DE68918031T2 - Vorbeugung gegen Membranzerfall. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft permeable Membranen. Genauer betrifft sie die Verhinderung der Verschlechterung der Permeationseigenschaften permeabler Membranen, die bei Gastrennvorgängen stromauf von einem ölgeschmierten Kompressorsystem eingesetzt werden.
• Mit permeablen Membranen arbeitende Verfahren und Systeme sind in der Technik bekannt, und sie wurden für eine große Vielfalt von Gas- und Flüssigkeitstrennungen benutzt oder in Erwägung gezogen. Bei solchen Vorgängen wird ein Einsatzstrom in Kontakt mit der Oberfläche einer Membran gebracht, und die leichter permeable Komponente des Einsatzstromes wird als ein Permeatstrom gewonnen, wobei die weniger leicht permeable Komponente als ein Nicht-Permeatstrom von dem Membransystem abgezogen wird (siehe z.B. EP-A-0 209 970).
• Die inhärente Einfachheit solcher Fluidtrennvorgänge sorgt in der Technik für einen Anreiz, den Gebrauch von Membransystemen bei praktischen kommerziellen Vorgängen auszudehnen. In dieser Hinsicht versteht sich, daß die Selektivitäts- und Permeabilitätseigenschaften solcher Membransysteme mit den gesamten Produktionsanforderungen einer gegebenen Anwendung kompatibel sein müssen. Natürlich ist es ebenfalls notwendig, daß die Membranen eine ausreichende Stabilität zeigen und daß sie im Verlauf von praktischen kommerziellen Vorgängen keine übermäßige Verschlechterung von deren Leistungseigenschaften erfahren Luftzerlegungsanwendungen stellen ein hoch zweckmäßigcs Gebiet des Einsatzes von permeablen Membranen dar. Bei solchen Anwendungen ist Sauerstoff typischerweise die leichter permeable Komponente der Einsatzluft für spezielle Membranen, und er wird als das Permeatgas abgezogen. Bei solchen Ausführungsformen ist Stickstoff die weniger leicht permeable Komponente und wird als Nicht-Permeatgas gewonnen. Bei Luftzerlegungsanwendungen hat sich gezeigt, daß die Leistungseigenschaften der Membranen empfindlich gegenüber der Anwesenheit von bestimmten Verunreinigungen in dem Einsatzluftstrom sind. Das Ausgesetztsein gegenüber solchen Verunreinigungen kann zu einer erheblichen Abnahme der Permeabilität der benutzten Membran führen. Glücklicherweise hat sich gezeigt, daß die meisten Verunreinigungen, die gewöhnlich in Umgebungsluft anwesend sind, wie z.B. leichte Kohlenwasserstoffe, H&sub2;O und CO&sub2;, höchstens zu einer mäßigen Abnahme der Membranpermeabilität führen. Die Anwesenheit von nur relativ geringen Konzentrationen von schweren Kohlenwasserstoffbldämpfen, z.B, weniger als 1 ppm nach Volumen in Form vonC&sub1;, wie sie von einem ölgeschmierten Luftverdichter in den Einsatzluftstrom gelangen können, kann zu einem raschen und übermäßigen Verlust der Membranpermeabilität führen.
• Unter den die Hauptkosten verursachenden Komponenten von Membransystemen für Luftoder andere Gastrennungen finden sich die Membranmoduln, die eine gegebene Membranoberfläche haben, sowie die Kompressoreinheit für Luft oder ein anderes Gas zum Erreichen eines geeigneten Permeationsdruckwertes, so daß die gewünschte Produktgasqualität und -er-Zeugung erreicht werden können. Die Oberflächenanforderungen des Membransystems können im allgemeinen für einen bestimmten Satz von Betriebsbedingungen, wie z.B. Druck, Temperatur und Durchflußmenge, dadurch minimiert werden, daß ein Membranmaterial gewählt wird, das eine sehr hohe Permeabilität für die leichter permeable Komponente des zu trennenden Gasgemisches hat. Typischerweise gilt für eine gegebene Selektivität, daß je höher die Membranpermeabilität ist, desto weniger Membranfiäche für einen gegebenen Satz von Produktionsanforderungen erforderlich sein wird. Die Verdichterkosten werden typischerweise dadurch minimiert, daß insbesondere bei kleinen Anlagen ölgeschmierte Einsatzgas-Schneckenverdichter gewählt werden.
