Verfahren und Vorrichtung zum Trennen von Gasgemischen oder Gas-Dampfgemischen beim Durehgang durch den l¯sungsfl ssigen Zustand.
Behandelt man ein Gasgemisch mit einer zu seiner vollständigen Lösung unzureichenden Flüssigkeitsmenge, so werden beka. nntlich seine l¯slicheren Komponenten von der Flüssigkeit mit einem hoheren Prozentsatz aufgenommen, als sie im ursprünglichen Gemisch vorhanden waren. Wählt man das Verhältnis des Gasgemisches zur Losungs- flüssigkeit, wie 1 :
d, wobei Ci den Absorptionskoeffizienten der leichter löslichen zweier im Gemisch enthaltenen Komponenten bezeichnet, und führt das Gasgemisch in einer Kolonne in gleichbleibendem Verhält- nis von unten nach oben durch die von oben nach unten strömende Flüssigkeit, so wird von letzterer die löslichere Komponente des Gemisches in ihrer Gesa. mtheit, die weniger l¯sliche in entsprechend geringererMenge aufgenommen, während der ungelöste Rest der letzteren oben als reines Gas a. ustritt.
RechnungsmäBig stellt sich dieser Vorgang zum Beispiel für die Behandlung eines Gemisches mit 15 Vol. % Kohlensäure und 85 Vol. % Stickstoff unter Verwendung von Wasser als Absorptionsflüssigkeit bei einer Temperatur von etwa 20 C, wie folgt dar :
Der Absorptionskoeffizient von CO2 und N2 ist 0, 88 bezw. 0, 016. Das Losungsver- hältnis beider ist 0, 132 bezw, 0, 0136. Von CO2 werden 0, 15 Teile, von N2 aber 0, 01545 Teile gel¯st, was 90, 66 Vol. % bei C02 und 9, 34 Vol. % bei N2 entspricht.
Wie das Beispiel zeigt, kann man also auf die angegebene Weise aus einem Gemisch mit 15 Vol. % CO2 und 85 Vol. % N2 den letzteren zum weitaus gröBten Teil rein abscheiden und die im ursprünglichen Gemisch mit 15Vol. % vertretene CO2 bis zu etwa 90% anreichern.
Treibt man diese hochprozentige COZ wieder aus und fÏhrt nach dem Vorschlag Mallets mit der Behand lung des-so erha. ltenen Gasgemisches in derselben Weise fort, indem ma. n es neuerdings durch eine seinem kleineren Volumen entsprechende geringere Menge der Absorptionsfl ssigkeit leitet, so musste ma. n nach der Rechnung zu einem Losungsverhältnis beider Gase kommen, in welchem die CO2 bereits mit'mehr'als 99 Vol. % a. ngereichert und der N, pra. ktisch vollkommen ausge schieden wäre.
Die Unzulänglichkeit des Wirkungsgrades, welche indessen allen bekannten derartigen Verfahren anhaftet, würde naturgemäss eine entsprechende öftere Wiederholung dieser Behandlungsweise notwen. dig machen, wenn man zu einer ähnlich weitgehenden ! Trennung der beiden Gase gela. ngen will.
Hiermit würde sowohl der Trennungsvorgang, als die zu seiner Ausführung erforderliche Apparatur sehr verwickelte Formen annehmen, und daraus erklärt es sich, dass die Trennung von Gasgemischen mit Eilfe einer Absorptionsflüssigkeit nur in solchen pra. ktischen Fällen tatsächlich zur Ausfüh- rung kommt, in denen es sich ium Gemische mit so gro?en Loslichkeitsunterschieden der darin enthaltenen und zu trennenden Besta. ndteile handelt, dass ein befriedigendes Ergebnis schon durch einmaliges einfaches Waschen der Gase mit der Absorptionsflüssigkeit erreicht wird, wie bei Gemischen hydra. tbildender mit permanenten Gasen.
Wie i es nun aber in den für die Absorptionsvorgänge ma?gebenden physikalischen GesetzmÏ?igkeiten begr ndet liegt, da. ? beim teilweisen Inlosungnehmen eines Gemisches von Gasen mit verschiedener Loslichkeit die loslichere Komponente in der Lösung stärker angereichert erscheint als im ursprünglichen Gemisch, so müssen folgerichtig auch beim Wiederaustreiben eines gelosten Gemisches aus der Losung die entweichenden Gase stets auch ärmer an der l¯slicheren Komponente sein als das noch in Losung befindliche Gemisch und man muss schliesslich beim graduellen Austreiben der gelösten Bestandteile zu einem ; Punkt Kommen, an dem nur noch die löslichere Komponente zu einem Teil in der Flüssigkeit enthalten ist.
