. Trennsäule nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die oberen Enden des Innenmantels (30, 31) und des Außenmantels (21, 32, 33) in Höhe des oberen Endes einer oberhalb der Flüssigkeitsbarriere (10, 26, 27) angeord neten aktiven Zone (14, 28, 29) oder weiter oberhalb befinden.

3. Trennsäule nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das In nenfutter (30, 31) auf seinen Umfang eine abwechselnde Folge von ersten Berei chen, die über Öffnungen (15) in ihrem unteren Teil mit dem Ringspalt (9) ver bunden sind und in denen das Gas aufsteigt, und zweiten Bereichen aufweist, die in ihrem unteren Teil über Öffnungen (18) oberhalb des oberen Randes der Flüssigkeitsbarriere (10, 26, 27) in das Innere der Trennsäule münden und an ihren oberen Enden (17) mit den ersten Bereichen verbunden sind.

4. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Innenfutter Wärmetauscherrippen oder -wellen (16, 20) aufweist.

5. Trennsäule nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetau scherwellen (16) in den ersten Bereichen des Innenfutters gerade und die Wär metauscherwellen (20) in den zweiten Bereichen des Innenfutters seitlich gegen einander versetzt sind.

6. Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Mantel (1) zumindest in den Bereichen, die dem Außenfut ter (21, 32, 33) gegenüberliegen, aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähig keit, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht.

7. Verfahren zur Kryotrennung eines Gemisches, das Wasserstoff und CO ent hält, bei dem der Wasserstoff in einer Trennsäule mit einem am Kopf der Trenn säule zugeführten verflüssigten Gas gewaschen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennsäule nach einem der Ansprüche 1 bis 6 ausgebildet ist, daß das in das Außenfutter zugeführte Kühlmedium (23) flüssiges CO ist und daß das verflüssigte, zum Waschen benutzte Gas ein Kohlenwasserstoff ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das als Kühlme dium (23) zugeführte flüssige CO aus CO gewonnen wird, das ursprünglich in dem Gasgemisch enthalten war, das in die Trennsäule zugeführt wurde.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem zum Waschen benutzten Kohlenwasserstoff um Kohlenwasserstoff han delt, der ursprünglich als Verunreinigung in dem Gasgemisch enthalten war.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenwasserstoff Methan ist.