• Während den Entwicklungsarbeiten an Membransystemen für Luftzerlegungsanwendungen wurde festgestellt, daß die Membranpermeabilität einer anfänglich raschen und signifikanten Abnahme gefolgt von einer weiteren graduellen Abnahme über eine Dauer von mehreren Betriebsmonaten unterworfen war. Um solch einer unerwunschten Abnahme der Membranpermeabilität entgegenzutreten, ist es derzeit bei Membransystemen üblich, die aktive Membranoberfiäche mit einem Sicherheitsfaktor zu bemessen, der ausreicht, um den von jeglichen Quellen herrührenden Permeabilitätsverlust zu kompensieren. Daher ist das Membransystem anfangs für den gewünschten Produktdurchfluß überdimensioniert, und der Einsatzgasverdichter wird typischerweise in einer heruntergeregelten Betriebsart betrieben. Wenn die Verschlechterung der Permeabilität fortschreitet, werden entweder der Betriebsdruck oder die -temperatur oder beide gesteigert, um die Abnahme der Permeabilität zu kompensieren. In manchen Fällen ist es erforderlich oder wünschenswert, einen Teil der Moduln in dem Membransystem anfänglich zu umgehen, um so die eingesetzte Membranoberfläche, die - solange die Membranen ihre volle Permeabilitätskapazität zeigen - überschüssig ist, zu vermindern, und nachfblgend jene umgangenen Moduln in den Strömungsweg aufzunehmen, wenn die Verschlechterung der anfangs eingesetzten Moduln fortschreitet. Es versteht sich, daß in solchen Fällen zusätzlich zu einem signifikanten Anstieg der Investitionskosten, die mit dem Bereitstellen von zusätzlicher Membranoberfläche verbunden sind, solch ein Membransystem uber einen wesentlichcn Teil von dessen Betriebsdauer unterhalb der Entwurtsbedingungen betrieben werden muß, und daß die Steuerung für solch ein Membransystem komplexer ist, als für ein System, daß näher an dessen optimalen Entwurfsbedingungen betrieben wird.
• Als eine Alternative zu solch einer Überdimensionierung von Membransystemen zwecks Kompensation der Verschlechterung bei dem Gebrauch, wurden Versuche unternommen, verlorene Leistung wiededherzustellen, jedoch zeigten solche Versuche anfangs keinen Erfolg, wirtschaftlich geeignete Mittel zum Wiederherstellen der Permeabilität von verschlechterten Membranen zu entwickeln. Obschon praktische und wirtschaftliche Mittel zum Wiederherstellen der Permeabilitätseigenschaften verschlechterter Membranen derzeit zur Verfügung stehen können, wodurch die Notwendigkeit aufgehoben wird, verschlechterte Moduln nach unzweckmäßig kurzen Betnebsdauern zu beseitigen, um diese durch neue Moduln zu ersetzen, sind weitere Verbesserungen bei der Bewältigung des Problems der Membranverschlechterung in der Membrantechnik in hohem Maße erwünscht. Weder die Überdimensionierung des Membransystems, noch die Unterbrechung von Gaserzeugungsvorgängen zwecks einer Membranwiederherstellungsbehandlung, noch eine Kombination dieser Ansätze stellt ein vollständig zufriedenstellendes Mittel dar, um die Verschlechterung der Permeabilität bei praktischen kommerziellen Zerlegungsvorgängen von Luft oder anderen Gasen zu überwinden.
• Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Überwinden des Problems der Verschlechterung der Permeabilität während Gaserzeugungsvorgängen zu schaffen.
• Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das die Notwendigkeit einer wesentlichen Überdimensionierung oder des vorzeitigen Austausches verschlechterter Membranmoduln beseitigt.
• Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, um die Membranpermeabilität zu erhalten und die Notwendigkeit zu minimieren, Gaserzeugungsvorgänge zwecks der Behandlung von Membranmoduln zum Wiederherstellen von deren Permeabilitätseigenschaften zu unterbrechen.
• Angesichts dieser und anderer Aufgaben wird die Erfindung im folgenden im Detail beschrieben, wobei die neuartigen Merkmale derselben insbesondere in den anhängenden Ansprüchen zum Ausdruck gebracht werden.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Trennung eines Einsatzgasgemisches in einem Membransystem, das in der Lage ist, eine leichter permeable Komponente des Einsatzgasgemisches, das diese Komponente und eine weniger leicht permeable Komponente enthält. selektiv zu permeieren, wobei das Einsatzgasgemisch Verunreinigungen enthält, zu denen Kohlenwasserstoffe, die schwerer als C&sub5; (Pentan) sind, und leichtere Kohlenwasserstoffe von C&sub5; oder weniger gehören, dadurch gekennzeichnet, daß das Verunreinigungen enthaltende Einsatzgasgemisch bevor es zu dem Membransystem geleitet wird mit einem Bett aus Adsorptionsmittel in Kontakt gebracht wird, das der selektiven Adsorption der schwereren Kohlenwasserstoffe dient, während es die leichteren Kohlenwasserstoffe mit dem Einsatzgasgemisch zu dem Membransystem passieren läßt.
