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DE2132715B2 - Verfahren zum kontinuierlichen Abtrennen von höher siedenden Begleitstoffen aus einem komprimierten Prozeßgas und Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum kontinuierlichen Abtrennen von höher siedenden Begleitstoffen aus einem komprimierten Prozeßgas und Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens

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DE2132715B2
DE2132715B2 DE2132715A DE2132715A DE2132715B2 DE 2132715 B2 DE2132715 B2 DE 2132715B2 DE 2132715 A DE2132715 A DE 2132715A DE 2132715 A DE2132715 A DE 2132715A DE 2132715 B2 DE2132715 B2 DE 2132715B2
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Germany
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process gas
gas
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purified
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David Lee Fishkill Alexander
James Robert Beacon Muenger
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Texaco Development Corp
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Publication date
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum kontinuierlichen Abtrennen von höher siedenden Begleitstoffen aus einem komprimierten Prozeßgas, wobei das Prozeßgas auf die Kondensationstemperatur der Begleitstoffe abgekühlt wird, wozu mehrere periodisch umschaltbare Wärmetauscher vorgesehen sind und in einem ersten Wärmetauscher das Prozeßgas abgekühlt und gleichzeitig in einem zweiten Wärmetauscher die kondensierten Begleitstoffe verdampft und durch einen Teilstrom des gereinigten Prozeßgases ausgetragen werden, wobei zur Kühlung des Prozeßgases das gereinigte Prozeßgas arbeitsleistend entspannt wird.
Ein derartiges Verfahren ist aus der US-PS 34 00 546 -, bekannt Die drei Wärmetauscher der in dieser US-PS beschriebenen Anlage arbeiten dabei als Regeneratoren. Ein Wasserstoff enthaltendes Gas wird in einer Entspannungsturbine entspannt und durch einen auf Kondensationsbetrieb geschalteten Wärmetauscher geleitet. In diesem wird das Gas in Kondensat und angereicherten Wasserstoff /erlegt Das gereinigte Gas strömt dann zu einer weiteren Entspannungsturbine, von der aus es dann in einem zweiten Wärmetauscher angewärmt wird und Spuren unverdampften Kondensats aufnimmt Vor der zweiten Expansionsturbine wird ein Teilgasstrom abgezweigt, der zur Kühlung durch den ersten Wärmetauschor geleitet wird. Dieser abgezweigte Gasstrom vereinigt sich vor der zweiten Expansionsturbine wieder mit dem den ersten Wärme-
?» tauscher verlassenden gereinigten Gasstrom.
Ein dritter Wärmetauscher ist jeweils dann, wenn die beiden anderen auf Kondensation bzw. Erwärmung und Kondensatanreicherung geschaltet sind, auf Reinigungsbetrieb geschaltet In diesem Reinigungsbetrieb
2Ί wird das in dem Wärmetauscher niedergeschlagene Kondensat verdampft und durch ein Absauggebläse entfernt
An dieser und anderen ähnlichen bekannten Anlage ist es von Nachteil, daß die Umschaltung der einzelnen
so Wärmetauscher von den thermischen Verhältnissen abhängig ist und daß wegen der drei Wärmetauscher eine verhältnismäßig große Gasmenge im Umlauf ist, was thermisch ungünstig ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine
;i Anlage zum kontinuierlichen Abtrennen von höher siedenden Begleitstoffen aus einem komprimierten Prozeßgas zu schaffen, bei dem bzw. der die Umschaltung von der Speicherfähigkeit der die abgeschiedenen Begleitstoffe aufnehmenden Kondensatsammeleinrichtungen abhängt.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei gleichartige, als Rekuperatoren ausgebildete und als Trennkammern arbeitende Wär-■ > metauscher vorgesehen sind, wobei der expandierte, gereinigte Prozeßgasstrom im Gegenstrom zum Prozeßgas durch den auf Kondensationsbetrieb geschalteten Wärmetauscher geleitet wird und zur gleichzeitigen Aufwärmung des auf Reinigungsbetrieb geschalteten
,η Wärmetauschers ein Teilstrom des wieder verdichteten gereinigten Prozeßgases verwendet wird, während der zum Austragen der auskondensierten Begleitstoffe dienende Teilstrom dem gereinigten Prozeßgas vor dessen Wiederverdichtung entnommen, arbeitsleistend
v, entspannt und dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird.
Bei einem derartigen Verfahren wird zum Spülen bzw. Austreiben der verdampften Begleitstoffe eine verhältnismäßig geringe Gasmenge benötigt. Damit
Mi entstehen auch nur geringe Umschaltverluste. Außerdem sind die thermischen Verluste gering. Dies beruht u. a. darauf, daß nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung der Druck in dem auf Reinigungsbetrieb geschalteten Wärmetauscher etwa auf Atmosphären-
()■) druck abgesenkt wird.
