DE69104384T2 - Umkehrbare Membrananlage. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Gastrennungsvorrichtungen. Insbesondere betrifft sie Vorrichtungen zur Trennung einer Gasmischung mittels semi-permeabler Membranen, durch welche die jeweiligen Komponenten der Mischung mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten diffundieren.
• Die Verwendung semi-permeabler Membranen zur Trennung von Gasmischungen ist eine bekannte Technik bei der Herstellung industrieller Gase geworden. Bekannte Anlagen für die Trennung einer Gasmischung durch derartige Membranen sind so entworfen, daß sie der zu trennenden Gasmischung einen großen Membranoberflächenbereich präsentieren. Zum Beispiel können derartige Anlagen eine Vielzahl identischer, länglicher, hohler Fasern einsetzen, die aus einer geeigneten semi-permeablen Membran gebildet sind und sich parallel zueinander erstrecken. Die Fasern sind geeignet montiert, typischerweise in einem Druckgefäß. Die zu trennende Gasmischung wird in eine Öffnung hinein an oder nahe einem Ende außerhalb der Fasern zugeführt. Sie strömt longitudinal zu den Fasern. Das Innere der Fasern wird auf einem Druck gehalten, der niedriger ist als derjenige, der auf deren Außenseite herrscht. Die Komponenten der Gasmischung diffundieren durch die Membranen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Während die Gasmischung entlang der Außenseite der Membran verläuft, gelangt so eine schneller durchdringende Verbindung mehr und mehr zur Seite niedrigen Drucks. Demgemäß wird das Gas auf der Außenseite der Fasern (der Seite hohen Drucks) reicher an der langsamer durchdringenden Komponenten oder Komponenten, während es entlang der Außenseite der Fasern strömt, und ein mit der langsamer diffundierenden Komponente angereichertes Produktgas kann unter Druck dem Ende des Druckgefäßes entgegengesetzt demjenigen, an welchem das Speisegas eingefuhrt wird, entnommen werden. Das Durchdringungsgas ist mit der schneller diffundierenden Komponente angereichert. Das Durchdringungsgas wird typischerweise dem Innern der Fasern am gleichen Ende des Gefäßes wie demjenigen, an welchem das Speisegas eingeführt wird, entnommen. Gegebenenfalls kann in einer alternative Anordnung das Speisegas der Innenseite der hohlen Fasern zugeführt und das Durchdringungsgas von der Außenseite entnommen werden.
• Es ist in der US-A-4 881 953 offenbart, daß die Produktivität der Membran um bis zu 25 % reduziert werden kann durch die Gegenwart von Verunreinigungen in der Speisegasmischung. Bei zum Beispiel der Herstellung von Stickstoff aus Luft, kann ein Übertrag von Öldampf von einem ölgefluteten Luftkompressor oder die Gegenwart von Kohlenwasserstoffen oder Säuregasen in der Umgebungsluft einen ungünstigen Effekt auf die Membranen haben. Demgemäß werden üblicherweise Maßnahmen, wie beispielsweise die Verwendung gekühlter Lufttrockner, die wirksam sind, um die Temperatur der ankommenden Luft auf unterhalb Umgebungstemperatur zu reduzieren und somit kondensierbare Verunreinigungen (z.B. Wasser) zu entfernen, und die Verwendung aktivierter Kohlenstoffilter, um die Speiseluft stromabwärts des Kompressors zu behandeln, ergriffen, um die Konzentration von Verunreinigungen in der in die Membrangefäße eintretenden Luft zu minimieren. Sogar wenn diese Maßnahmen ergriffen werden, können jedoch einige Verunreinigungen nach wie vor das Membrangefäß erreichen.
• Die Bedingungen am Speisegasende des Membrangefäßes können einen unverhältnismäßigen Effekt auf die Gesamtleistung der Gastrennungsvorrichtungen haben. Zum Beispiel hat eine Änderung in der Speiselufttemperatur am Speisegaseinlaß einen großen Effekt auf Produktertrag und -reinheit, bevor irgendeine Änderung in der Produkttemperatur am Produktgasauslaß zu erkennen ist, d.h. bevor die Membranen ein Temperaturgleichgewicht erreichen. Eine Verunreinigung durch beispielsweise Öldampf neigt außerdem dazu, am Speisegasende der Membranfasern konzentriert zu werden. Die Kombination dieser Effekte kann eine signifikante Herabsetzung der Leistung der Vorrichtungen ergeben, bevor der Hauptteil der Länge der Membranen kontaminiert wird. Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die oben beschriebenen Probleme verbessert.
