DE69405506T2

DE69405506T2 - Verfahren für die Einschaltung von Membransystemen und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE69405506T2
Application number: DE69405506T
Authority: DE
Inventors: Pauline Jane Cook; Ravi Prasad
Original assignee: Praxair Technology Inc
Current assignee: Praxair Technology Inc
Priority date: 1993-10-12
Filing date: 1994-10-11
Publication date: 1998-03-19
Anticipated expiration: 2014-10-12
Also published as: US5383956A; EP0647463B1; JPH07185254A; CN1108582A; EP0647463A1; DE69405506D1; KR950010942A; BR9404063A; CA2117822A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Verfahren und Vorrichtungen zum Hochfahren und Herunterfahren von Membrangastrennsystemen, die mindestens ein Gastrennmembranmodul und mindestens ein Membrantrocknermodul umfassen.

Hintergrund der Erfindung

Bei Gastrennvorgängen werden in zunehmendem Umfang Permeationsmembranverfahren und - Systeme verwendet. Bei solchen Vorgängen wird ein Gasgemisch der Nichtpermeatseite mindestens eines Gastrennmembranmoduls unter Druck zugeführt. Durch den Kontakt mit der Oberfläche der Membran auf der Nichtpermeatseite mindestens eines Gastrennmembranmoduls gelangt eine leichter permeierbare Komponente des Gasgemisches durch die Membran bzw. permeiert durch die Membran. Die sich ergebende permeierte Gaskomponente wird gewonnen oder von der Permeatseite des Gastrennmembranmoduls entfernt, während die verbleibende nichtpermeierte Gaskomponente von der Nichtpermeatseite des Gastrennmembranmoduls entfernt oder gewonnen wird Gewöhnlich laufen diese Gastrennverfahren und -systeme an, indem ein verdichteter Gasstrom in die und von der Nichtpermeatseite mindestens eines Gastrennmembranmoduls geleitet und abgezogen wird, bis die gewünschten Werte für Gleichgewichtsbetriebsdruck, -betriebstemperatur und -produktreinheit erreicht werden.
Das dem Gastrennmembranmodul zugeführte Gasgemisch kann jedoch eine wesentliche Menge Feuchtigkeit enthalten und kann Korrosion und Kondensation an der Instrumentenausrüstung, der Verrohrung, den pneumatischen Einrichtungen, den Ventilatoren und anderen mit Gastrennmembranmodulen verbundenen Ausrüstungsgegenständen verursachen. In bestimmten Fällen kann dies auch zu einem Leistungsabfall des Gastrennmembranmoduls und/oder anderen Ausrüstungsgegenständen, wie beispielsweise Adsorptionsfallen, führen. Um solche Probleme zu vermeiden, wird ein Membrantrocknermodul verwendet, um dem Gastrennmembranmodul trockenes Gas zuzuführen. Viele dieser Anordnungen verwenden einen Permeatgasabstrom von der Permeatseite des Gastrennmembranmoduls, um die Permeatseite des Membrantrocknermoduls während des Gleichgewichtbetriebs zu spülen. EP 0 430 304, US 5 169 412 sowie US 4 933 070 beschreiben beispielsweise den Gleichgewichtsbetrieb eines Luftzerlegungssystems mit einem Membrantrocknermodul.
Herkömmliche Anlaufverfahren mit Membrantrocknermodul beinhalten das Einleiten eines komprimierten Gases in die Nichtpermeatseite eines Membrantrocknermoduls sowie die Verwendung mindestens eines Teils des sich ergebenden Produkts aus der Nichtpermeatseite zwecks Spülen der Permeatseite des Membrantrocknermoduls. In US 5 131 929 ist ein Anlaufverfahren für ein Membrantrocknermodul beschrieben, bei welchem der Einlaß des Trocknermoduls auf einen spezifizierten Minimaldruck gebracht wird, ehe Gas in die Nichtpermeatseite des Trocknermoduls strömen kann. Das Trocknermodul wird dann mit geschlossenem Ende betrieben, bis der Druck in dem Trocknermodul den Betriebsdruck (höher als der minimale Einlaßdruck) erreicht. Während dieser Zeit wird das gesamte Gas auf die Permeatseite des Trocknermoduls permeiert oder geleitet. Dies ermöglicht es, daß das Trocknermodul anläuft und den gewünschten Taupunkt erreicht. Das gängigste Verfahren zum Herunterfahren eines Membrantrockners besteht darin, die Gaszufiihr abzudrehen und den Druck auf Atmosphärendruck absinken zu lassen. Um das Membrantrocknermodul zyklisch oder intermittierend effektiv zu betreiben, wird in US 5 030 251 diskutiert, trockenen Produktrückstrom auf der Nichtpermeatseite des Trocknermoduls entweder unter Druck oder bei niedrigem Druck zu verwenden, um die Feuchtigkeitsfront in der Membran während des Herunterfahrens herauszutrocknen. Dieses Verfahren verwendet Produkt von der Nichtpermeatseite des Trocknermoduls, um die Nichtpermeatseite desselben rückzuspülen und die Membran zu dehydrieren.