Die bei der Absorption und beim Wiederaustreiben eines gel¯sten Gasgemisches eintretenden Veränderungen in der prozentuellen Zusammensetzung zeigen demnach eine grundsätzliche Übereinstimmung mit jenen Veränderungen, welche die Zusammen- setzung eines Gas-oder Gasdampfgemisches bei der Kondensation und Wiederverdampfung des Kondensates erleidet.
Mit der Erfindung ist der hieraus zu ziehende praktische Schluss verwertet, da? man die volige Trennung eines Gas-oder Gasdampfgemisches auch ohne mehrfache Wiederholung des teilweisen Inlösungnehmens und Wiederaus- treibens der gelösten Gase erreichen muss, wenn man bei der Behandlung der im losungsflüssigen Zustand befindlichen Gase genau ebenso verfährt, wie wobei der rektifizierenden Behandlung eines solchen Gemisches im flüssigen beziehungsweise ver flüssigten Zustand.
Hierbei wird bekannt- lich die zur völligen Trennung nötige mehrfache Wiederholung von teilweiser Kondensation und Destillation mit der Verwendung einer sogenannten Rektifika. tionssäule zu einem einzigen zusammenhangenden Vorgang verbunden.
Demgemäss wird bei der Trennung eines Gas-oder Gasdampfge- misches beim Durchga. ng durch den lösungs- flüssigen Zustand in der Weise verfahren, dass man die in einer Absorptionskolonne erhaltene Gaslösung beziehungsweise Gas dampflösung vor dem Wiederaustreiben der Gase in einem an erstere angeschlossenen und mit ihr in offener Verbindung stehen- der Rektifikator beim Absorptionsdruck noch einer vora. ngehenden rektifizierenden Weiterbehandlung unterwirft, wobei die Flüssigkeit auf dem Wege nach dem untern Ende des Rektifika$ors allmählich bis zu einem Temperaturpunkt erwÏrmt wird, bei welchem a.
lle nicht in der Losung gewünschten schwerer löslichen Bestandteile wieder ausgetrieben sind.
Dieses Verfahren soll beispielsweise anhand der Zeichnung erläutert werden, welche zwei Beispiele einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Einrichtung zeigt :
Das Gemisch wird durch Leitung 1, Fig. 1, in den Unterteil der Absorptionskolonne A eingefiihrt, wo es durch die von oben in der erforderlichen Menge herab flieBende Absorptionsfliissigkeit aufsteigt und an n letztere die leiohterlösliche Komponente, zum Beispiel die Koh. lensäure, wie oben im angeführten Beispiel, in ihrer Gesamtheit und in der dem Verdichtungszusta. nd des Gasgemisches entsprechenden Kon zen. tration in L¯sung gibt.
Der von der CO2 zu trennende Stickstoff wird von der Flüs sigkeit in einer seiner geringeren Löslich- keit entspreehenden kleineren Menge aufgenommen, wä. hrend der ungel¯ste Stiekstoff- rest sich über der Fl ssigkeit ausscheidet und durch Leitung 2 abgeführt wird. Die bei der Absorption freiwerdende WÏrme wird durch ein den Mantel der Absorptionskolonne durchfliessendes Kühlmittel (Wasser) weggeführt.
Aus dem Unterteil der Absorptionsko- lonne X tritt die mit Kohlensäure und wenig Stickstoff gesättigte Absorptionsflüssigkeit in den unten an die Kolonne A angesehlossenen Rektifikator B über und wird darin auf dem Wege nach abwärts allmählich bis zu einem Temperaturpunkt erwärmt, bei welchem infolge der damit verbundenen Rektifikationswirkungderdaringeloste Stickstoff wieder völlig ausgetrieben wird, so dass die Kohlensäure in der Flüssigkeit allein noch enthalten ist.
Mit dem Stickstoff entweicht selbstverständlich auch ein Teil der Kohlensäure, wele-he aber a. uf dem Wege der Gase nach oben von den höhergelegenen. kÏlteren Fl ssigkeitsschichten wieder aufgenommen wird, so daB sich der wieder ausgetriebene Stickstoff schliess- lich iiber der Flüssigkeitssäule in A mit dem schon von vorneherein nicht darin gelosten Teil desselben rein ausscheidet und durch Leitung 2 entweicht.