• Gemäß dieser Erfindung wird eine Gastrennungsvorrichtung mit einem Feld semi-permeabler Gastrennungsmembranen geschaffen, welche jeweils auf ihrer einen Seite mit gegenüberliegenden ersten und zweiten Gasöffnungen kommunizieren, wobei in Betrieb eine von der einen Öffnung zur anderen Öffnung entlang jeder besagten einen Seite der Membranen strömende Speisegasmischung in der Lage ist, vermöge unterschiedlicher Permeationsgeschwindigkeiten der Komponenten der Gasmischung durch die Membranen getrennt zu werden, und die andere Öffnung ein Produktgas verschiedener Zusammensetzung von der Speisegasmischung empfängt; einer Speisegasleitung, um in die Vorrichtung eine zu trennende Gasmischung einzuführen; einer Produktgasleitung zum Fördern von Produktgas weg von der Vorrichtung, und Ventilmitteln, die betreibbar sind, um entweder die erste Öffnung stromaufwärts der zweiten Öffnung anzuordnen oder umgekehrt.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ermöglicht daher, daß die Strömungsrichtung zwischen den Öffnungen in gewählten Intervallen umgekehrt wird. Eine derartige Umkehrung neigt dazu, die vorherigen Stromaufwärtsoberflächen der Membranen zu reinigen, da sie auf eine Umkehrung hin einem Strom sauberen Gases mit einem relativ niedrigen Dampfdruck der gasförmigen Verunreinigung oder Verunreinigungen ausgesetzt werden, welcher eine Desorption der Verunreinigungen von der Membran anregt. Eine derartige Desorption kann weiter angeregt werden, indem das Ende einer Membranzelle oder eines Moduls lokal erwärmt wird. Typischerweise können elektrische Heizelemente zu diesem Zweck verwendet werden. Gegebenenfalls können etwa 20 % der Länge der Membranen auf diese Weise erwärmt werden.
• Gegebenenfalls kann eine Anzahl von separaten Feldern von Membranen vorhanden sein, jedes typischerweise in seinem eigenen Gefäß und parallel zu den anderen, wobei alle Felder eine gemeinsame Speisegasleitung und eine gemeinsame Produktgasleitung aufweisen. Alternativ oder zusätzlich können zwei oder mehr Felder von Membranen vorhanden sein, jedes typischerweise in seinem eigenen Gefäß und in Serie zueinander angeordnet. In einer derartigen Ausführungsform kann Gas vom Stromabwärtsfeld zum Stromaufwärtsfeld zurückgebracht werden, um die Gesamtleistung der Vorrichtung zu steigern. Zum Beispiel kann Durchdringungsgas vom Stromabwärtsfeld verwendet werden, um dabei zu helfen, Durchdringungsgas vom das Stromaufwärtsfeld enthaltenden Gefäß zu klären. Es ist außerdem in irgendeiner Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung möglich, etwas des Produkt gases zum Speisegas zurückzuführen. Falls derartige Ausführungsformen eingesetzt werden, gibt es dann eine Anordnung von Leitungen und Ventilen, welche es ermöglicht, daß die Rückführung fortfährt, auf eine Umkehrung der Speise- und Produktgasenden der Vorrichtung hin durchgeführt zu werden.
• Vorzugsweise umfaßt das Ventilmittel ein einzelnes Vier-Wege-Ventil mit vier Öffnungen, von denen eine mit der Speisegasleitung, eine weitere mit der Produktgasleitung, noch eine weitere mit der ersten Gasöffnung und die verbleibende Öffnung mit der zweiten Gasöffnung kommuniziert, und ein Ventilbauteil, welches zwischen Positionen bewegbar ist derart, daß in der einen Position die Speisegasleitung lediglich mit der ersten Gasöffnung und die Produktgasleitung lediglich mit der zweiten Gasöffnung kommuniziert, und in seiner anderen Position die Speisegasleitung lediglich mit der zweiten Gasöffnung und die Produktgasleitung lediglich mit der ersten Gasöffnung kommuniziert. Das Ventil kann manuell oder automatisch betrieben werden.
• In einer alternativen Ausführungsform können zwei Drei- Wege-Ventile eingesetzt werden, wobei ein derartiges Ventil, wenn es sich in der einen Position befindet, die Speisegasleitung in Kommunikation mit der ersten Gasöffnung setzt, und das andere derartige Ventil, wenn es sich in der einen Position befindet, die zweite Gasöffnung in Kommunikation mit der Produktgasleitung setzt, und die Ventile diese Funktionen in ihrer anderen Position umkehren. Derartige Ventile können manuell oder automatisch betrieben werden, jedoch muß Vorsicht walten gelassen werden, um sicherzustellen, daß zu keiner Zeit das Speisegas beiden Enden der Membranen zugeführt wird.
