DE3315930A1 - Process and apparatus for separating a gas mixture - Google Patents

Process and apparatus for separating a gas mixture

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Abstract

A gas mixture containing hydrogen and at least one further constituent, for example nitrogen and argon, is separated by absorption or cooling and partial condensation and/or rectification and/or scrubbing. Before this separation stage, at least a part of the hydrogen is separated off by diffusion on semipermeable membranes in the gas mixture. <IMAGE>

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Zerlegung eines Method and device for dismantling a

Gasgemisches Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemisches, das Wasserstoff sowie mindestens einen weiteren Bestandteil enthält, durch Adsorption oder durch Abkühlung und partielle Kondensation und/oder Rektifikation und/oder Wäsche, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Gas mixture The invention relates to a method for breaking down a Gas mixture that contains hydrogen and at least one other component, by adsorption or by cooling and partial condensation and / or rectification and / or laundry, as well as a device for carrying out the method.

Ein derartiges Gasgemisch fällt beispielsweise als Purgegas bei der Ammoniak- oder Methanol synthese an. Da das Gasgemisch wertvolle, wiederverwendbare Komponenten, insbesondere Wasserstoff, Argon und Methanol enthält, werden diese aus dem Gasgemisch zurückgewonnen und einer weiteren Verwendung zugeführt bzw. unerwünschte Bestandteile aus dem Gasgemisch abgetrennt.Such a gas mixture falls, for example, as purge gas in the Ammonia or methanol synthesis. Because the gas mixture is valuable, reusable Components, especially hydrogen, argon and methanol containing, are these recovered from the gas mixture and fed to a further use or undesired Components separated from the gas mixture.

Soll nur der Wasserstoff zurückgewonnen werden, so werden die übrigen Komponenten des Gasgemisches durch Kondensation und/oder Adsorption von dem Wasserstoff abgetrennt. Sollen dagegen noch andere Komponenten wiedergewonnen werden, dann wird das Gasgemisch einer oder mehreren Trennstufen zugeführt, in denen die einzelnen Bestandteile durch partielle Kondensation und/oder Rektifikation und/oder Wäsche abgetrennt und entsprechend ihren unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften kopf- oder sumpfseitig entnommen werden.If only the hydrogen is to be recovered, the rest will be Components of the gas mixture by condensation and / or adsorption of the hydrogen severed. If, on the other hand, other components are to be recovered, then will the gas mixture fed to one or more separation stages in which the individual Components through partial Condensation and / or rectification and / or laundry separated and according to their different physical Properties can be taken from the head or sump side.

Für die Durchführung des Verfahrens wird in der Regel Fremdkälte benötigt, die von einem Hochdruck-Kältekreislauf, beispielsweise einem Stickstoff-Kreislauf, geliefert wird.External cooling is usually required to carry out the process, from a high-pressure refrigeration cycle, for example a nitrogen cycle, is delivered.

Der Nachteil dieser Verfahren besteht darin, daß erhebliche Energie für die Erzeugung der notwendigen Kälte bereitgestellt werden muß oder daß die Produkt ströme nur unter relativ niedrigem Druck gewonnen werden können. Überdies bedingt ein Hochdruck-Kältekreislauf aufwendige Verdichter, Leitungen und Armaturen.The disadvantage of this method is that it consumes considerable energy for the generation of the necessary cold must be provided or that the product streams can only be obtained under relatively low pressure. Moreover, conditionally a high-pressure refrigeration circuit, complex compressors, pipes and fittings.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu entwickeln, das energetisch günstig und mit geringem apparativem Aufwand durchführbar ist.The present invention is therefore based on the object of a method to develop the type mentioned at the beginning, which is energetically favorable and with little can be carried out with an outlay on equipment.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil des Wasserstoffes vor der Abkühlung bzw.This object is achieved in that at least one Part of the hydrogen before cooling or

der Adsorption durch Diffusion an semipermeablen Membranen von dem Gasgemisch abgetrennt wird.adsorption by diffusion on semipermeable membranes of the Gas mixture is separated.

Die Abtrennung von Wasserstoff an semipermeablen Membranen ist zwar grundsätzlich bekannt, sie weist jedoch den Nachteil auf, daß der Wasserstoff einen erheblichen Druckverlust beim Durchgang durch die Membranen erleidet, so daß das Verfahren daher als energetisch ungünstig angesehen wurde, insbesondere weil bei einer Ammoniaksynthese der Wasserstoff unter hohem Druck benötigt wird. Erst durch die erfindungsgemäße Kombination zweier Verfahrensschritte, nämlich einer Diffusion und einer Adsorption oder einem Kälteprozeß ist es möglich, jeden Anlagenteil in dem für ihn günstigsten Betriebsbereich einzusetzen, wodurch eine opti- male Anpassung an gegebene Randbedingungen ermöglicht wird.The separation of hydrogen on semipermeable membranes is true known in principle, but it has the disadvantage that the hydrogen one suffers considerable pressure loss when passing through the membranes, so that the Process was therefore viewed as energetically unfavorable, especially because at an ammonia synthesis which requires hydrogen under high pressure. Only by the inventive combination of two process steps, namely a diffusion and an adsorption or a refrigeration process, it is possible to put every part of the system in to use the most favorable operating area for him, whereby an optimal times Adaptation to given boundary conditions is made possible.