Die Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gleichartig ausgebildeten Wärmetauscher aus jeweils
einer im wesentlichen senkrechten Trennkammer bestehen, in der Kondensatsammeieinrichtungen vorgesehen sind, sowie eine die Trennkammer in ganzer Länge durchsetzende Wärmetauschleitung zur Durchleitung von gereinigtem und arbeitsleitend entspannten Prozeßgas, sowie eine der Wiederauf wäimung des die Trennkammer verlassenden Prozeßgases dienende Wärmetauschleitung aufweisen.
Bei der Verwendung von nur zwei im Wechselbetrieb geschalteten Wärmetauschern ist die Menge des im Umlauf befindlichen Gases verringert. Damit verringern sich aber zugleich auch thermische Verluste in den Leitungen der gesamten Anlage. Außerdem werden die thermischen Verhältnisse in der Anlage günstig ausgenutzt, da das bei der Kondensation der Begleitstoffe abgekühlte Prozeßgas in Gegenrichtung zur Abkühlung des auf Kondensationsbetrieb geschalteten Wärmetauschers dient, während das nach der Reinigung komprimierte und damit aufgeheizte Gas über den abgezweigten Teilstrom in dem auf Reinigungsbetrieb geschalteten Wärmetauscher dem Aufwärmen und damit dem Austreiben der Begleitstoffe dient
Das Gastrennverfahren nach der Erfindung wird mit einer Anlage durchgeführt, die in der Zeichnung dargestellt ist Gearbeitet bzw. gereinigt wird dabei vornehmlich ein aus einem katalytischen Benzinreformer stammendes Prozeßgas. Das Prozeßgas unterliegt beim Beginn des Verfahrens einem Druck von annähernd 31,6 ata und hat im wesentlichen Raumtemperatur. Die Gaszusammensetzung besteht annähernd aus 80Mol.% H2; 12,5Mol.% Methan; 4,0Mol.% Aethan; 2,0Mol.% Propan und l,5Mol.°/o schweren Kohlenwasserstoffen. Das von Begleitstoffen befreite Endprodukt soll ein Wasserstoff mit einer Reinheit von 98% oder höher bei einem Minimumdruck von 30 ata sein.
Das Prozeßgas strömt aus einem Vorratsbehälter Sin die Vorrichtung narh der Erfindung ein. Zur Einstellung der Geschwindigkeit des einströmenden Gases auf einen gewünschten Wert durchströmt es dabei zunächst ein Strömungsventil 9. Die Strömungsgeschwindigkeit dient als Basis für die Festlegung aller anderen im Verfahren eingesetzten Gasströme.
Wie die obige Zusammensetzung des Prozeßgases zeigt, enthält es geringe Prozentanteile entfernbarer Begleitstoffe, die gegenüber dem Hauptgasanteil einen höheren Siedepunkt aufweisen. Die Begleitstoffe werden zunächst durch partielle Kondensation bei niedriger Temperatur entfernt und später dann wieder verdampft
Das das Regelventil 9 passierende Prozeßgas gelangt zunächst zu einer Kompressions- oder Expansionsturbine 10, die es ermöglicht, dem Gas den für den Arbeitsprozeß gewünschten Druck zu verleihen, und zwar entweder durch Druckerhöhung oder Druckabsenkung. Falls das Prozeßgas das Regelventil 9 bei gewünschtem Druck verläßt, kann die Kompressionsoder Expansionsturbine 10 entfallen.
Das Prozeßgas gelangt dann zu einem Kühler 11, in dem es, falls die Eingangstemperatur zu hoch ist, auf einen gewünschten Wert abgekühlt wird. Es kann sich dabei beispielsweise um einen wasser- oder luftgekühlten Wärmetauscher handeln.
Von dem Kühler 11 gelangt das Prozeßgas über eine Leitung 13 zu einem Umschaltventil 14, welches das Gas bei der in der Zeichnung dargestellten Stellung an den oberen Einlaß 24 eines Wärmetauschers über eine Leitung 17 abgibt Der regulierte Prozeßgasstrom tritt in die Trennkammer 22 eines auf Kondensationsbetrieb geschalteten Wärmetauschers 19 mit annähernd 30 atü und 26° C ein.