• Die Frequenz, mit der das Ventilmittel betrieben wird, um die Speisegas- und Produktenden des Membranfelds umzukehren, hängt von der Konzentration von Verunreinigungen im ankommenden Speisegas ab. Im Beispiel einer Lufttrennung können die Enden typischerweise in typisch regelmäßigen Intervallen jeweils einer Dauer im Bereich von 5 bis 50 Tagen umgekehrt werden. Eine regelmäßigere Umkehrung kann in dem Fall erforderlich sein, daß die Luft nicht gefiltert und gekühlt wird stromaufwärts ihres Durchgangs durch das Ventilmittel.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann verwendet werden, um Luft oder andere Gasmischungen zu trennen.
• Der Begriff 'Produktgas' wird hierin verwendet, um das Nicht-Durchgangsgas zu identifizieren, das als ein Ergebnis der Trennung erzeugt wird, und zwar unabhängig davon, ob dieses Gas anschließend in einem industriellen Prozeß verwendet wird oder lediglich ein Ausschußprodukt darstellt, wobei das Durchgangsgas anschließend in einem industriellen Prozeß verwendet wird.
• Der Begriff 'semi-permeable Membranen', wie hierin verwendet, bedeutet, daß die Membranen in der Lage sind, verwendet zu werden, um eine Gasmischung vermöge unterschiedlicher Diffusionsgeschwindigkeiten unterschiedlicher Komponenten der Gasmischung durch die Membranen zu trennen.
• Vorrichtungen gemäß der Erfindung werden nun beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Figur 1 ein Flußdiagramm ist, das eine erste Ausführungsform einer Membrantrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt, und
• Figur 2 ein Flußdiagramm ist, das eine zweite Ausführungsform einer Membrangastrennungsvorrichtung gemäß der Erfindung darstellt.
• Nach Figur 1 liefert ein Luftkompressor 2 Luft bei einem gewählten Druck, typischerweise im Bereich von 2 bis 10 bar, zu einer Speisegasleitung 4, entlang welcher der Reihe nach vom Stromaufwärts- zum Stromabwärtsende ein Grobfilter 6, um Wasser, Öl und Partikel zu entfernen, ein Luftkühler 8, ein Aktivkohlefilter 9 und ein Druckregulator 10 angeordnet sind. Die Speisegasleitung 4 endet in einer Öffnung eines Vier-Öffnungs-, Zwei-Positions-Ventils 12. Die verbleibenden drei Öffnungen des Ventils 12 sind jeweils mit einer ersten Gasöffnung 16 einer Membrangastrennungszelle (oder eines Membrangastrennungsgefäßes) 14, die oder das ein Feld semi-permeabler Membranen enthält, und zwar typischerweise in der Form hohler Fasern, die in der Lage sind, die Luft zu trennen, um ein Stickstoffprodukt herzustellen; einer zweiten Gasöffnung 20 der Zelle 14; und einer Produktgas-(Stickstoff-)Leitung 22 verbunden, in welcher ein Druckregulator 24 angeordnet ist. In einer seiner Positionen setzt das Ventil 12 die erste Gasöffnung 16 in Kommunikation mit der Speisegas- (Luft-)Leitung 4 und die zweite Öffnung in Kommunikation mit der Produktgasleitung 22. In seiner anderen Position kehrt das Ventil 12 die Verbindung derart um, daß die Speisegasleitung 4 mit der Öffnung 20 kommuniziert, während die Öffnung 16 mit der Produktgasleitung 22 kommuniziert. Die Zelle 14 weist außerdem einen Auslaß 26 in Kommunikation mit der Durchdringungsseite (den Innenseiten) der Membranfasern auf, um Durchdringungsgas zu ermöglichen, kontinuierlich aus der Zelle 14 herauszuströmen. Gleichermaßen bevorzugt, obwohl nicht in den Zeichnungen gezeigt, ist die entgegengesetzte Anordnung, in welcher die Innenseiten der Fasern mit den Öffnungen 16 und 20 kommunizieren, so daß das Speisegas durch die Fasern strömt und das Durchdringungsgas außerhalb der Fasern strömt und mit dem Auslaß 26 kommuniziert.
• In Betrieb, mit dem Ventil 12 in seiner ersten Position, wird Luft kontinuierlich durch den Kompressor bei einem gewählten Druck der Leitung 4 zugeführt. Die Luft wird durch einen Durchgang durch den Filter 6 gefiltert und dann auf eine Temperatur unterhalb der Umgebung gekühlt. Die resultierende getrocknete Luft wird durch das Ventil 12 der ersten Öffnung 16 der Zelle 14 übergeben. Die Luft strömt in die Zelle 14 hinein. Die Komponenten der Luft außer Stickstoff diffundieren durch die Membranen rascher als der Stickstoff selbst, wobei die Durchgangsseite der Membranen auf einem niedrigeren Druck (typischerweise von 1 bar) als deren Speisegasseite gehalten wird. Demgemäß verläßt ein mit Stickstoff angereichertes Produktgas die Zelle 14 durch die gegenüberliegende Endöffnung 20, und es ist ein kontinuierlicher Strom des Produktgases zur Produktgasleitung 22 vorhanden. Das Produktgas kann dann gesammelt oder einer Vorrichtung zugeführt werden, in der es genutzt wird. Während der Betrieb der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung fortfährt, gibt es auf diese Weise eine Neigung zu einem Aufbau