Aus dem Unterteil von B wird die Ab sorptionsflüssigkeit mit der darin gelosten reinen KohlensÏure durch Leitung 3 zum Wärmeaustauscher TT und von dort durch Leitung 4 in die als Austreiber dienende Rektifikationskolonne C von oben eingeführt und auf dem Wege nach abwärts all mählieh bis zu ihrem Siedepunkt erwä-rmt, so daB die darin gelöste Kohlensäure vollstÏndig ausgetriebenwird.Naturgemäss führt die aus dem heissen Unterteil des Aus- treibers aufsteigende Kohlensäure wesentliche Dampfmengen der Absorptionsflüssig- keit mit nach oben, welche sich aber in den h¯hergelegenen, k hleren Fl ssigkeitsschich ten wieder, z.
um grossen Teil kondensieren und die dabei freiwerdende Wärme a. n die kühlere Flüssigkeit abgeben. Infolgedessen wird letztere auf ihrem Wege zum Unterteil des Austreibers bereits so weit vorgewärmt, da? bei weitem die Eauptmenge der darin gelösten Kohlensäure schon ausgetrieben ist. ehe die Fliissigkeit bis in den Unterteil des Austreibers gelangt ist.
Die ausgetriebene Kohlensäure wird durch Leitung 5 abgeführt, während die heisse Absorptionsflüssigkeit durch Leitung 6 zuerst durch den. Wärmeaustauscher W, von dort durch Leitung 7 zum Wasserkühler D und durch Leitung 8 zur Pumpe F fliesst, von welcher sie durch Leitung 9 wieder in den Oberteil des Absorbers A gefördert wird, um den beschriebenenKreislauf von neuem fortzusetzen.
Wie bei Flüssigkeitsgemisohen, kann auch bei Gasgemischen der praktische Fall gegeben sein, dass man sie in mehr als 2 Komponenten beziehungsweise Komponen- tengruppen (Fraktionen) zu erlegen hat. wobei so verfahren werden kann, dass man eine entsprechende Anzahl von Austreiber C, C2 usf. (Fig. 2) hintereinander anwendet, in welchen das Austreiben der in der Fl s sigkeit gelösten einzelnen Komponenten beziehungsweise Komponentengruppen stufenweise innerhalb entsprechend hoch an- steigender Temperaturgrenzen vorgenommen wird und aus denen die einzelnen Fraktionen beziehungsweise Komponenten getrennt abge- führt werden.
Gerade bei der rektifizierenden Behand- lung kohlenwasserstoffhaltiger Gasgemische beim Durchgang durch den losungsflüssigen Zustand entstoht übrigens eine gewisse Schwierigkeit. Allgemein mu? man da. ra. uf bedacht sein, eine Absorptionsflüssigkeit zu wählen,derenSiedepunkteinerseits bei dem Absorptionsdruck nicht zu hoch liegt, um ihn ohne weiteres mit den zur Verfügung stehenden Heizmitteln (gespannter Dampf oder erhitzte, hochsiedende Flüssigkeiten) erreichen zu k¯nnen, die anderseits aber auch ein möglichst grosses Losungsvermogen für die aufzunehmendenGasebeziehungsweise DÏmpfe besitzt.
Dieses Losungsvermogen ist aber allgemein um so grosser, je niedriger der SiedepunktderFlüssigkeitliegt. Aus beiden Gründen empfiehlt es sich, als Absorptionsflüssigkeiten f r kohlenwasserstoffhaltige Gasgemische solche organische Flüssigkeiten zu wählen, deren Siedetemperaturennoch unterhalb oder nur wenig oberhalb 1'00 C liegen. Nun sind aber bei diesen Temperaturen siedende Bestandteile, wenn auch in geringer Menge, in den kohlenwasserstoffhal- tigen Gasen selbsb enthalten, und es bestebt veine M¯glichkeit, letztere durch Destillation vonderAbsorptionsflüssigkeitwieder zu trennen.
Diese Schwierigkeit kann in der ein faehsten Weise a. us dem Wege geräumt werden, indem als Absorptionsflüssigkeit die in denkohlenwasserstoffhaitigenGasen enthaltenen, benzinaTtigen Kohlenwasserstoffe selbst verwendet und nur die bei der Ver arbeitung der Gase ständig anfallende Über- schu?menge derselben fortlaufend aus der Apparatur abgeführt wird.