Der Wärmetauscher 19 besteht ebenso wie der . entsprechende zweite Wärmetauscher 21 aus einer Trennkammer 22 (bei dem Wärmetauscher 21 sind die entsprechenden Bezugszeichen mit einem Strich versehen), die sich in vertikaler Richtung erstreckt und in der sich eine Vielzahl von Kondensatsammsieinrichtungen
• ο in Form von übereinander angeordneten Böden 23 oder dergl. befinden. Außerdem zieht sich über die ganze Länge der Wärmetauscher 19 und 21 von oben bis unten bzw. umgekehrt eine Wärmetauschleitung 29 bzw. 29'. Über einen Teil der Wärmetauscherlänge erstreckt sich
■·ϊ zusätzlich noch eine weitere Wannetauschleitung 27. Diese isefindet sich jedoch nur im unteren Teil der Trennkammer.
Die Temperatur der Trennkammer 22 liegt in der Nähe des oberen Einlasses 24 in der Größenordnung von 26° C. Nach unten hin nimmt die Temperatur in der Trennkammer 22 kontinuierlich ab. Am unteren kalten Kammerende beträgt die Temperatur annähernd -1700C.
Das durch den oberen Einlaß 24 eingeströmte, mit
>5 Begleitstoffen versehene Prozeßgas strömt in die Trennkammer 22 ein und gelangt in ihr nach unten. Dabei kondensieren die höher siedenden Begleitstoffe aus und werden auf den Trennkammerböden 23 zurückgehalten. Die Kondensation setzt sich in dem Maße fort, wie die Temperatur des einströmenden Gases kontinuierlich niedriger wird in enger Übereinstimmung mit den in der Trennkammer vorherrschenden Temperaturen.
Der Partialdruck jedes Begleitstoffes ist gleich der Anzahl der Gasmoleküle der Begleitstoffe, multipliziert mit dem Gesamtdruck der Gasmischung und dividiert durch die Gesamtzahl der Gasmoleküle der Mischung. Der Dampfdruck jedes Begleitstoffes ist eine Funktion der Temperatur und natürlich der Eigenschaften dieses
Stoffes. Die Übereinstimmung von Partialdruck und Dampfdruck ist nicht vollständig, da Löslichkeit und andere Effekte zu berücksichtigen sind. Bei den vorliegenden Verfahrensbedingungen sind diese Abweichungen unerheblich.
Das Prozeßgas erreicht das kalte Ende der Trennkammer 22 und hat nach dem Auskondensieren der Begleitstoffe die gewünschte Reinheit Es besteht dann aus Wasserstoff sowie 2% Methan und weist keine höher siedenden Begleitstoffe auf. Die molare Gas-Stromgeschwindigkeit beträgt etwa 81,63% des eintretenden Gases und weist einen Druck von annähernd 31 ata bei — 169°C auf. Die Masseverteilung des eintretenden Gases wird dadurch gestört, daß die Trennkammerböden 23 Flüssigkeit und in einem geringen Anteil Feststoff, der aus höchst siedenden Begleitstoffen stammt, aufnehmen.
Das von Begleitstoffen gereinigte Gas verläßt das kalte Ende der Kammer 22, indem es in den unteren Teil der Wärmetauschleitung 27 bei 25 eintritt. In der
fao Wärmetauschleitung 27 strömt es dann in wärmere Zonen aufwärts, wobei es dann beim Erreichen des Anschlusses 28 bei annähernd 31 ate eine Temperatur von — 123° C aufweist. Über die Leitung 33 gelangt das gereinigte Gas dann zu einem Umschaltventil 34 und über die Leitungen 36 und 38 weiter zu einer Fntspannungsturbine 39. In der Entspannungsturbine 39 wird das Gas arbeitsleistend entspannt auf einen Druck von annähernd 9,6 ata bei einer Temperatur von
annähernd — 175"C. Die Entspannung liefert die notwendige Betriebsleistung zum Antreiben eines Kompressors 51. Der entspannte Gasstrom wird über ein Umschaltventil 40 sowie Leitungen 41 und 42 dem unteren Eingang 30 der Wärmetauschleitung 29 in der Trennkammer 22 zugeführt. Das von Begleitstoffen befreite kalte Gas strömt dann durch die Wärmetauschleitung 29 nach oben zu einem Auslaß 31, wobei es durch im Gegenstrom einströmendes, mit Begleitstoffen versehenes warmes Prozeßgas erwärmt wird.