• Bei dem Verfähren gemäß der Erfindung wird eine Adsorptionsmiffelfälle eingesetzt, um eine Membranverschlechterung zu vermindern oder zu beseitigen, die von einer Verunreinigung durch schwere Kohlenwasserstofföldämpfe herrührt. Indem solche schweren Kohlenwasserstoffe von dem Einsatzgas adsorbiert werden, ermöglicht die Adsorptionsmittelfalle den Einsatz von Membransystemen ohne wesentliche Überdimensionierung der Trennkapazität und mit verlängerten effektiven Lebensdauern vor einem Austausch oder einer Wiederherstellungsbehandlung.
• Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die beiliegende zeichnung beschrieben, bei welcher es sich um eine schematische Darstellung eines Membrantrennsystems handelt, das für den Gebrauch einer Adsorptionsmittelfalle für die Beseitigung von schweren Kohlenwasserstofföldämpfen von einem Einsatzgasstrom vor dessen zuleitung zu der Membraneinheit selbst geeignet ist.
• Die Aufgaben der Erfindung werden durch den Gebrauch einer Adsorptionsmittelfalle gelöst, um die Membranpermeabilitätsleistung vor einer Verschlechterung durch schwere Kohlenwasserstofföldämpfe zu bewahren, die in dem Einsatzgasstrom anwesend sind, welcher der Membraneinheit zugeleitet wird. Die Adsorptionsmittelfalle adsorbiert somit die schweren Kohlenwasserstofföldämpfe, bei welchen man festgestellt hat, daß diese in erster Linie für den erheblichen Verlust an Permeabilität verantwortlich sind der nach einem anfänglichen Gebrauch einer Membran bei Gastrennvorgängen rasch eintritt.
• Die Adsorptionsmittelfalle fängt nicht nur wirkungsvoll die schweren Kohlenwasserstofföldämpfe auf, die in erster Linie für die Membranverschlechterung verantwortlich sind, sondern sie läßt außerdem während der fortgesetzten praktischen Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens leichtere, weniger stark adsorbierte Kohlenwasserstoffdämpfe durch die Adsorptionsmittelfalle zu den Membranfasern selbst passieren. Dies ist ein wichtiges Merkmal, da es erlaubt, die Adsorptionsmittelfalle so auszulegen und zu betreiben, daß sie den von schweren Kohlenwasserstofföldämpfen herrührenden Verlustes der Membranpermeabilität verzögert oder diesen sogar verhindert, während sie eine annehmbar kleine und wirtschaftlich geeignete Größe hat. Diese vorteilhafte Kombination von Wirksamkeit und Größe wird durch die oben erwähnte überraschende Feststellung ermöglicht daß leichte Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid und Wasser, welche die am häufigsten in Umgebungsluft anzutreffenden Verunreinigungen sind, nicht nennenswert zu der Membranverschlechterung beitragen. Solche leichten Kohlenwasserstoffe sind jene, die leichter als oder gleich schwer wie C&sub5;-Kohlenwasserstoffe sind, während schwere Kohlenwasserstofföldämpfe jene sind, die schwerer als Pentan (C&sub5;) sind.
• Die Bettgröße der bei dem Verfahren gemäß der Erfindung benutzten Adsorptionsmittelfalle wird durch die erwartete Belastung des Adsorptionsmittels durch schwere Kohlenwasserstofföle und durch den Verunreinigungspegel des zu behandelnden Einsatzgasstromes bestimmt. Falls eine Einzelbetteinheit eingesetzt wird, wird auch die Menge des eingesetzten Adsorptionsmittels ein Faktor bei der Bestimmung der Lebensdauer des Bettes der Adsorptionsmittelfalle sein. Falls eine übermäßige Menge an Adsorptionsmittel benutzt wird, werden die Kosten des Adsorptionsmittelbehälters und der Einsatzgas-Druckabfall über den Behälter unnötig hoch sein. Solch ein unzweckmäßig hoher Druckabfall wurde zu höheren Kosten für den Energieverbrauch des Einsatzgasverdichters führen. Falls andererseits das Adsorberbett zu klein ist, wurde ein vorzeitiger Durchbruch von schweren Kohlenwasserstoffbldämpfen von der Kohlenstoff-Falle und ein Verlust an effektiver Membranleistung eintreten. Im allgemeinen sorgt eine Entwurtslebensdauer für ein Bett einer Adsorptionsmittelfalle von 3 bis 12 Monaten, vorzugsweise von etwa 6 Monaten, für ein vernünftiges Gleichgewicht zwischen Bettgröße und Lebensdauer des Adsorptionsmittels für eine beseitigbare Adsorptionsmittelfalle.