Keines dieser Verfahren beschäftigt sich jedoch mit dem Verbessern von Anlauf- und Herunterfahrprozessen für ein Gastrennsystem mit einem Membrantrocknermodul.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Anlauf- sowie ein verbessertes Herunterfahrverfahren für ein Membransystem zu schaffen, welches mindestens ein Membrantrocknermodul und mindestens ein Gastrennmembranmodul umfaßt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, Membransysteme zu schaffen, welche für das Ausführen des verbesserten Anlauf- bzw. Herunterfahrverfahrens geeignet sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Aspekt der Erfindung besteht in einem Anlaufverfahren für ein Membrangastrennsystem, welches mindestens ein Gastrennmembranmodul mit einer Permeat- und einer Nichtpermeatseite und mindestens ein Membrantrocknermodul mit einer Permeat- und einer Nichtpermeatseite umfaßt, wobei das mindestens eine Gastrennmembranmodul mindestens eine Gaskomponente aus einem Gasgemisch abtrennen kann und das mindestens eine Membrantrocknermodul feuchte Komponenten aus dem Gasgemisch abtrennen kann, wobei im Zuge des Verfahren:
(a) ein unter Druck stehendes Gasgemisch in die Nichtpermeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls eingeleitet wird, um das mindestens eine Membrantrocknermodul unter Druck zu setzen;
(b) mindestens ein Teil des unter Druck stehenden Gasgemisches von der Nichtpermeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls oder ein trockener Gasstrom von einer externen Quelle zu der Permeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls geleitet wird, um jegliche Feuchtigkeit in der Permeatseite des Membrantrocknermoduls herauszuspülen;
(c) mindestens ein Teil des unter Druck stehenden Gasgemisches von der Nichtpermeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls zu der Nichtpermeatseite des mindestens einen Gastrennmoduls geleitet wird;
(d) mindestens eine Gaskomponente des Gasgemisches von der Nichtpermeatseite des mindestens einen Membrangastrennmoduls zu der Permeatseite des mindestens einen Membrangastrennmoduls geleitet wird;
(e) mindestens ein Teil des permeierten Gases von der Permeatseite des mindestens einen Membrangastrennmoduls zu der Permeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls geleitet wird, wenn das mindestens eine Membrangastrennmodul seinen Betriebsdruck und seine Betriebstemperatur erreicht.
Das obige Anlauf- und Herunterfahrverfahren können mit einem Membrangastrennsystem ausgeführt werden mit
(a) mindestens einer Kompressor- oder Pumpenanordnung, um einen Gasstrom unter Druck zu setzen;
(b) mindestens einer ersten Leitungsanordnung, die mit der mindestens einen Kompressor- oder Pumpenanordnung in Fluidverbindung steht und die über mindestens ein erstes Ventil oder eine erste Strombegrenzungsöffhung verfügt, um den Strom eines unter Druck stehenden Gasstromes zu steuern oder zu beenden;
(c) mindestens einem Membrantrocknermodul mit einer Permeatseite und einer Nichtpermeatseite, die jeweils mindestens einen Einlaß und mindestens einen Auslaß aufweisen, wobei der mindestens eine Einlaß der Nichtpermeatseite mit der mindestens einen Leitungsanordnung in Fluidverbindung steht;
(d) mindestens einer zweiten Leitungsanordnung, die mit dem mindestens einen Auslaß des mindestens einen Membrantrocknermoduls in Fluidverbindung steht und die über mindestens ein zweites Ventil verfügt, um den Strom eines Gasstromes von der Nichtpermeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls zu steuern oder zu beenden;
(e) mindestens einer dritten Leitungsanordnung, die mit der mindestens einen zweiten Leitungsanordnung in Fluidverbindung steht und die über mindestens ein Ventil verfügt, um einen unter Druck stehenden Gasstrom in der mindestens einen zweiten Leitungsanordnung zu entlüften oder nicht zu entlüften;