Der apparative und der energetische Aufwand für die SefleX gung wird dadurch optimiert.The equipment and the energetic expenditure for the SefleX supply is thereby optimized.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, wenn die Bestandteile des zu zerlegenden Gasgemisches Siedet temperaturen von ca. 120 K und darunter aufweisen, weil dann die erzielbaren wirtschaftlichen Vorteile besonders groß sind.The inventive method is particularly advantageous when the Components of the gas mixture to be broken down boil at temperatures of approx. 120 K and show below, because then the achievable economic advantages particularly are great.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Diffusion höchstens 60% des Wasserstoffes von dem Gasgemisch abgetrennt, während der restliche Teil des Wasserstoffes durch partielle Kondensation der übrigen Bestandteile des Gasgemisches abgetrennt wird.In a preferred embodiment of the method according to the invention a maximum of 60% of the hydrogen is separated from the gas mixture during diffusion, while the remaining part of the hydrogen by partial condensation of the rest Components of the gas mixture is separated.

Vorzugsweise werden etwa 20-40%, insbesondere etwa 30% des Wasserstoffes bei der Diffusion abgetrennt. Bei Bedarf wird das Kondensat zur Rückgewinnung einer Komponente, beispielsweise Argon, anscließend rektifiziert.Preferably about 20-40%, especially about 30% of the hydrogen separated during diffusion. If necessary, the condensate is used to recover a Component, for example argon, then rectified.

Durch die relativ niedrige Ausbeute forderung an die Niederdruck fraktion bei der Diffusion wird die benötigte Membran-Austauschfläche klein und der Druckverlust, den die Niederdruckfraktion bei der Diffusion erleidet, verhältnismäßig niedrig gehalten. Die wasserstoffarme Hochdruckfraktion wird in einem nachfolgenden Adsorptions- oder Kondensationsprozeß weiter zerlegt. Da bei diesem nachfolgenden Prozeß die Gasmenge der Wasserstoffgehalt im Gas bereits relativ niedrig ist, läßt sich der apparative Aufwand gering halten.Due to the relatively low yield demand on the low pressure fraction During diffusion, the required membrane exchange area becomes small and the pressure loss, which the low-pressure fraction suffers during diffusion is relatively low held. The low-hydrogen high-pressure fraction is in a subsequent adsorption or condensation process further decomposed. Since in this subsequent process the The amount of hydrogen in the gas is already relatively low, the Keep equipment costs low.

Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bei der Diffusion mehr als 60% des Wasserstoffes von dem Gasgemisch abgetrennt und wird zumindest einer der in dem restlichen Gasgemisch enthaltenen Bestand- teile durch Rektifikation oder Wäsche von den übrigen Bestandteilen abgetrennt.In another embodiment of the method according to the invention more than 60% of the hydrogen is separated from the gas mixture during diffusion and is at least one of the constituents contained in the remaining gas mixture share separated from the remaining components by rectification or washing.

Bei der Tieftemperaturzerlegung ist der Kältebedarf und damit der Energieeinsatz durch den Partialdruck der kondensierbaren Bestandteile des Gasgemisches bestimmt. Der Partialdruck ist umso höher, je geringer der Wasserstoffanteil in dem Gasgemisch ist. Daher wird erfindungsgemäß noch vor dem Tieftemperaturprozeß der größte Teil des Wasserstoffes durch Diffusion abgetrennt. Bei der Diffusion tritt zwar ein Energieverlust durch den Druckabfall des Wasserstoffes beim Durchgang durch die semipermeablen Membranen auf, da aber das Gasgemisch, das dann abgekühlt und der Tieftemperaturzerlegung zugeführt wird, weitgehend von Wasserstoff befreit ist, ist zur Gewinnung der kondensierbaren Bestandteile weitaus weniger Energie für die Kälteerzeugung als bisher erforderlich, so daß insgesamt gesehen das Verfahren energetisch günstiger ist.In the case of low-temperature decomposition, the refrigeration requirement and thus the Energy input through the partial pressure of the condensable components of the gas mixture certainly. The partial pressure is higher, the lower the hydrogen content in the gas mixture. Therefore, according to the invention, before the low-temperature process most of the hydrogen is separated by diffusion. In diffusion There is indeed a loss of energy due to the pressure drop in the hydrogen during passage through the semipermeable membrane, but there is the gas mixture, which is then cooled and is fed to the cryogenic decomposition, largely freed from hydrogen is, there is far less energy to obtain the condensable components for the refrigeration than previously required, so that overall the process is energetically cheaper.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist weiterhin den Vorteil auf, daß für die Kälteerzeugung ein Mitteldruck-Kältekreislauf ausreichend ist, so daß das Verfahren mit kleineren Verdichtern als bisher auskommt.The inventive method also has the advantage that a medium pressure refrigeration circuit is sufficient for the refrigeration, so that the Process with smaller compressors than before.

Bei einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gasgemisch nach Abtrennung des Wasserstoffes bei gleichzeitiger Beheizung einer Trennstufe zur Zerlegung des restlichen Gasgemisches zumindest teilweise verflüssigt.In a preferred development of the method according to the invention is the gas mixture after separation of the hydrogen with simultaneous heating at least partially liquefied in a separation stage for breaking down the remaining gas mixture.

Das wasserstoffarme Rohgasgemisch kondensiert relativ leicht und wird unter gleichzeitiger Beheizung einer Trennstufe, in der zwei der tief siedenden Bestandteile voneinander getrennt werden, mindestens zum Teil verflüssigt.The low-hydrogen raw gas mixture condenses relatively easily and becomes with simultaneous heating of a separation stage in which two of the low-boiling ones Components are separated from each other, at least partially liquefied.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Sumpfflüssigkeit aus einer Trennstufe znt Zerlegung des restlichen Gasgemisches bei unteratmosphärischem Druck verdampft.According to a preferred embodiment of the method according to the invention sump liquid from a separation stage znt decomposition of the remaining gas mixture evaporated at sub-atmospheric pressure.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das Verdampfen durch Wärmezufuhr aus einem Kältekreislauf, der zugleich zur Kühlung der Trennstufe herangezogen wird, erfolgt.In particular, it is advantageous if the evaporation is carried out by supplying heat from a refrigeration cycle, which is also used to cool the separation stage, he follows.