von Verunreinigungen auf dem Feld von Membranen 18 an deren Ende in der Nähe der Öffnung 16. Demgemäß wird nach einer gewählten Zeitperiode, etwa zehn Tagen, das Ventil 12 in seine andere Position geschaltet, so daß nun Luft von der Speisegasleitung 4 der Öffnung 20 der Zelle 14 zugeführt wird und entlang der Membranen zur Öffnung 16 strömt, die sich nun in Kommunikation mit der Produktgasleitung 22 befindet. Demgemäß werden die zuvor kontaminierten Teile der Membranen in der Nähe der Öffnung 16 nun mit relativ reinem Produktgas ausgespült, und zwar mit dem Ergebnis, daß es einen Hang für die Verunreinigungen dazu gibt, vom Ende des Membranfeldes 18 in der Nähe der Öffnung 16 desorbiert und geklärt zu werden. Zur gleichen Zeit gibt es einen Hang für Verunreinigungen im Speisegasstrom dazu, nun auf den Membranoberflächen am Ende des Feldes 18 in der Nähe der Öffnung 20 abgelagert zu werden. Nach einer gewählten Zeitperiode kann die Position des Ventils 12 wieder gewechselt werden, so daß nun diese Verunreinigungen von der Zelle 14 desorbiert und geklärt werden können.
• Nach nunmehr Figur 2 sind Teile der Vorrichtung darin, die mit entsprechenden Teilen der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung identisch sind, durch die gleichen Bezugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet und werden anhand Figur 2 nicht wieder beschrieben.
• In der in Figur 2 gezeigten Vorrichtung endet die Speisegasleitung 14 in einer weiteren Leitung 30, welche an dem einen Ende in der einen Öffnung eines Drei-Öffnungs-, Zwei-Positions-Ventils 32 und an ihrem anderen Ende in der einen Öffnung eines weiteren Drei-Wege-, Zwei-Positions-Ventils 34 endet. Die zwei anderen Öffnungen des Ventils 32 kommunizieren jeweils mit der Öffnung 16 der Membranzelle 14 und der Produktgasleitung 22. Die zwei anderen Öffnungen des Ventils 34 kommunizieren jeweils mit der Öffnung 20 der Membranzelle 14 und der Produktgasleitung 22. Die Ventile 32 und 34 sind vorzugsweise auf eine solche Weise gegenseitig verriegelt, daß weder die Speisegasleitung 4 noch die Produktgasleitung 22 jemals simultan mit beiden Öffnungen 16 und 20 der Zelle 14 kommunizieren kann. Somit setzt in der einen Position das Ventil 32 die Speisegasleitung 4 in Kommunikation mit der Öffnung 16, verhindert jedoch eine Kommunikation zwischen dieser Öffnung und der Produktgasleitung 22, während in der entsprechenden Position das Ventil 34 eine Kommunikation zwischen der Öffnung 20 und der Produktgasleitung 22 gestattet, jedoch eine derartige Kommunikation zwischen dieser Öffnung und der Speisegasleitung 4 verhindert; und in seiner anderen Position gestattet das Ventil 32 eine Kommunikation zwischen der Öffnung 16 und der Produktgasleitung 22, verhindert jedoch eine Kommunikation zwischen der Speisegasleitung 4 und der Öffnung 16, während das Ventil 34 in seiner entsprechenden Position eine Kommunikation zwischen der Öffnung 20 und der Speisegasleitung 4 gestattet, jedoch eine derartige Kommunikation zwischen der Öffnung 20 und der Produktgasleitung 22 verhindert.
• In Betrieb, mit den Ventilen 32 und 34 in den zuerst erwähnten der obigen Positionen, wird gekühlte Luft über das Ventil 32 der Öffnung 16 der Membranzelle 14 zugeführt und, wie bezüglich Figur 1 beschrieben, getrennt, um ein Stickstoffproduktgas herzustellen, welches die Zelle 14 durch die Öffnung 20 verläßt und dann durch das Ventil 34 zur Produktgasleitung 22 verläuft. Nach einer längeren Betriebsperiode, etwa zehn Tagen, kann es einen Aufbau von Verunreinigungen auf den Membranoberflächen am Ende des Feldes 18 in der Nähe der Öffnung 16 geben. In dieser Phase werden die Positionen der zwei Ventile umgekehrt, so daß nun die ankommende gekühlte Luft über das Ventil 34 der Öffnung 20 zugeführt wird und die Zelle 14 über die Öffnung 16 verläßt und dann durch das Ventil 32 zur Produktgasleitung 22 strömt. Die Öffnung 16 wird somit zum Produktgasende der Zelle 14 und das Produktgas (Stickstoff) neigt dazu, Verunreinigungen zu desorbieren und zu klären, die zuvor auf den Membranoberflächen an diesem Ende der Zelle 14 abgelagert wurden. Nach weiteren etwa zehn Tagen kann die Position der Ventile 32 und 34 wieder gewechselt werden, so daß auf den Membranoberflächen in der Nähe der Öffnung 20 abgelagerte Verunreinigungen nun vermöge der Umkehrung des Gasstroms durch die Zelle 14 desorbiert und geklärt werden können.