(f) mindestens einem Gastrennmembranmodul mit einer Permeatseite und einer Nichtpermeatseite, wobei die Permeatseite mindestens einen Auslaß aufweist und die Nichtpermeatseite mindestens einen Einlaß und mindestens einen Auslaß aufweist, wobei der mindestens eine Einlaß der Nichtpermeatseite in Fluidverbindung mit der zweiten Leitungsanordnung steht;
(g) mindestens einer vierten Leitungsanordnung, die mit dem mindestens einen Auslaß der Nichtpermeatseite des mindestens einen Gastrennmembranmoduls in Fluidverbindung steht, wobei die mindestens eine vierte Leitungsanordnung über mindestens ein viertes Ventil verfügt, um den Strom eines Produktgasstromes zu beenden oder weiterzuleiten;
(h) mindestens einer fünften Leitungsanordnung zur Verbindung des mindestens einen Auslasses der Permeatseite des mindestens einen Gastrennmembranmoduls und des mindestens einen Einlasses der Permeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls, wobei die mindestens eine fünfte Leitungsanordnung über mindestens ein fünftes Ventil verfügt, um den Strom eines Gasstromes in die Permeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls zu beenden, zu steuern oder weiterzuleiten; und
(i) mindestens einer sechsten Leitungsanordnung mit mindestens einem sechsten Ventil, das in Fluidverbindung mit der mindestens einen fünften Leitungsanordnung steht, um mindestens einen Teil eines jeglichen Gasstromes in der mindestens einen fünften Leitungsanordnung zu entlüften oder mindestens einen Teil eines jeglichen Gasstromes in der mindestens einen fünften Leitungsanordnung in die mindestens eine erste Leitungsanordnung weiterzuleiten.
Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "mindestens ein Membrantrocknermodul" eine oder mehrere Einrichtungen mit mindestens einer Membran, die für das Permeieren oder Abtrennen von feuchten Komponenten aus einem Gasgemisch geeignet ist.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "mindestens ein Gastrennmembranmodul" eine oder mehrere Einrichtungen, die eine Membran zum Abtrennen oder Permeieren mindestens einer Gaskomponente aus einem Gasgemisch umfassen.
Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Taupunkt" die Temperatur bei einem gegebenen Druck, bei welcher Wasserdampf zu kondensieren beginnt. Der Taupunkt kann durch den Wasserdampfgehalt in einem Gasstrom oder Membranmodulen ausgedruckt werden. Der erwünschte Taupunkt ist definiert als weniger als 1000 ppm Wasserdampf, vorzugsweise weniger als 250 ppm Wasserdampf, in einem Gasstrom oder in Membranmodulen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fign. 1 bis 4 sind schematische Stromdiagramme verschiedener Ausführungsformen der Erfindung für ein Membransystem mit mindestens einem Membrantrocknermodul und mindestens einem Gastrennmembranmodul, welches auf effektive und effiziente Weise hochgefahren und heruntergefahren werden kann.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die obigen Aufgaben der Erfindung werden dadurch gelöst, indem für ein Membransystem mit mindestens einem Membrantrocknermodul und mindestens einem Gastrennmembranmodul spezielle Aufdruckanordnungen vorgesehen werden und für mindestens ein Membrantrocknermodul des Membransystems während des Anlaufvorgangs spezielle Anordnungen zum Spülen vorgesehen werden. Die obigen Aufgaben der Erfindung werden auch dadurch gelöst, daß für ein Membransystem mit mindestens einem Membrantrocknermodul und mindestens einem Gastrennmembranmodul während des Herunterfahrprozesses bestimmte Entspannungsanordnungen verwendet werden. Die speziellen Aufdruck-, Entspannungs- und Spülanordnungen ermöglichen unter anderem eine Verringerung der Anlaufzeit, eine Minimierung oder Verhinderung einer jeglichen Beschädigung von Membranfasem sowie das Verhindern von Rück diffusion von Verunreinigungsstoffen in das Gastrennmembranmodul.