• Es sollte bemerkt werden, daß bei einem anfänglichen Gebrauch von sauberem oder frischem Adsorptionsmittel das besagte Adsorptionsmittel nicht nur schwere Kohlenwasserstofföldämpfe von dem Einsatzgas adsorbieren wird, sondern daß es auch in Abhängigkeit von den Eigenschaften des speziellen eingesetzten Adsorptionsmittels leichte Kohlenwasserstoffe, Kohlendioxid sowie Wasser adsorbieren wird. Während dem fortgesetzten Durchleiten von Einsatzgas durch das Adsorberbett wird jedoch die selektive Adsorption von zusätzlichen Mengen der besagten schweren Kohlenwasserstofföldämpfe in der Adsorptionsmittelfalle zu einer Verdrängung der leichten Kohlenwasserstoffe, des Kohlendioxids und/oder des Wassers von dem Adsorptionsmittel und dem Wegleiten derselben von der Adsorptionsmittelfalle führen, wobei das Einsatzgas zu der Membraneinheit geleitet wird. Da das bei der Anwendung der Erfindung eingesetzte Adsorptionsmittel in dieser Weise für die Beseitigung der schweren Kohlenwasserstofföldämpfe selektiv ist, wodurch leichten Kohlenwasserstoffen, Kohlendioxid und Wasser ein Durchtritt ermöglicht wird, können die Größe und die Kosten der Kohlenstoff-Falle ausreichend klein gehalten werden, so daß ein Wegwerfgebrauch des Adsorptionsmittels in einer In-Line-Falle durchführbar und im allgemeinen aufgrund seiner Einfachheit bevorzugt wird. Bei anderen Ausführungsformen kann jedoch ein regeneratives Mehrbettsystem eingesetzt werden, wobei ein Bett für die gewünschte Beseitigung von schweren Kohlenwasserstoffbldämpfen benutzt wird, während ein anderes Bett durch Erwärmung oder durch andere Mittel regeneriert wird, um adsorbiertes Material von der Oberfläche des Adsorptionsmittels zu desorbieren.
• Unter Bezugnahme auf die in der zeichnung veranschaulichte Ausführungsform zum Verhindern einer unzweckmäßigen Membranverschlechterung wird ein Einsatzstrom in einer Leitung 1 zu einem Einsatzverdiehter 2 geleitet, um auf einen gewünschten Membrandruckwert aufgedrückt zu werden. Das unter Druck stehende Einsatzgas wird in einer Leitung 3 zu einem konventionellen Nachkühler 4 geleitet, um unter den Entwurfspegel für die Betriebstemperatur des Membransystems gekühlt zu werden. Nach dem Kühlen wird das Einsatzgas typischerweise übersättigt sein, d.h. es wird mit kondensierbaren Dampfbestandteilen gesättigt sein und außerdem freie Flüssigkeitströpfchen enthalten. Das Einsatzgas wird somit typischerweise verdichtetes Gas bei einer unter dem Entwurfswert liegenden Temperatur sowie Flüssigkeitströpfchen enthalten. Das gekühlte Einsatzgas wird in einer Leitung 5 zu einer konventionellen Flüssigkeitsabscheidezone 6 jeglichen Typs geleitet, um in dem Einsatzgas anwesende Flüssigkeitströpfchen, z.B. Wassertröpfchen von der Einsatzluft, über eine Leitung 7 zu entfernen. Das so behandelte Einsatzgas wird von der Abscheidezone 6 durch eine Leitung 8 entfernt. An dieser Stelle ist der verdichtete, gekühlte Einsatzstrom typischerweise mit den besagten kondensierbaren Dampfbestandteilen davon bei dem speziellen, eingesetzten Betriebsdruck gesättigt. Falls das Einsatzgas z.B. Luft ist, weist der behandelte Gasstrom mit Wasserdampf gesättigte Einsatzluft auf.
• Um die Kondensation an den Gastrennflächen des Membransystems zu minimieren oder auszuschließen, kann das Einsatzgas wie bei der veranschaulichten Ausführungsform zu einem Erhitzer 9 geleitet werden, um auf eine Temperatur über der Sättigungstemperatur des Einsatzgases bei dem anwendbaren Einsatzgasdruck überhitzt zu werden. Bei solchen Ausführungsformen der Erfindung können Dampf oder elektrische Heizvorrichtungen eingesetzt werden. Vom dem Erhitzer 9 wird das Einsatzgas durch eine Leitung 10 zu einer Adsorptionsmittelfalle 11 geleitet, in welcher die schweren Kohlenwasserstofföldämpfe selektiv von dem Einsatzgas adsorbiert werden. Während kontinuierlichen Vorgängen werden leichtere Kohlenwasserstoffe nicht von dem Einsatzgas in der Adsorptionsmittelfalle 11 adsorbiert, die als ein einzelner In-Line-Behälter veranschaulicht ist, der eine beseitigbare Menge an Adsorptionsmittel enthält.