Claims (6)

1) Eine Gastrennungsvorrichtung mit einem Feld semi-permeabler Gastrennungsmembranen (18), welche jeweils auf ihrer einen Seite mit gegenüberliegenden ersten (16) und zweiten (20) Gasöffnungen kommunizieren, wobei in Betrieb eine von der einen Öffnung zur anderen entlang jeder besagten einen Seite der Membranen (18) strömende Speisegasmischung in der Lage ist, vermöge unterschiedlicher Permeationsgeschwindigkeiten der Komponenten der Gasmischung durch die Membranen (18) getrennt zu werden, und die andere Öffnung (20) ein Produktgas verschiedener Zusammensetzung von der Speisegasmischung empfängt; einer Speisegasleitung (4), um in die Vorrichtung eine zu trennende Gasmischung einzuführen; und einer Produktgasleitung (22) zum Fördern von Produktgas weg von der Vorrichtung, gekennzeichnet durch das Vorsehen von Ventilmitteln (12) oder (32, 34), die betreibbar sind, um entweder die erste Öffnung (16) stromaufwärts der zweiten Öffnung (20) anzuordnen oder umgekehrt.

2) Vorrichtung wie in Anspruch 1 beansprucht, gekennzeichnet durch das Vorsehen von Mitteln zur Erwärmung eines Endes des Feldes, um in Betrieb die Desorption von Verunreinigungen von dem besagten Ende der Membran (18) anzuregen.