Handelt es sich zum Beispiel um die gleichzeitige getrennte Gewinnung der Dämpfe leicht siedender flüssiger Kohlen- wasserstoffe (Gasolin) und der leichtest kondensierbaren Gase (Butan und Prolan ! aus Naturgas, so wird zum Beispiel bei der Vorrichtung nach Fig. 2 das zu trennende Gasgemisch je nachseinerprozentuellen Zusammensetzung auf 5-7 Atm. verdichtet ur. @d stÏndig durch Leitung 1 in den. Absorberunten:eingeleitet.Gleichze'itiss fliesst von oben hera. fortlaufend eine solelie Menge der Absorptionsfliissigkeit, d. a.
B nicht nur die in dem verdichteten Gasgemisch enthaltenenKohlenwasserstoffdä.mpfe,son- dern auch das darin enthaltene gasformige Butan und.:PropaninihrerGesamtmenge in Lösung genommen werden, wogegen von den schwerer loslichen Gasbesta. ndteilen (Äthan und X : ethan) eine ihrer geringeren Loslicli- keit und ihrem Partialdruck entsprechende kleinere Menge von der Absorptionsflüssig- keit, aufgenommen wird.
Die gasgegättigte Flüssigkeit tritt aus. 4 in den Rektifik. ator B oben ein und wird beim Durchga. ng, durch diesen durch Wärme- zufuhr in einem untern Heizmantel allmäh- lich soweit erwärmt, dass die in der Lösung nicht gew nschten Gase (C2H6 und CH4) vollständig und rektifizierend ausgetrieben werden. Letztere steigen durch B und A in den Oberteil von A, aus dem sie mit den von der Absorptionsflüssigkeit von vornherein nichtgelostenMengenAthanundMetha.n durch Leitung 2 abgelassen werden.
Die Losung enthÏlt also beim Verlassen des Rektifikators B noch die ausdemGasge- misch aufgenommenen, bei und oberhalb der atmosphärischen Temperatur siedenden fl s sigenKohlenwasserstoffeneben dem Butan n und Propan. Die Losung tritt dann durch Leitung 3 inden'Wärmeaustauscher W und durch Leitung 4 in den Austreiber C, wo sie beim Durchgang nach unten ebenfalls rek tifizierend weiterbehandelt und allmählich auf eine Temperatur gebracht wird, bei welcher die gelösten Gase Propan und Butan vu. lia aus der Losung a. usgetrieben sind.
Die gleichzeitig mit den Gasen in C aufstei- genden Dämpfe der leicht flüchtigen flüs sigen Kohlenwasserstoffe werden durch die rektifizierende Weiterbehandlung im obern Kolonnenfortsatz C1 durch Wasserk hlung wieder niedergeschlagen. Die reinen Gase selbst entweichen durch Leitung 5 mit einer über der atmosphärischen liegenden Temperatur und werden in dem Wasserküh- ler D verflüssigt. Das in D'verfliissigte Gasgemisch kann unmittelbar in Versandbehälter abgelassen werden.
Die in C entgaste Absorptionsflüssigkeit enthält nur noch die aus dem ursprünglichen Gasgemisch aufgenommenen Dämpfe der oberhalb + 15¯ C siedenden Kohlenwasser Stoffe und tritt durch Leitung 6 über W und 4'in den zweiten Austreiber C2, wo sie auf noch höhere Temperatur als in C gebracht wird, und zwar hoch genug, um die über-)-15"C siedenden L¯sungsbestandteile auszutreiben, welche in C3 rektifizierend nachbeha. ndelt und dadureh von den Dämpfen der hoher siedenden Absorptionsflüssigkeit befreit werden. Sie entweichen aus C3 durch Leitung 5'und werden dann ebenfalls in dem Kühler D verflüssigt und in die Vorratsbehälter abgelassen.
Die hei?e Absorptionsflüssigkeit str¯mt aus dem Unterteil von CZ durch die Leitung 6'und die Wärmeausta. uscher W, wo sie in bekannter Weise ihre Wärme an die noch zu entgasende kältere Absorptionsflüssigkeit a. bgibt, und dann durch Leitung 7 in den Kühler D, nach dessen Durchströmen sie durch Leitung 8 von der Pumpe E angesaugt und durch Leitung 9 wieder in den Oberteil des Absorbers A zur ckgef hrt wird, von wo aus sie ihren Kreislauf von neuem fortsetzt.