• Von der Adsorptionsmittelfalle 11 wird das Einsatzgas, das im wesentlichen frei von schweren Kohlenwasserstoffoldampten ist, die fur die Oberflache der Membran schadlich sind, das jedoch leichtere, relativ harmlose Kohlenwasserstoffe enthält, in einer Leitung 12 zu einem Membransystem 13 zwecks der gewünschten Trennung des Einsatzgases in einen Strom der leichter permeablen Komponente und einen Strom der weniger leicht permeablen Komponenle geleitet. Die leichter permeable Komponente wird als ein Permeatstrom 14 gewonnen, während die weniger leicht permeable Komponente als ein Nicht-Permeatstrom 15 gewonnen wird. Bei Luftzerlegung wird das gewünschte hochreine Stickstoffprodukt im allgemeinen als der Nicht-Permeatstrom 15 gewonnen, während mit Sauerstoff angereicherte Luft als Permeatstrom 14 gewonnen wird.
• Bei stark bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist das eingesetzte Adsorptionsmittel ein Kohlenstoff-Adsorptionsmittel. Das somit bei einer Kohlenstoff-Falle für die Zwecke der Erfindung bevorzugt eingesetzte Kohlenstoff-Adsorptionsmittel kann jedes geeignete, kommerziell verfügbare Aktivkohlematerial sein, das die besagten schwereren Kohlenwasserstofföldämpfe effektiv und selektiv adsorbieren kann, während leichtere Kohlenwasserstoffdämpfe bei dem Einsatzgas verbleiben können, das durch die Kohlenstoff-Falle zu dem Membransystem geleitet wird. Repräsentative Beispiele für typische, kommerziell verfügbare, Aktivkohlematerialien, die zweckmäßig als das Kohlenstoff-Adsorptionsmittel gemäß der Erfindung eingesetzt werden können, sind Calgon PCB-Carbon und BPL-Dampfphasenkohlenstoff; Carbon 207C von Sutcliffe-Speakman Inc., Westvaco Nuchar WV-3; und Norit RB3 von American Norit. Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, andere Adsorptionsmittel einzusetzen, um schwere Kohlenwasserstoffbldämpfe von dem Einsatzgas selektiv zu adsorbieren, während leichtere Kohlenwasserstoffe mit dem Einsatzgasgemisch zu dem Membransystem gelangen können. Für diese Zwecke kann eine Vielfalt von kommerziell verfügbaren zeolithischen Molekularsiebmaterialien, wie die bekannten 5A- und 13X-Molekularsiebe, eingesetzt werden. Andere Adsorptionsmittel, wie z. B. Aluminiumoxid, können ebenfalls bei der Anwendung der Erfindung eingesetzt werden.
• Für die Zwecke der Erfindung werden Aktivkohle-Adsorptionsmittel gegenüber zeolithischen Molekularsiebmaterialien bevorzugt, einerseits aufgrund der typischen breiten Porengrößenverteilung des Kohlenstoffs, die größere Kohlenwasserstoffmoleküle aufnehmen um diese darin aufzufangen, und andererseits aufgrund von deren Vermögen, ihre Adsorptionskapazität in Anwesenheit von recht hohen Feuchtigkeitspegeln beizubehalten. So sind Kohlenstoff- Adsorptionsmittel weniger empfindlich fur Feuchtigkeitsadsorption als zeolithische Molekularsiebe. Außerdem hat sich gezeigt, daß von zeolithischen Molekularsieben adsorbierte Feuchtigkeit im Laufe des kontinuierlichen Zuleitens von Einsatzgas schwer von der Adsorptionsmittelfalle zu desorbieren und zu entfernen ist. Wahrend leichte Kohlenwasserstoffe, die anfangs zusammen mit schwereren Kohlenwasserstoffen bei dem Durchleiten eines Einsatzgasgemisches zu einer frischen Adsorptionsmittelfalle aus zeolithischem Molekularsieb adsorbiert wurden, bei der fortgesetzten Adsorption von schwereren Kohlenwasserstoffen durch zusätzliche Mengen des Einsatzgases verdrängt werden, wird in dem zeolithischen Molekularsiebmaterial adsorbiertes Wasser nicht ohne weiteres von diesem verdrängt. Infolgedessen neigt die Adsorptionskapazität des zeolithischen Bettes dazu, in einer Weise gesenkt zu werden. die bei dem bevorzugten Gebrauch von Kohlenstoff-Adsorptionsmitteln nicht anzutreffen ist.
• Das Kohlenstoffbett bei der bevorzugten Kohlenstoff-Falle gemäß der Erfindung oder bei einer anderen Adsorptionsmittelfalle sollte vorzugsweise so bemessen werden, daß ein mindestens 6 Monate andauernder Schutz der Membran vor einer Verschlechterung bewirkt wird, daß es jedoch eine Bettentiefe hat, die zu einem Druckabfall in der Einsatzluft oder einem anderen Einsatzstrom von weniger als 34 kPa (5 psi) führt. Anschauliche Entwurfsmerkmale einer typischen Luftzerlegungsanwendung gemäß der Erfindung sind (1) eine Einsatzdurchflußmenge von 1870 standard m³/h (66000 SCFH), (2) ein Einsatzgasdruck von 10,3 bar (150 psig), (3) eine Betriebstemperatur von 32 ºC (90 ºF), und (4) Kohlenwasserstoff-Verunreinigungspegel in dem Einsatzluftstrom von 1,5 ppm (nach Volumen) von C&sub5;- oder leichteren Kohlenwasserstoffdämpfen, gemessen als CH&sub4;, und von 0,5 ppm (nach Volumen) von schwereren als C&sub5;, gemessen als Methan.