Durch die Druckabsenkung kann auch der Druck des Kältekreislaufs niedriger gewählt werden. In dem Kältekreislauf zirkuliert beispielsweise Stickstoff, der bei diesem Wärmetausch verflüssigt wird. Der Unterdruck liegt beispielsweise in der Größenordnung von 0,1 bis 0,5 bar.The pressure reduction can also lower the pressure of the refrigeration circuit to get voted. For example, nitrogen circulates in the refrigeration circuit, the is liquefied during this heat exchange. The negative pressure is, for example, in of the order of 0.1 to 0.5 bar.

In weiterer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorgeschlagen, daß das in dem Kältekreislauf geführte Fluid Bestandteil des restlichen Gasgemisches ist.In a further embodiment of the method according to the invention, it is proposed that that the fluid carried in the refrigeration circuit is part of the remaining gas mixture is.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens der unteratmosphärische Druck durch Strahlverdichtung mittels dem gasförmigen Anteil des teilweise verflüssigten restlichen Gasgemis#ches als Treibstahl erzeugt wird.It proves to be advantageous if, in a further development of the invention Process the sub-atmospheric pressure by jet compression by means of the gaseous Part of the partially liquefied remaining gas mixture produced as propellant steel will.

Vor der Strahlverdichtung wird der gasförmige Anteil angewärmt. Der Unterdruck-Gasstrom wird bei der Strahlverdichtung auf etwa Atmosphärendruck rückverdichtet.Before the jet compression, the gaseous part is warmed up. Of the In the case of jet compression, the negative pressure gas flow is recompressed to approximately atmospheric pressure.

Insbesondere ist es von Vorteil, wenn das im Kreislauf geführte Medium den Trennstufen am Kopf zugeführt wird.In particular, it is advantageous if the circulating medium is fed to the separation stages at the head.

Das verflüssigte Kreislaufmedium wird dabei als Rücklaufflüssigkeit und/oder zur indirekten Kopfkühlung in den Trennstufen verwendet.The liquefied circulating medium is used as the reflux liquid and / or used for indirect head cooling in the separation stages.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zweckmäßig, wenn das Gasgemisch ein Purge-Gas aus einer Gas synthese ist. Beispiele solcher Gassynthesen sind die Ammoniaksynthese oder die Methanolsynthese.The inventive method is particularly useful when the Gas mixture is a purge gas from a gas synthesis. Examples of such gas syntheses are the ammonia synthesis or the methanol synthesis.

In dem speziellen Fall einer Ammoniaksynthese enthält das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu zerlegende Gasgemisch als wesentliche Bestandteile neben Wasserstoff noch Methan, Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid und Argon.In the special case of ammonia synthesis, that contains the Gas mixture to be decomposed according to the invention as essential components in addition to hydrogen, methane, nitrogen and / or carbon monoxide and argon.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfaßt eine Zuführungsleitung für ein Gasgemisch, die mindestens eine Wärmetauscheinrichtung oder einen Adsorber enthält und die in eine Trennsäule mündet, und ist dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wärmetauscheinrichtung bzw. dem Adsorber eine auf Wasserstoff selektiv wirkende Diffusionseinrichtung angeordnet ist.A device for carrying out the method according to the invention comprises a feed line for a gas mixture, the at least one heat exchange device or contains an adsorber and which opens into a separation column, and is characterized by that in front of the heat exchange device or the adsorber one selective for hydrogen acting diffusion device is arranged.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.The invention, as well as further details of the invention, will become apparent with reference to of schematically illustrated embodiments explained in more detail.

Hierbei zeigen die Figuren 1 bis 3 verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens am Beispiel der Zerlegung eines Purge-Gases aus der Ammoniak-Synthese.Figures 1 to 3 show different embodiments of the method according to the invention using the example of the decomposition of a purge gas the synthesis of ammonia.

Bei dem Verfahren gemäß Figur 1 soll ein Purge-Gas 1 (590 Nm3/h) zerlegt werden, das eine Zusammensetzung von beispielsweise 62% Wasserstoff, 20% Stickstoff, 11% Methan und 7% Argon, einen Druck von ca. 140 bar und eine Temperatur von 350C aufweist. In einer Trenneinrichtung 2, die semipermeable Membranen enthält, die für Wasserstoff durchlässig sind, wird der Wasserstoff 3 vom Purge-Gas abgetrennt. Der Druck des Wasserstoffs 3, der mit einer Reinheit von etwa 91% vorliegt, beträgt noch ca. 24 bar.In the method according to FIG. 1, a purge gas 1 (590 Nm3 / h) is to be broken down that has a composition of for example 62% hydrogen, 20% nitrogen, 11% methane and 7% argon, a pressure of approx. 140 bar and a temperature of 350C having. In a separation device 2, which contains semipermeable membranes, the are permeable to hydrogen, the hydrogen 3 is separated from the purge gas. The pressure of the hydrogen 3, which is present with a purity of about 91%, is still approx. 24 bar.