Der Haupteil des bei 30 in die Trennkammer 22 einströmenden, von Begleitstoffen befreiten Gases wird über den Auslaß 31, eine Leitung 48 und ein Umschaltventil 49 dem Kompressor 51 zugeführt, der mit einem adiabaiischen Wirkungsgrad von annähernd 80% arbeitet Der im Kompressor 51 komprimierte Gasstrom wird über Leitungen 60 und 61 mit einem Druck von annähernd 31 ata und einer Temperatur von 93° C abgeführt Allerdings wird nur ein Teil des von Begleitstoffen befreiten Gases einer weiteren Verwendung zugeführt, und zwar als zu 98% reiner Wasserstoff. Von dem die Leitung 60 durchfließenden Wasserstoffstrom wird ein Teilstrom in der Größenordnung von 56% abgespalten und über eine Leitung 62 dem Wärmetauscher 21 zugeführt der sich im Reinigungsbetrieb befindet In der Leitung 62 befindet sich ein Regelventil 63, welches die Menge des durch die Leitung 62 strömenden Gases bestimmt. Stromabwärts des Regelventils 63 gelangt das abgespaltene Gas, im weiteren als Kreislaufgas bezeichnet, mit einer Temperatur von annähernd 27°C in einen Kühler 12. Von dort strömt es über das Umschaltventil 49 und eine Leitung 65 zum Einlaß 3Γ der auf Reinigungsbetrieb geschalteten Trennkammer 22'. Das warme Gas strömt durch die Wärmetauschleitung 29' längs des vertikal aufgestellten Wärmetauschers zum unteren Kammerende und verläßt dieses durch den Auslaß 30'. Das Kreislaufgas strömt dann weiter über Leitungen 47 und 46 und durch das Umschaltventil 44 sowie die Leitung 37 zur Leitung 38, in der sich das Kreislaufgas wieder mit dem kalten, die Trennkammer 22 verlassenden, von Begleitstoffen befreiten Prozeßgas vereinigt Das Kreislaufgas hat die Aufgabe, der. auf Reinigungsbetrieb geschalteten Wärmetauscher 21 aufzuheizen, um in der auf Reinigungsbetrieb geschalteten Trennkammer 22' die in der Kondensationsphase abgeschiedenen Begleitstoffe wieder zu verdampfen. Das Kreislaufgas verläßt mit seinem Stromanteil von 56% des Prozeßgases den Wärmetauscher 21 mit einem Druck von etwa 30 ata bei einer Temperatur von —148° C.
Von der Wärmetauschleitung 29 in dem auf Kondensationsbetrieb geschalteten Wärmetauscher 19 wird über einen Auslaß 32 ein weiterer Teilgasstrom abgezweigt, der zum Austragen der auskondensierten Begleitstoffe dient Dieser Austrageteilstrom strömt über Leitung 66, ein Umschaltventil 67 und eine Leitung 69 zu einem Regelventil 70. Der Druck dieses Austragegasstromes liegt bei 93 atü, die Temperatur bei — 116,5° C In dem Regelventil 70 wird die Geschwindigkeit eingeregelt, mit welcher der Austragungsgasstrom in die Niederdruckturbine 72 einströmt In dieser Niederdrucktumine 72 wird das Gas arbeitsleistend auf etwa 1,45 atü be i etwa — 170° C entspannt Die dabei frei werdende Leistung wird zum Antreiben des Kompressors 51 benutzt.
Der Austragegasstrom verläßt die Turbine 72 über eine Leitung 73 und strömt über ein Umschaltventil 74 in eine Leitung 75 ein, die zum unteren Einlaß 26' der auf Reinigungsbetrieb geschalteten Trennkammer 22' führt. Dieser Austragegasstrom trägt die in der warmen
η Trennkammer 22 wieder verdampften Begleitstoffe über den Trennkammerauslaß 24', die Leitung 18, das Umschaltventil 16 und die Leitung 89 aus. Das ausgetragene Gas, welches als Restgas bezeichnet wird, besitzt eine molare Strömungsgeschwindigkeit von
!'· annähernd 31,2% {bezogen auf den eintretenden Gasstrom). Das Restgas hat einen Druck von annähernd 1,4 atü und eine Temperatur von annähernd 22° C. Es enthält annähernd 16% Ausgangswasserstoff, 89% Ausgangsmethan und alle vorhandenen höher sieden-
2t· den Begleitstoffe. Es wird entweder in die Luft oder zur weiteren Verwendung abgegeben.
Die beiden Wärmetauscher sind als Rekuperatoren ausgebildet, in denen die auszuscheidenden Begleitstoffe im Kondensationsbetrieb kondensiert und im
2= nachfolgenden Reinigungsbetrieb verdampft werden.
Die Umschaltung der Wärmetauscher 19 und 21 bzw. der gesamten Anlage erfolgt über die Umschaltventile 14,16,34,44,40,49,67 und 74.