• Bei Membrantrennsystemen werden typischerweise ölgeflutete Schneckenverdichter eingesetzt, um unter Druck stehende Einsatzluft den Membrantrennflächen zuzuführen. Es zeigt sich, daß die sich ergebende Ölverunreinigung der Einsatzluft die Membranleistung wie oben beschrieben verschlechtert. Solche ölgefluteten Verdichter können natürlich für andere Anwendungen der Druckbeaufschlagung des Einsatzgases eingesetzt werden, und es können andere Arten von ölgeschmierten Verdichtern für eine vor der Membrantrennung stattfindende Druckbeaufschlagung der Einsatzluft oder eines anderen Einsatzgases eingesetzt werden. Bei all diesen Anwendungen können Kohlenwasserstofföldämpfe in den Einsatzgasstrom gelangen, welcher zu dem Membransystem geleitet wird. Da selbst sehr niedrige Konzentrationen von schweren Kohlenwasserstofföldämpfen. d.h, weniger als 1 ppmv (C&sub1;), zu einem raschen und übermäßigen Verlust an Membranpermeabilität führen können, ermöglicht das Vermögen der Kohlenstoff-Falle oder einer anderen Adsorptionsmittelfalle, solche schweren Kohlenwasserstoffe von dem Einsatzgas selektiv zu entfernen, während die leichteren Kohlenwasserstoffe, die für das Membranmaterial nicht schädlich sind, mit dem Einsatzgas zu dem Membransystem gelangen können, die Membranverschlechterung in einer zweckmäßigen und wirrsehaftlich durchführbaren Weise zu steuern und zu verhindern. Fachleuten versteht sieh, daß abgesehen von solch einer schädigenden Veruiireinigung, die von dem Gebrauch von ölgefluteten oder anderweitig mit Öl geschmierten Einsatzgasverdichtern herrührt, andere Quellen für Verunreinigungen des Einsatzgases existieren, und daß die dadurch hervorgerufene Verschlechterung der Membranen durch die Anwendung der Erfindung verhindert werden kann. So kann die Einsatzluft oder eine anderes zu trennendes Gas zu einer Anwendung an Bord eines Schiffes in der Nähe einer Dieselmotoratmosphäre gehören. In ähnlicher Weise kann eine Luftzerlegungsanwendung oder eine andere Trennanwendung im Umfeld eines Kohlenwasserstoff-Raffinationsvorganges stattfinden. In solchen Fällen oder bei analogen Anwendungen ist es möglich, daß das Einsatzgas mit schweren Kohlenwasserstoffen in einem Maß verunreinigt wird, das ausreicht, kommerziell unerwünschte Verschlechterungsraten der Membran zu verursachen. In all diesen Fällen schafft die Erfindung ein zweckmäßiges und praktisches Verfahren für die Verhinderung solch einer Verschlechterung, um so die Notwendigkeit des Einsatzes von zusätzlicher Membranoberfläche für das Erreichen einer gegebenen Produktdurchflußmenge und -reinheit zu vermeiden.
• Die Kohlenstoff-Falle oder ein anderer Adsorptionsmittelbehälter gemäß der Erfindung, die (der) zweckmäßig zwischen dem Einsatzgasverdichter und den Membranmoduln angeordnet ist, wird typischerweise für eine Oberflächengeschwindigkeit (basierend auf der tatsächlichen Gasdurchflußmenge) im Bereich von etwa 0,06 m/s bis etwa 0,61 m/s (etwa 0,2 bis etwa 2,0 ft/s), vorzugsweise von etwa 0,23 m/s (0,75 ft/s) ausgelegt werden. Eine nach unten gerichtete Gasströmungsrichtung in dem Adsorptionsmittelbehälter wird bevorzugt, um den Gebrauch von geringen Teilchengrößen unabhängig von Fluidisierungsbeschränkungen zu ermöglichen. Kleine Aktivkohleteilchen, z.B. kleiner als 3,36 mm (6 mesh), wie z.B. zwischen 3,36 mm und 0,84 mm (6 und 20 mesh), sind zweckmäßig, um den Widerstand gegen einen Stoffübergang zu senken und zu gewährleisten, daß die Hauptmasse der Aktivkohle mit großer Oberfläche oder eines anderen Adsorptionsmittels für die schweren Kohlenwasserstoffmoleküle, die aus dem Einsatzgasstrom selektiv entfernt werden sollen, erreichbar ist. Zweckmäßigerweise sollte die relative Feuchtigkeit des Einsatzgasstromes niedrig gehalten werden, z.B. bei oder unter 85 %, um das Eintreten von Kondensation in dem Adsorberbett zu verhindern. Eine niedrige relative Feuchtigkeit für die Membranmoduln selbst ist ebenfalls zweckmäßig, und gewöhnlich wird wie in der anschaulichen Zeichnung ein Erhitzer für diesen Zweck vorgesehen.