Das wasserstoffarme Rohgas 4 (7% Wasserstoff, 50% Stickstoff, 27% Methan, 16% Argon mit ca. 138 bar und 35°c| wird nun einer Tieftemperaturzerlegung zugeführt. Die Gasmenge beträgt nur noch etwa 35% der ursprünglichen Purgegas-Menge, so daß die Tieftemperaturanlage wesentlich kleiner und billiger ausgeführt sein kann.The low-hydrogen raw gas 4 (7% hydrogen, 50% nitrogen, 27% Methane, 16% argon with approx. 138 bar and 35 ° c | is now a cryogenic decomposition fed. The amount of gas is only about 35% of the original amount of purge gas, so that the cryogenic system can be made much smaller and cheaper can.

In einem Wärmetauscher 5 wird das Rohgas in Wärmetausch mit einem Stickstoff-Kältekreislauf sowie mit Restgas aus der Tieftemperaturzerlegung auf etwa 150 K abgekühlt.In a heat exchanger 5, the raw gas is in heat exchange with a Nitrogen refrigeration cycle as well as residual gas from the low-temperature decomposition cooled about 150 K.

Das gekühlte Rohgas wird anschließend durch Beheizung des Sumpfes einer ersten Trennsäule 6 sowie in einem Wärmetauscher 7 und durch Beheizung einer zweiten Trennsäule 8 weiter bis auf etwa 95 K abgekühlt. Das kalte Gas wird entspannt und dabei teilweise verflüssigt. In einem Abscheider 9 wird der flüssige Anteil von dem gasförmigen abgetrennt und über eine Leitung 10 in die erste Trennsäule 6 entspannt. Die Trennsäule 6 wird bei einem Druck von 2 bar betrieben.The cooled raw gas is then heated by heating the sump a first separation column 6 and in a heat exchanger 7 and by heating a second separation column 8 further cooled down to about 95 K. The cold gas is expanded and thereby partially liquefied. In a separator 9, the liquid portion separated from the gaseous and via a line 10 into the first separation column 6 relaxed. The separation column 6 is operated at a pressure of 2 bar.

In der Trennsäule 6, deren Kopf durch flüssigen Stickstoff 22 gekühlt ist, wird das Methan sumpfseitig von dem Stickstoff und Argon abgetrennt, die über den Kopf der Trennsäule 6 gasförmig entnommen werden (Leitung 13). Das Methan 11 wird zusammen mit der gasförmigen Fraktion 12 aus dem Abscheider 9 in den Wärmetauschern 7 und 5 angewärmt und aus der Anlage entfernt.In the separation column 6, the head of which is cooled by liquid nitrogen 22 is, the methane is separated on the sump side from the nitrogen and argon, which over the top of the separation column 6 can be removed in gaseous form (line 13). Methane 11 is together with the gaseous fraction 12 from the separator 9 in the heat exchangers 7 and 5 warmed up and removed from the system.

Das Stickstoff-Argon-Gemisch wird der Trennsäule 8 zugeführt, die bei einem Druck von 1,3 bar betrieben wird.The nitrogen-argon mixture is fed to the separation column 8, the operated at a pressure of 1.3 bar.

Durch die bereits erfolgte Abtrennung des Wasserstoffes in der Trenneinrichtung 2 kann die Abtrennung des Argon bereits bei einer relativ hohen Temperatur durchgeführt werden. Die Trennsäule 8 wird mit flüssigem Stickstoff aus einem Vorratsbehälter 14 beaufschlagt. Das Argon wird sumpfseitig über Leitung 15 aus der Trennsäule 8 entnommen (47 Nm3/h mit ca. 91 K). Über den Kopf der Trennsäule 8 wird Stickstoff 16 entnommen und in einen Stickstoff-Kältekreislauf eingespeist, bei dem Stickstoff aus dem Vorratsbehälter 14 in einem Wärmetauscher 21 gegen Kreislaufstickstoff und im Wärmetauscher 5 gegen das Rohgas 4 und Kreislaufstickstoff angewärmt und in einem dreistufigen Verdichter 18 auf etwa 25 bis 30 bar verdichtet wird.Because the hydrogen has already been separated off in the separating device 2, the separation of the argon can already be carried out at a relatively high temperature will. The separation column 8 is filled with liquid nitrogen from a storage container 14 applied. The argon is made on the sump side via line 15 taken from the separation column 8 (47 Nm3 / h at approx. 91 K). Over the top of the separation column 8 nitrogen 16 is withdrawn and fed into a nitrogen refrigeration cycle, in the case of the nitrogen from the storage container 14 in a heat exchanger 21 against circulating nitrogen and warmed up in the heat exchanger 5 against the raw gas 4 and circulating nitrogen and is compressed in a three-stage compressor 18 to about 25 to 30 bar.

Eine dem über das Purge-Gas zugeführten Stickstoff entsprechende Stickstoffmenge wird über Leitung 17 entnommen.An amount of nitrogen corresponding to the nitrogen supplied via the purge gas is taken via line 17.

Mitteldruckstickstoff 19 von der zweiten und Hochdruckstickstoff von der dritten Verdichterstufe werden beide im Wärmetauscher 5 abgekühlt. Der Hochdruckstickstoff 20 dient zur Beheizung des Sumpfes der ersten Trennsäule 6 und wird, nach Abkühlung im Eätmrzsudvhrt 21, in den Vorratsbehälter 14 entspannt. Der Mitteldruckstickstoff 19 dient zur Beheizung des Sumpfes der zweiten Trennsäule 8 und wird ebenfalls in den Vorratsbehälter 14 entspannt.Medium pressure nitrogen 19 from the second and high pressure nitrogen from the third compressor stage are both cooled in the heat exchanger 5. The high pressure nitrogen 20 is used to heat the bottom of the first separation column 6 and is, after cooling in Eätmrzsudvhrt 21, relaxed in the storage container 14. The medium pressure nitrogen 19 is used to heat the bottom of the second separation column 8 and is also in the reservoir 14 relaxed.