Die Erfindung wird im folgenden detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 4 wird ein Gasgemisch mit einem Kompressor oder einer Pumpe 1 aufgedrückt und der Nichtpermeatseite 11 eines Membrantrocknermoduls 9 über eine Leitung 3 mit einem Ventil 7 oder einer Strombegrenzungsöffnung 7 zugeführt. Das Ventil 7, beispielsweise ein langsam öffnendes Ventil oder ein Überstromrückschlagventil, oder die Öffnung 7, können verwendet werden, um die Aufdrückrate auf weniger als 10 psi/s, vorzugsweise weniger als 5 psi/s, zu steuern. Alternativ kann das Ventil 7 verwendet werden, um den Strom eines aufgedruckten Gasgemisches durchzulassen, um den Druck auf der Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls allmählich oder langsam anzuheben. Indem die Aufdrückrate gesteuert wird oder der Druck allmählich oder langsam gesteigert wird, kann jegliche Beschädigung der Membranfasern 15 in dem Membrantrocknermodul 9 entweder minimiert oder verhindert werden.
Obschon die obigen Aufdrückverfahren bevorzugt werden, können andere Verfahren zum Aufdrücken der Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 verwendet werden.
Beispielsweise besteht ein Verfahren zum Aufdrücken des Trockners darin, den Strom von dem Trockner gleichzeitig mit dem Druckanstieg beginnen zu lassen. Bei diesem Verfahren tritt Niederdruckgas von dem Kompressor 1 ein und verläßt die Nichtpermeatseite 11 des Trocknermoduls 9 mit sehr geringer Feuchtigkeitspermeation, bis der Druck einen Wert erreicht, der groß genug ist, um die Permeation beginnen zu lassen. Wenn das Trocknermodul 9 vorher betrieben wurde und der nicht permeierte Produktstrom trocken ist oder trocken gespült wurde, kann die gesamte Feuchtigkeit in dem Produktstrom oder ein Teil der Feuchtigkeit in dem Produktstrom durch die Membranfaser 15 in dem Trocknermodul 9 adsorbiert werden. In diesem Fall kann ein kleiner Puls von hochfeuchtem Produkt die Nichtpermeatseite 11 des Trocknermoduls 9 verlassen. Falls die stromabwärtigen Gastrennmembranmodule 29 dieses Produkt tolerieren können, besteht kein Bedürfnis, dieses Produkt abzuleiten. Falls jedoch das Trocknermodul 9 vorher nicht betrieben wurde oder hoher Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt wurde (d.h. das Polymer ist beim Beginn des Vorgangs nicht mehr dehydriert) sind Dauer und Wert der Produktfeuchtigkeit von der Nichtpermeatseite 11 des Trocknermoduls 9 größer. In diesen Fällen kann es wünschenswert sein, das Trocknerprodukt während der anfänglichen Transienten abzuleiten.
Ein weiteres Verfahren zum Aufdrücken des Trocknermoduls 9 besteht darin, dieses auf den gewünschten Betriebsdruck zu bringen und den Nichtpermeatproduktstrom von der Nichtpermeatseite 11 des Trocknermoduls 9 beginnen zu lassen. In diesem Fall findet eine Permeation von Feuchtigkeit während der anfänglichen Strömungsperiode statt und es verbleibt weniger Feuchtigkeit in dem Nichtpermeatprodukt als bei dem ersten Verfahren. Auch hier hängt der Feuchtigkeitswert während der anfänglichen Strömungsperiode von der vorherigen Betriebsgeschichte des Trocknermoduls 9, von der Art, wie es heruntergefahren wurde, sowie von der Dauer des Herunterfahrens und den Bedingungen während des Herunterfahrens ab.
Ein zusätzliches Verfahren zum Aufdrücken des Trocknermoduis 9 besteht darin, den Nichtpermeatproduktstrom und das Aufdrücken zur gleichen Zeit beginnen zu lassen. Wenn jedoch der Strom einen vorbestimmten Wert erreicht, der niedriger ist als der Gleichgewichtsbetriebswert, wird er für den Rest der Transienten konstant gehalten. Dieser Effekt erhöht den Flächenfaktor der Trocknungsmembran während der anfänglichen Anlaufperiode und kann einen trockeneren Einsatz für die stromabwartigen Gastrennmembranmodule 29 erzeugen, als wenn der volle Strom verwendet wird.