Da sämtliche Apparate und Leitungen unter dem gleichen Überdruck stehen, so hat die Absorptlonsflüssigkeit auf ihrem Kreislauf durch dieselben keinen hoheren Gegendruck zu überwinden als den der Rei bungswiderstände. Infolge der Aufrechterhaltung des Absorptionsdruckes in den Austreibern k¯nnen die zum Beispiel in C und CabgetriebenenGase ohne weiteres durch die Wasserkühlung in D verfliissigt und in Versandbehälter abgefüllt werden.
Bei der Verwendung niedrigsiedender Absorptionsflüssigkeiten ist überdies in Betracht zu ziehen, da? deren Dampftension bei den im Oberteil der Austreiber herrschen, den Temperaturen bereits so beträcht- lich ist, da? selbst bei hoheren Absorptionsdrucken in. den aufsteigenden Gasen noch wesentliche Dampfmengen der Absorptionsflüssigkeit enthalten sind. Vorteilhaft wird deshalb der auf die Austreiber ber der Eintrittsstelle der Absorptionsflüssigkeit aufgesetzte Rektifikationsfortsatz C,, C3 usf. oben mit Kühlmantel oder eingebauter Kühl- schlange ausgestattet, so dass die Dämpfe vollständig rektifizierend niedergeschlagen werden können.
Hinsichtlich der Wahl der Hoche des Absorptionsdruckes k¯nnen au?er dem Wun- sche, eine möglichst hohe Losungskonzen- tration zu erreichen, auch noch andere Ge sichtspunkte massgebend sein. So erreicht man im Falle der Abtrennung leicht verflüssigbarer Gase aus Gemischen eine bedeutende Vereinfachung der Apparatur und des Verfahrens, wenn man die Absorption und das Austreiben der gelosten leichtverflüssigbaren Gase bei oder noch etwas oberhalb ihres Verflüssigungsdruckes (bei der Temperatur der Umgebung) durchführt, weil dann die abgetrennten Gase ohne weitere Druckerhohung verflüssigt und in die Ver sandbehälter gefüllt werden können,
wäh- rend man sie bei Anwendung niedrigerer Ab sorptionsdrucke nach dem Austritt aus der Apparatur erst, durch einen Kompressor wieder ansaugen und auf den Verflüssigungs druok weiter verdichten muss. Soweit die abgetrennten Gase unter dem Austreiberdruck weiterverwendet beziehungsweise aufgespeichert werden sollen, kann ihr tuber- druck in bekannter Weise durch ihre Ausdehnung auf atmosphärischen Druck in einer Kraftmaschine wieder nutzbar gemacht werden.
Hat mandieDämpfe brennbarer Flüssigkeiten aus sauerstoffhaltigen Gasen (Luft) auszuscheiden, so wäre es bedenk lich. sie zwecks Erreichung der wünschens- werten Losungskonzentration auf höheren Druck verdichten zu wollen. Es bleibt vielmehr in solchen Fällen nur die Möglichkeit, die Losungskonzentration durch Anwendung künstlicher Kühlung zu erhöhen und im übrigen mit der Verdichtung der Gase nur soweit zu gehen, als zur Uberwindung der Fl ssigkeitssÏule in A und der brigen WiderständeInnerhalb der Apparatur notwendig ist.
In Anbetracht dessen, dass die Löslichkeit der Gase mit der Erniedrigung der Temperatur sehr ra. sch zunimmt, kommt man in diesen Fällen für die künstliche
Kühlung mit dem wirtschaftlich arbeitenden
Kaltdampfkompressionsverfahren a. us.
Gleichzeitige Anwendung von Drucker höhung und künstlicher Kühlung wird er- forderlich, wenn permanente Gase von einan der zu trennen sind, welche allgemein bei Eühlwassertemperatur an sich eine sehr ge ringe Löslichkeit besitzen, so dass auch mit der Anwendung von hoheren Drucken allein noch nicht die wünschenswerte Lbsungskon- zentration erreicht werden kann.
Wo künstliche Kühlung zur Anwendung kommt,wirddasKühlmitteldurchden KüBlmantel des Absorbers und nötigenfalls auch noch durch den des Austreibers ge f hrt. Gleichzeitig werden die zu trennen den Gase vor ihrem Eintritt in den Absorber vorteilhaft in einem Wärmeaustauseher durch die aus der Apparatur abziehenden getrennten, kalten Gase vorgekühlt, so dass ¯ der Kä.lteaufwandmöglichstvollkommen ausgenützt wird.