• Es versteht sich, daß die Erfindung auf jegliches gewünschte Membransystem angewendet werden kann, das eine leichter permeable Komponente eines Einsatzgasgemisches, das die besagte Komponente und eine weniger leicht adsorbierbare Komponente enthält, selektiv permeieren kann. So können Verbundmembranen, asymmetrische Membranen oder jegliche andere Membranstruktur durch die Anwendung der Erfindung vor einer unzweckmäßigen Verschlechterung geschützt werden.
• Verbundmembranen weisen generell eine dünne Trennschicht oder einen Überzug eines geeigneten permeablen Membranmaterials auf, das ein poröses Substrat überlagert, wobei die Trennschicht die Trenneigenschaften der Verbundmembranstruktur bestimmt. Andererseits sind asymmetrische Membranen im wesentlichen aus einem einzigen permeablen Membraninaterial aufgebaut, das eine dünne, dichte, semipermeable Haut aufweist, welche die Trenneigenschaften der Membran bestimmt, sowie einen weniger dichten, porösen, nicht-selektiven Trägerbereich, der dazu dient, ein Zusammenfallen des dünnen Hautbereiches unter Druck zu verhindern. Solche Membranstrukturen können in einer Vielfalt von Formen hergestellt werden, wie z.B. spiralförmig gewunden, als Hohlfaser, als flache Schicht und ähnliches. Für den Gebrauch bei praktischen, kommerziellen Vorgängen werden solche Membranstrukturen gewöhnlich in Membranbaugruppen eingesetzt, die typischerweise in Ummantelungen untergebracht sind, um Membranmoduln zu bilden, welche die Hauptelemente eines Gesamtmembransystems darstellen. Ein Membransystem weist im allgemeinen eine Anzahl solcher Moduln auf, die entweder für einen Parallel- oder einen Serienbetrieb angeordnet sind, und die in Form von Hohlfaserbündeln, spiralförmig gewundenen Patronen, gefalteten flachen Schichtmembranbaugruppen oder anderen solchen Baugruppen, die in der Membranindustrie üblich sind, angeordnet sind.
• Das bei einer speziellen Gastrennung eingesetzte Membranmaterial kann jedes Material sein kann, das eine leichter permeable Komponente der Einsatzluft oder eines anderen Einsatzgasgemisches selektiv permeieren kann. Zellulosederivate, wie z.B. Zelluloseacetat, Zelluloseacetatbutyrat und ähnliches; Polyamide und Polyimide, einschließlich Arylpolyamide und Arylpolyimide; Polysulfone; Polystyrole und ähnliches sind repräsentative Beispiele für solche Materialien. Abgesehen von den oben erwähnten Luftzerlegungsanwendungen ist die Reinigung von Wasserstoff aus einem Abgas, das Methan, Ethan oder andere Kohlenwasserstoffe enthält, ein anschauliches Beispiel für eine andere Gastrennanwendung, die aus der Praxis der Erfindung Nutzen ziehen kann, wenn die Hauptursache für die Verschlechterung ein Problem ist, das bei praktischen kommerziellen Anwendungen anzutreffen ist. Die Rückgewinnung von Wasserstoff aus Ammoniakspülgas und Kohlendioxid- und Methantrennung sind andere solche Beispiele.
• Die Anwesenheit der bevorzugten Kohlenstoff-Falle gemäß der Erfindung oder die einer anderen geeigneten Adsorptionsmittelfalle zeigt sich während dem Anfahr- und Anfangsbetrieb des Membransystems, wenn die Konzentration der schweren Kohlenwasserstofföldämpfe in dem Einsatzgasstrom wahrscheinlich am höchsten ist, als besonders wichtig. Wenn das Schmieröl während einer von Zeit zu Zeit stattfindenden Wartung des Verdichter gewechselt wird, kann es in gleicher Weise erwünscht sein, die Anlage mit einem frischen Bett mit Kohlenstoff oder einem anderen Adsorptionsmittel anzufähren.