Die Umschaltfrequenz der Anlage wird durch die Strömungsgeschwindigkeit und die Begleitstoffaufnahmekapazität der Trennkammerböden bestimmt. Es wurde gefunden, daß eine Schaltperiode von 10 min für eine erfolgreiche Durchführung des Verfahrens als angemessen angesehen werden kann.
J3 Das beschriebene Verfahren und die Anlage sind in der Lage, gewünschte Produktionsreinheiten von mehr als 98% zu erzielen, wenn eine Gleichgewichtsverlagerung zu niedrigeren Temperaturen in den kalten Teilen der Trennkammern vorgenommen wird.
4n In der vorliegenden Beschreibung sind einige Gasleitungen bisher nicht erwähnt worden, da sie für die Beschreibung nicht notwendig waren. Es handelt sich um Leitungen, die beim wechselweisen Betrieb der Anlage teilweise fuukiiouslos sind. Es sind dies die 5 Leitungen 68 und 76 für den Austragegasstrom nach der Funktionsumkehr der Anlage. Ebenso sind auch die Leitungen 43 und 45 in der umgekehrten Arbeitsweise in Betrieb, wobei dann die Leitungen 41,42 sowie 46 außer Betrieb sind. Schließlich werden auch die Leitungen 35 und 91 bei der umgekehrten Betriebslage anstelle der Leitungen 33 und 89 benutzt.
Um die potentielle Systemenergie möglichst günstig auszunutzen, wird die in den Entspannungsturbinen freigemachte Leistung soweit wie möglich zum Antrieb des Kompressors 51 eingesetzt Die restliche, zur Gaskompression benötigte Arbeit wird einer externen Quelle entnommen, die eine Dampfturbine oder ein elektrischer Antriebsmotor sein können. Im allgemeinen ist die Verbrennungswärme des Restgases mehr als ausreichend zur Gewinnung der benötigten zusätzlichen Kompressionsenergie.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur kontinuierlichen Abtrennung von höher siedenden Begleitstoffen aus einem komprimierten Prozeßgas, wobei das Prozeßgas auf die Kondensationstemperatur der Begleitstoffe abgekühlt wird, wozu mehrere periodisch umschaltbare Wärmetauscher vorgesehen sind und in einem ersten Wärmetauscher das Prozeßgas abgekühlt und gleichzeitig in einem zweiten Wärmetauscher die kondensierten Begleitstoffe verdampft und durch einen Teilstrom des gereinigten Prozeßgases ausgetragen werden, wobei zur Kühlung des Prozeßgases das gereinigte Prozeßgas arbeitsleistend entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichartige, als Rekuperatoren ausgebildete und als Trennkammern arbeitende Wärmetauscher vorgesehen sind, wobei der expandierte, gereinigte Prozeßgasstrom im Gegenstrom zum Prozeßgas durch den auf Kondensationsbetrieb geschalteten Wärmetauscher geleitet wird und zur gleichzeitigen Aufwärmung des auf Reinigungsbetrieb geschalteten Wärmetauschers ein Teilstrom des wieder verdichteten, gereinigten Prozeßgases verwendet wird, während der zum Austragen der auskondensierten Begleitstoffe dienende Teilstrom dem gereinigten Prozeßgas vor dessen Wiederverdichtung entnommen, arbeitsleistend entspannt und dem zweiten Wärmetauscher zugeführt wird.
2. Vei fahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem auf Reinigungsbetrieb geschalteten Wärmetauscher etwa auf Atmosphärendruck abgesenkt wird.
3. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei gleichartig ausgebildeten Wärmetauscher (19, 21) aus jeweils einer im wesentlichen senkrechten Trennkammer (22,22') bestehen, in der Kondensatsammeieinrichtungen (23) vorgesehen sind, sowie eine die Trennkammer in ganaar Länge durchsetzende Wärmetauschleitung (29) zur Durchleitung von gereinigtem und arbeitsleitend entspannten Prozeßgas, sowie eine der Wiederaufwärmung des die Trennkammer verlassenden Prozeßgases dienende Wärmetauschleitung (27) aufweisen.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensatsammeieinrichtungen (23, 23') aus einer Vielzahl übereinander angeordneter, über die Höhe der Trennkammer (22, 22') verteilter Böden (23,23') bestehen.
5. Anlage nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Teilgasströme Regeleinrichtungen (14,34,44,40, 74,67,49,63, 70) vorgesehen sind.
DE2132715A 1968-06-28 1971-07-01 Verfahren zum kontinuierlichen Abtrennen von höher siedenden Begleitstoffen aus einem komprimierten Prozeßgas und Anlage zur Durchführung dieses Verfahrens Withdrawn DE2132715B2 (de)

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