Figur 2 zeigt ein modifiziertes Verfahren gemäß Figur 1.FIG. 2 shows a modified method according to FIG. 1.

Purge-Gas 31 aus einer Ammoniak-Synthese wird in einer Trenneinrichtung 32 durch Diffusion an semipermeablen Membranen in Wasserstoff 33 und ein wasserstoffarmes Purge-Gas 34 zerlegt (beispielsweise 2.400 Nin3/h mit einem Druck größer gleich 40 bar), Eventuelle Spuren von Ammoniak und Wasser werden in einem Feinreiniger 35 entfernt. In einem Wärmetauscher 36 wird das Purge-Gas abgekühlt und einem Kondensatorverdampfer im Sumpf einer ersten Trennsäule 37 zugeführt, in welchem das Purge-Gas teilweise kondensiert. Der verflüssigte Anteil 38 wird der Trennsäule 37 zugeführt, die bei einem Druck von ca. 2 bar betrieben wird. Der gasförmige Anteil 39 wird nach Abkühlung in einem Wärmetauscher 40 in Wärmetausch mit entspannter Säulensumpfflüssigkeit, bei dem ein Teil des Gases auskondensiert, einem Abscheider 41 zugeführt, in dem eine flüssige Frak- tion 42, die ebenfalls in die Trennsäule 37 geleitet wird, von einer gasförmigen Fraktion 43, die im wesentlichen Restwasserstoff und Stickstoff enthält, getrennt wird. Aus der Trennsäule 37 wird sumpfseitig Methan entnommen, während über den Kopf der Trennsäule 37 ein im wesentlichen Stickstoff und Argon enthaltendes Gasgemisch entnommen wird (Leitung 47).Purge gas 31 from an ammonia synthesis is in a separation device 32 by diffusion on semipermeable membranes in hydrogen 33 and a hydrogen-poor one Purge gas 34 decomposed (for example 2,400 Nin3 / h with a pressure greater than or equal to 40 bar), possible traces of ammonia and water are cleaned in a fine cleaner 35 away. The purge gas is cooled in a heat exchanger 36 and a condenser evaporator fed in the bottom of a first separation column 37, in which the purge gas is partially condensed. The liquefied portion 38 is fed to the separation column 37, which is at operated at a pressure of approx. 2 bar. The gaseous portion 39 is after cooling in a heat exchanger 40 in heat exchange with relaxed column sump liquid, in which part of the gas condenses out, fed to a separator 41 in which a liquid frac- tion 42, which is also in the separation column 37 is passed by a gaseous fraction 43, which is essentially residual hydrogen and containing nitrogen. Methane is converted from the separation column 37 on the sump side taken while over the top of the separation column 37 an essentially nitrogen and gas mixture containing argon is withdrawn (line 47).

Die Gasfraktion 43, die einen Druck von ca. 35 bar aufweist, wird in einem Teil des Wärmetauschers 36 auf etwa 180 K angewärmt und zum Antrieb eines Strahlverdichters 44 verwendet, der einen Teil des Methans 45 aus dem Sumpf der Trennsäule 37 ansaugt und auf etwa Atmosphärendruck rückverdichtet. Das Methan wird zuvor bei einem Druck von ca.The gas fraction 43, which has a pressure of about 35 bar, is warmed in part of the heat exchanger 36 to about 180 K and to drive one Jet compressor 44 used, the part of the methane 45 from the sump of the Separating column 37 is sucked in and recompressed to about atmospheric pressure. The methane will previously at a pressure of approx.

0,3 bar in einem Wärmetauscher 46 gegen Kreislaufstickstoff verdampft. Das restliche Methan 48 aus der Trennsäule 37 wird im Treibstrahl hinter dem Strahlverdichter 44 zugemischt und gemeinsam mit diesem nach Anwärmung im Wärmetauscher 36 zugeführt.0.3 bar evaporated in a heat exchanger 46 against circulating nitrogen. The remaining methane 48 from the separation column 37 is in the propulsion jet behind the jet compressor 44 mixed in and fed together with this after heating in the heat exchanger 36.

Das Gas 47 vom Kopf der ersten Trennsäule 37 wird einer zweiten Trennsäule 49 zugeführt, in der Argon (sumpfseitig) und Stickstoff (kopfseitig) voneinander getrennt werden.The gas 47 from the top of the first separation column 37 becomes a second separation column 49 supplied, in the argon (sump side) and nitrogen (head side) from each other be separated.

Die Trennsäule 49 wird mit flüssigem Stickstoff 50 aus dem Stickstoff-Kältekreislauf beaufschlagt. Bei Bedarf, d.h.The separation column 49 is filled with liquid nitrogen 50 from the nitrogen refrigeration cycle applied. If necessary, i.e.

wenn flüssiges Argon entnommen wird, wird zusätzlicher flüssiger Stickstoff, beispielsweise aus einer Luftzerlegungsanlage, über Leitung 51 zugeführt.if liquid argon is withdrawn, additional liquid nitrogen is used, for example from an air separation plant, supplied via line 51.