3) Vorrichtung wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilmittel (12) ein einzelnes Vier-Wege- Ventil mit vier Öffnungen, von welchen eine mit der Speisegasleitung (4), eine weitere mit der Produktgasleitung (22), noch eine weitere mit der ersten Gasöffnung (16) und die verbleibende Öffnung mit der zweiten Gasöffnung (20) kommuniziert, und ein Ventilbauteil umfaßt, das zwischen Positionen bewegbar ist derart, daß in der einen Position Speisegas lediglich mit der ersten Gasöffnung (16) und die Produktgasleitung (22) lediglich mit der zweiten Gasöffnung (20) kommuniziert, und in seiner anderen Position die Speisegasleitung (4) lediglich mit der zweiten Gasöffnung (20) und die Produktgasleitung (22) lediglich mit der ersten Gasöffnung kommuniziert.

4) Vorrichtung wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (12) manuell oder automatisch betreibbar ist.

5) Vorrichtung wie in Anspruch 1 oder Anspruch 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilmittel zwei Drei-Wege-Ventile (32, 34) umfaßt, wobei das eine derartige Ventil (32), wenn es sich in der einen Position befindet, die Speisegasleitung (4) in Kommunikation mit der ersten Gasöffnung (16) setzt, und das andere derartige Ventil (34), wenn es sich in der einen Position befindet, die zweite Gasöffnung (20) in Kommunikation mit der Produktgasleitung (4) setzt, und die Ventile (32, 34) diese Funktionen in ihrer anderen Position umkehren.

6) Ein Verfahren zum Betreiben einer Gastrennungsvorrichtung wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, welches die Schritte einschließt, daß:

(i) das Ventilmittel (12) in einer ersten Position positioniert wird, um die erste Öffnung (16) stromaufwärts der zweiten Öffnung (20) anzuordnen,

(ii) eine Speisegasmischung von der ersten Öffnung (16) zur zweiten Öffnung (20) geführt wird, um dadurch einer schneller durchdringenden Komponente davon zu erlauben, die Membran (18) zu durchdringen, und den Aufbau von Verunreinigungen an der Membran (18) zu gestatten,

(iii) nach einer Zeitperiode die Positionierung des Ventilmittels (12) umgekehrt wird, um die zweite Öffnung (20) stromaufwärts der ersten Öffnung (16) anzuordnen, und

(iv) eine Speisegasmischung von der zweiten Öffnung (20) zur ersten Öffnung (16) geführt wird, um dadurch einer schneller durchdringenden Komponente davon zu erlauben, die Membran (18) zu durchdringen, und eine Desorption der Verunreinigungen von der Membran (18) zu gestatten.