• Bei einer Ausführungsform der Erfindung, die unter den typischen, oben angegebenen Bedingungen arbeitet, wurde ermittelt, daß ein Bettdurchmesser von 0,52 m (1,70 ft) zweckmäßig war, wobei das Bett eine Tiefe von 0,72 m (2,35 ft) hatte und 56 kg (123 lbs) Kohlenstoff enthielt. Es wird geschätzt, daß die zusätzlichen Investitionskosten für solch eine Kohlenstoff-Falle etwa US$ 2500 betragen wurden, und daß zusätzliche Betriebskosten von etwa USA 500 pro Jahr für Kohlenstoff-Adsorptionsmittel und den gegenüber einem ähnlichen Membrantrenngesamtsystem ohne die Kohlenstoff-Falle leicht höheren Energiebedarf anfallen würden. Basierend auf der Einsparung der andernfalls erforderlichen 30 % zusätzlicher Membranoberfläche zur Kompensation der Membranverschlechterung bei dem Gebrauch derselben zur Luftzerlegung, wobei ein ölgefluteter Schneckenverdichter benutzt wird, um unter Druck stehende Einsatzluft für den Betrieb zuzuführen, können die zusätzlichen Kosten, die mit dem Gebrauch einer Kohlenstoff-Falle verbunden sind, in weniger als 12 Monaten tatsächlichen Betriebes wieder eingespart werden. Bei anderen Anwendungen, bei welchen das Ausmaß des Membranpermeabilitätsverlustes erheblich gesenkt wird, und/oder die Verlustrate verlangsamt wird, ermöglicht die Erfindung den effizienteren Betrieb des Membransystems, wobei nennenswerte Gesamteinsparungen die Durchführbarkeit des Einsatzes von Membransystemen für bedeutende Luftzerlegungsvorgänge oder andere praktische Gastrennvorgänge verbessern.

Claims (16)

1. Verfahren zur Trennung eines Einsatzgasgemisches in einem Membransystem, das in der Lage ist, eine leichter permeable Komponente des Einsatzgasgemisches, das diese Komponente und eine weniger leicht permeable Komponente enthält, selektiv zu permeieren, wobei das Einsatzgasgemisch vor seiner Trennung in einem ölgeschmierten Kompressorsystem auf einen gewünschten Membransystemdruck aufgediückt wird und daher Verunreinigungen enthält, zu denen Kohlenwasserstoffe, die schwerer als C&sub5; (Pentan) sind, und leichtere Kohlenwasserstoffe von C&sub5; oder weniger gehören, dadurch gekennzeichnet, daß das Verunreinigungen enthaltende Einsatzgasgemisch mit einem Bett aus Adsorptionsmittel in Kontakt gebracht wird, das der selektiven Adsorption der Kohlenwasserstoffe dient, die schwerer als C&sub5; sind, während es die leichteren Kohlenwasserstoffe von C&sub5; oder weniger mit dem Einsatzgasgemisch zu dem Membransystem passieren läßt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verunreinigungen enthaltende Einsatzgasgemisch mit einer Einzelbett-Inline-Adsorptionsmittelfalle für die schwerewn Kohlenwasserstoffe in Kontakt gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Verunreinigungen enthaltende Einsatzgasgemisch mit einer Kohlenstoff-Falle in Kontakt gebracht wird, die ein Bett aus aktiviertem Kohlenstoff enthält.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Eirizelbett aus aktiviertem Kohlenstoff nach Abschluß der gewünschten Bettlebensdauer beseitigbar ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Bett aus aktiviertem Kohlenstoff nach einer Einsatzdauer von etwa 3 bis etwa 12 Monaten beseitigbar ist.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Bett nach einer Einsatzdauer von etwa 6 Monaten beseitigbar ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Verunreinigungen enthaltende Einsatzgasgemisch mit einem Mehrbettsystem in Kontakt gebracht wird, bei dem ein Bett im Einsatz ist, während ein anderes Bett, das seine Adsorptionsbett-Lebensdauer erreicht hat, regeneriert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem in dem Multibettsystem Betten aus aktiviertem Kohlenstoff verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einsatzgasgemisch mittels eines ölgefluteten Schneckenverdichters aufgedrückt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Einsatzgasgemisch Einsatzluft aufweist.

11. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Einsatzgasgemisch einer die leichteren und schwereren Kohlenwasserstoffrerunreinigungen enthaltenden Atmosphäre abgesehen von dem Verdichten des Einsatzgasgemisches auf Membranarbeitsdruek ausgesetzt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem das aufgedrückte Einsatzgasgemisch gekühlt und Flüssigkeitströpfchen daraus beseitigt werden, bevor es zu dem Kontakt mit dem Bett aus Adsorptionsmittel kommt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das gekühlte, feuchtigkeitsfreie Einsatzgasgemisch vor dem Kontakt mit dem Bett aus Adsorptionsmittei auf Überhitzungsbedingungen erwärmt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1, 2, 7 und 9 bis 13, bei dem das Adsorptionsmittel aktivierter Kohlenstoff ist.

15. Verfähren nach Anspruch 1, bei dem das Adsorptionsmittel Zeolith-Molekularsiebmittel ist.

16. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Adsorptionsmittel Aluminiumoxid aufweist.