Aus dem Sumpf der Trennsäule 49 werden etwa 300 Nm3/h Argon flüssig entnommen (Leitung 52). Sofern das Argon gasförmig benötigt wird, kann der zusätzliche flüssige Stickstoff 51 entfallen.About 300 Nm3 / h of argon are liquid from the bottom of the separation column 49 taken (line 52). If the argon is required in gaseous form, the additional liquid nitrogen 51 is omitted.

Auch bei der Ausführungsform ist der Kältebedarf für die Argonabtrennung wegen der vorher erfolgten Abtrennung des Wasserstoffes relativ gering.Also in the embodiment, the cooling requirement for the Argon separation relatively low because of the previous separation of hydrogen.

Vom Kopf der Trennsäule 49 wird Stickstoff 53 entnommen und dem Stickstoff-Kältekreislauf zugeführt, bei dem Stickstoff in einem Wärmetauscher 54 gegen Kreislauf-Stickstoff und im Wärmetauscher 36 gegen Kreislaufstickstoff und Purge-Gas angewärmt, in einem Verdichter 55 auf etwa 9 bar verdichtet, nach Abführung der Kompressionswärme im Wärmetauscher 36 abgekühlt, im Wärmetauscher 46 gegen verdampfendes Methan weiter abgekühlt und verflüssigt und zur Beheizung des Sumpfes der Trennsäule 49 verwendet wird. Die flüssige Stickstoff wird im Wärmetauscher 54 unterkühlt und zum Teil auf die Trennsäule 49 aufgegeben, in der er für den notwendigen Umsatz sorgt, und zum Teil nach Entspannung auf etwa 1,5 bar zur indirekten Kühlung des Kopfes der Trennsäule 37 verwendet, um dort den notwendigen Rücklauf zu erzeugen. Stickstoffabgas aus dem Kreislauf wird über Leitung 56 abgelassen.Nitrogen 53 is withdrawn from the top of the separation column 49 and from the nitrogen refrigeration circuit supplied, in the case of nitrogen in a heat exchanger 54 against circulating nitrogen and warmed up against circulating nitrogen and purge gas in the heat exchanger 36, all in one Compressor 55 compressed to about 9 bar, after dissipating the heat of compression in the Heat exchanger 36 cooled, in the heat exchanger 46 against evaporating methane further cooled and liquefied and used to heat the bottom of the separation column 49 will. The liquid nitrogen is subcooled in the heat exchanger 54 and partially up abandoned the separation column 49, in which he ensures the necessary conversion, and for Part after relaxation to about 1.5 bar for indirect cooling of the head of the separation column 37 is used to generate the necessary return there. Nitrogen exhaust the circuit is drained via line 56.

Durch die Verdampfung des Methans bei Unterdruck im Wärmetauscher 46 genügt es, den Stickstoff im Gegensatz zu dem in Figur 1 beschriebenen Verfahren nur auf einen Druck von ca. 9 bar zu verdichten.Through the evaporation of the methane under negative pressure in the heat exchanger 46 it is sufficient to use the nitrogen, in contrast to the method described in FIG can only be compressed to a pressure of approx. 9 bar.

Die Kälteverluste der Anlage werden allein durch den Joule-Tomson-Effekt des Rohgases (Entspannung von ca. 40 auf 1 bar) gedeckt, wenn das produzierte Argon gasförmig gewonnen wird. Hauptvorteil gegenüber dem üblichen Konzept ist dabei, daß der übliche Stickstoff-Kreislauf wegen des nur mehr niedrigen Druckes von 9 bar (gegenüber bisher mindestens 25 bis 30 bar) mit einem vergleichsweise billigen Turbo- oder Schraubenverdichter arbeiten kann, anstelle des sonst üblichen teuren Kolbenverdichters. Dabei ist der Energiebedarf ca. 30% geringer.The cold losses of the system are solely due to the Joule-Tomson effect of the raw gas (expansion from approx. 40 to 1 bar) covered if the argon produced is obtained in gaseous form. The main advantage over the usual concept is that the usual nitrogen cycle because of the only low pressure of 9 bar (compared to previously at least 25 to 30 bar) with a comparatively cheap one Turbo or screw compressor can work instead of the otherwise expensive one Reciprocating compressor. The energy requirement is approx. 30% lower.

Figur 3 zeigt ein Verfahren zur Rückgewinnung von Wasserstoff aus dem Rohgas einer Ammoniaksynthese. Das Rohgas 61 wird in eine Waschsäule 62 geleitet, die mit Wasser 63 beaufschlagt ist. Die Wasserwäsche dient zur Entfernung von Ammoniak aus dem Rohgas, das im Wasser gelöst über Leitung 64 aus der Waschsäule 62 abgeführt wird. Das Rohgas verläßt die Waschsäule 62 über Kopf und wird durch einen Trockner 65 geleitet, in dem restliches Wasser aus dem Rohgas entfernt wird. Die charakteristischen Daten des Rohgases nach dem Trockner 65 am Punkt A sind in Tabelle 1 angegeben.Figure 3 shows a method for recovering hydrogen from the raw gas of an ammonia synthesis. The raw gas 61 is passed into a scrubbing column 62, which is acted upon by water 63. The water wash is used to remove ammonia from the raw gas, which dissolved in the water, is discharged from the scrubbing column 62 via line 64 will. The crude gas leaves the scrubbing column 62 overhead and is passed through a dryer 65 passed, in which the remaining water is removed from the raw gas. The characteristic Data on the raw gas after the dryer 65 at point A are given in Table 1.

Das Rohgas wird in eine Diffusionseinrichtung 66 geleitet, die aus vier parallel durchströmten Einheiten gebildet ist, Die Diffusionseinrichtung 66 enthält semipermeable Membranen, die für Wasserstoff durchlässig sind. Auf der Niederdruckseite der Diffusionseinrichtung 66 wird eine wasserstoffreiche Fraktion 67 mit relativ niedrigem Druck, auf der Druckseite der Diffusionseinrichtung 66 eine wasserstoffarme Fraktion 68 mit relativ höherem Druck gewonnen. Die charakteristischen Daten der Gasströme 67, 68 an den Punkten B, F sind in Tabelle 1 zusammengestellt.The raw gas is passed into a diffusion device 66, which consists of four units through which there is flow in parallel, the diffusion device 66 contains semi-permeable membranes that are permeable to hydrogen. On the low pressure side the diffusion device 66 is a hydrogen-rich fraction 67 with relative low pressure, on the pressure side of the diffusion device 66 a hydrogen-poor Fraction 68 won with relatively higher pressure. The characteristic data of the Gas flows 67, 68 at points B, F are compiled in Table 1.

Der Trockner 65 kann statt vor auch nach der Diffusionseinrichtung 66 in der Leitung 68 angeordnet sein (gestrichelte Darstellung). Da ein großer Teil des Wassers im Membranprozeß abgetrennt wird und überdies an dieser Stelle die Gasmenge kleiner ist, kann bei dieser Anordnung der Trockner wesentlich kleiner ausgeführt sein.The dryer 65 can, instead of before, also after the diffusion device 66 be arranged in the line 68 (dashed line). Because a large part of the water is separated off in the membrane process and, moreover, the amount of gas at this point is smaller, the dryer can be made much smaller with this arrangement be.

Der Gasstrom 68 wird in einem Wärmetauscher 70 abgekühlt, wobei insbesondere die relativ hochsiedenden Bestandteile des Gasgemisches außer dem Wasserstoff kondensiert werden.The gas stream 68 is cooled in a heat exchanger 70, in particular the relatively high-boiling components of the gas mixture apart from the hydrogen condensed will.

In einem nachfolgenden Abscheider 71 wird das Kondensat von dem wasserstoffreichen Dampf abgetrennt. Sowohl das aus dem Sumpf des Abscheiders 71 entnommene Kondensat 72 als auch der gasförmig verbliebene Anteil 73 werden in Gegenstrom zu dem Gasstrom 68 durch den Wärmetauscher 70 geführt. Die charakteristischen Daten dieser beiden Ströme an den Punkten C, D sind in Tabelle 1 zusammengestellt.In a subsequent separator 71, the condensate is rich in hydrogen Separated steam. Both the condensate removed from the sump of the separator 71 72 and the portion 73 remaining in gaseous form are in countercurrent led to the gas stream 68 through the heat exchanger 70. The characteristic data of these two streams at points C, D are summarized in Table 1.

Der Wasserstoff 73 wird mit dem Wasserstoff 67 aus der Diffusionseinrichtung 66, welcher zuvor mittels Verdichter 74 auf den benötigten Druck gebracht worden ist, vermischt und das entstandene Gemisch in einem Verdichter 75 auf 130 bar verdichtet. Die charakteristischen Daten am Punkt E sind in Tabelle 1 aufgeführt. Der verdichtete Gasstrom 76 wird schließlich mit einem Gasstrom 77 des Syntheseprozesses, der im wesentlichen Wasserstoff und Stickstoff enthält, vermischt. Der Gasstrom 77 ist zuvor in zwei Verdichtern 78, 79 von ca. 25 auf zunächst ca. 70 und dann auf 130 bar verdichtet worden. Das entstandene Gasgemisch 80 wird einer Ammoniaksyntheseanlage zugeführt, die in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Ausbeute von 91,68 erzielt.The hydrogen 73 becomes with the hydrogen 67 from the diffusion device 66, which has previously been brought to the required pressure by means of a compressor 74 is, mixed and the resulting mixture is compressed in a compressor 75 to 130 bar. The characteristic data at point E are shown in Table 1. The condensed one Gas stream 76 is finally with a gas stream 77 of the synthesis process, which in the contains substantial hydrogen and nitrogen, mixed. The gas stream 77 is previously in two compressors 78, 79 from approx. 25 to initially approx. 70 and then to 130 been compressed in cash. The resulting gas mixture 80 is used in an ammonia synthesis plant supplied, which is not shown in the drawing. With the invention Process gives a yield of 91.68.

Die Verdichter 74 und 75 können entfallen, wenn das Gas 76 vor dem Verdichter 78 oder vor dem Verdichter 79 in den Gasstrom 77 eingeleitet wird.The compressors 74 and 75 can be omitted if the gas 76 before Compressor 78 or before the compressor 79 is introduced into the gas flow 77.

Der Energiebedarf für dieses Verfahren mit dem in Tabelle 1 angegebenen Zahlenwerten beträgt 34,1 KW bzw. 83,6 KW, je nachdem, ob die Verdichter 74, 75 enthalten sind oder nicht. Würde die Wasserstoff-Wiedergewinnung bei vergleichbarer Wasserstoffreinheit und Wasserstoffausbeute ausschließlich durch Diffusion erfolgen, so würde der Energiebedarf etwa 126 KW betragen.The energy requirements for this procedure match that given in Table 1 Numerical values is 34.1 KW or 83.6 KW, depending on whether the compressors 74, 75 are included or not. Would the hydrogen recovery at comparable Hydrogen purity and hydrogen yield take place exclusively through diffusion, so the energy requirement would be about 126 KW.

Tabelle 1 A B C D E F Nm3/H 3821 2996 1342 1654 2479 825 Bar 140,6 126,5 1,5 110,0 130,0 82,6 K 305 305 295 295 305 305 Mol% H2 62,2 55,5 14,8 88,6 88,0 87,0 N2 20,9 24,7 43,8 9,1 8,5 7,2 CH4 10,7 12,6 27,4 0,7 1,7 3,7 Ar 6,1 7,2 14,0 1,6 1,8 2,1 Table 1 A B C D E F Nm3 / H 3821 2996 1342 1654 2479 825 bar 140.6 126.5 1.5 110.0 130.0 82.6 K 305 305 295 295 305 305 mole% H2 62.2 55.5 14.8 88.6 88.0 87.0 N2 20.9 24.7 43.8 9.1 8.5 7.2 CH4 10.7 12.6 27.4 0.7 1.7 3.7 Ar 6.1 7, 2 14.0 1.6 1.8 2.1

Claims (12)

Patentansprüche 1. Verfahren zur Zerlegung eines Gasgemisches, das Wasserstoff sowie mindestens einen weiteren Bestandteil enthält, durch Adsorption oder durch Abkühlung und partielle Kondensation und/oder Rektifikation und/oder Wäsche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil des Wasserstoffs vor der Adsorption oder der Abkühlung durch Diffusion an semipermeablen Membranen von dem Gasgemisch abgetrennt wird. Claims 1. A method for decomposing a gas mixture that Contains hydrogen and at least one other component by adsorption or by cooling and partial condensation and / or rectification and / or Laundry, characterized in that at least part of the hydrogen before Adsorption or cooling by diffusion on semipermeable membranes of the Gas mixture is separated. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Diffusion höchstens 60% des Wasserstoffes von dem Gasgemisch abgetrennt werden, während der restliche Teil des Wasserstoffes durch partielle Kondensation der übrigen Bestandteile des Gasgemisches abgetrennt wird.2. The method according to claim 1, characterized in that in the Diffusion no more than 60% of the hydrogen is separated from the gas mixture, while the remaining part of the hydrogen by partial condensation of the rest Components of the gas mixture is separated. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Diffusion mehr als 608 des Wasserstoffes von dem Gasgemisch abgetrennt werden und daß zumindest einer der in dem restlichen Gasgemisch enthaltenen Bestandteile durch Rektifikation oder Wäsche von den übrigen Bestandteilen abgetrennt wird.3. The method according to claim 1, characterized in that in the Diffusion more than 608 of the hydrogen can be separated from the gas mixture and that at least one of the components contained in the remaining gas mixture through Rectification or washing is separated from the remaining components. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das restliche Gasgemisch nach Abtrennung des Wasserstoffes bei gleichzeitiger Beheizung einer Trennstufe zur Zerlegung des restlichen Gasgemisches zumindest teilweise verflüssigt wird.4. The method according to claim 3, characterized in that the remaining gas mixture after separation of the hydrogen with simultaneous heating at least partially liquefied in a separation stage for breaking down the remaining gas mixture will. 5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß Sumpfflüssigkeit aus einer Trennstufe zur Zerlegung des restlichen Gasgemisches bei unteratmosphärischem Druck verdampft wird.5. The method according to claim 3 or 4, characterized in that sump liquid from a separation stage for the decomposition of the remaining gas mixture in the case of subatmospheric Pressure is evaporated. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verdampfen durch Wärmezufuhr aus einem Kältekreislauf, der zugleich zur Kühlung der Trennstufe herangezogen wird, erfolgt.6. The method according to claim 5, characterized in that the evaporation by supplying heat from a cooling circuit, which is also used to cool the separation stage is used. 7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem Kältekreislauf geführte Fluid Bestandteil des restlichen Gasgemisches ist.7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the Fluid guided in the refrigeration circuit is part of the remaining gas mixture. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der unteratmosphärische Druck durch Strahlverdichtung mittels dem gasförmigen Anteil des teilweise verflüssigten restlichen Gasgemisches als Treibstrahl erzeugt wird.8. The method according to any one of claims 5 to 7, characterized in that that the sub-atmospheric pressure by jet compression by means of the gaseous Part of the partially liquefied remaining gas mixture generated as a propulsion jet will. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das im Kältekreislauf:geführte Fluid den Trennstufen am Kopf zugeführt wird.9. The method according to any one of claims 5 to 8, characterized in that that the fluid guided in the refrigeration cycle is fed to the separation stages at the head. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch ein Purgegas aus einer Gassynthese ist.10. The method according to any one of claims 1 to 9, characterized in, that the gas mixture is a purge gas from a gas synthesis. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge- kennzeichnet, daß das Gasgemisch neben Wasserstoff hoch Argon, Methan und/oder Stickstoff und/oder Kohlenmonoxid als weitere tiefsiedende Bestandteile enthält.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized indicates that the gas mixture is high in addition to hydrogen Argon, methane and / or Contains nitrogen and / or carbon monoxide as further low-boiling components. 12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Zuführungsleitung für ein Gasgemisch, die mindestens eine Wärmetauscheinrichtung oder einen Adsorber enthält und die in eine Trenneinrichtung mündet, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Wärmetauscheinrichtung bzw. dem Adsorber eine auf Wasserstoff selektiv wirkende Diffusionseinrichtung mit semipermeablen Membranen angeordnet ist.12. Apparatus for performing the method according to claim 1 with a supply line for a gas mixture, the at least one heat exchange device or contains an adsorber and which opens into a separating device, characterized in that that in front of the heat exchange device or the adsorber one selective for hydrogen acting diffusion device is arranged with semipermeable membranes.
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