Während des Aufdrückens der Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 können anfänglich verschiedene Gasquellen verwendet werden, um die Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 zu spülen. So kann beispielsweise mindestens ein Teil des aufgedrückten Gasgemisches, welches die Nichtpermeatseite 11 über eine Leitung 17 verläßt, der Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 über eine Leitung 10 mit einem Ventil 21 zugeführt werden. Optional kann eine externe Gasquelle 22, wie beispielsweise ein Tieftemperatur- Flüssigkeitstank, verwendet werden, um der Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 ein trockenes Gas zuzuführen, um die darin enthaltene Feuchtigkeit herauszuspülen. Das Spülgas und die Feuchtigkeit auf der Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 verlassen diese über eine Leitung 16 mit einem Ventil 18. Es ist wünschenswert, während der anfänglichen Anlaufperiode ein höheres Spülstrom- und Reinigungsverhältnis zu verwenden als während des Gleichgewichtsbetriebs. Die Reinigungsverhältnisse (Spülverhältnis mal Druckverhältnis), welche während des Gleichgewichtsbetriebs verwendet werden, liegen im Bereich von 0,2 bis 10,0, wobei der bevorzugte Bereich von 0,5 bis 3,0 beträgt. Das Reinigungsverhältnis während der anfänglichen Anlaufphase kann erhöht werden, um die Zeit zu verringern, die erforderlich ist, um den vorgeschriebenen Taupunkt für das stromabwärtige Gasgemisch zu erreichen. Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Spülverhältnis" den Permeat- und Spülgasstrom auf der Permeatseite des Membrantrocknermoduls dividiert durch den Nichtpermeatproduktstrom von der Nichtpermeatseite des Membrantrocknermoduls. Wie hier verwendet, bezeichnet der Begriff "Druckverhältnis" einen Druck des in die Nichtpermeatseite eintretenden Einsatzgases dividiert durch einen Spüldruck auf der Permeatseite des Membrantrocknermoduls.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird mindestens ein Teil des aufgedrückten Gasgemisches, welches die Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 über die Leitung 17 mit einem Ventil 31 verläßt, über eine Leitung 19 mit einem Ventil 21 und eine Leitung 23 bereitgestellt, um die Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 zu spülen. Währenddessen kann das in der Leitung 17 verbleibende aufgedrückte Gasgemisch über eine Leitung 25 mit einem Ventil 27 abgelassen werden. Wenn das aufgedrückte Gasgemisch von der Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 den erwünschten Taupunkt erreicht hat, wird das aufgedrückte Gasgemisch einem oder mehreren Gastrennmembranmodulen 29 mittels Schließen des Ventils 27 (Ablaßventil) und Schließen des Ventils 31 zugeführt. Die Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 wird weiter mit einem aufgedrückten Gasgemisch in der Leitung 17 gespült. Das Produktgas, welches die Nichtpermeatseite 33 von einem oder mehreren Gastrennmodulen 29 verläßt, wird über eine Leitung 39 mit einem Ventil 40 so lange abgelassen, bis der gewünschte Betriebsdruck, die gewünschte Betriebstemperatur und die gewünschte Produktreinheit erreicht werden. Wenn eines oder mehrere Gastrennmembranmodule 29 den gewünschten Betriebsdruck, die gewünschte Betriebstemperatur und die gewünschte Produktreinheit erreicht haben, wird mindestens ein Teil von Gaskomponenten, welche über die Membran 35 auf die Permeatseite 37 eines oder mehrerer der Gastennmembranmodule 29 permeiert sind, über eine Leitung 23 mit einem Ventil 41 der Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 zugeleitet. Jegliche nicht übergeleiteten Gaskomponenten können über eine Leitung 43 mit einem optionalen Ventil 45 abgelassen oder rückgeführt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird das Ventil 21 geschlossen, wodurch die Abgabe von aufgedrücktem Gasgemisch in der Leitung 17 zu der Permeatseite des Membrantrocknermoduls 9 verhindert wird.
Dieses Verfahren des Hochfahrens einer Membrantrockner- und Membrangastrennanlage wird bevorzugt, wenn die Gastrennmembranen keine kurze Periode mit Betrieb mit höherer Feuchtigkeit als im Normalzustand tolerieren können. Dieses Verfahren ist nützlich, wenn das Membrantrocknermodul nicht vorher betrieben wurde oder seit langer Zeit (beispielsweise einem Monat) nicht mehr betrieben wurde und Umgebungsfeuchtigkeit ausgesetzt war. In diesen Fällen weist das Trocknermembranmaterial 15 einen hohen Feuchtigkeitspegel entlang seiner gesamten Axiallänge auf, und die Feuchtigkeit an dem Produktende muß entfernt werden, ehe das Trocknermodul 9 ein Gas mit einem spezifizierten Taupunkt produzieren kann. Während des ersten Schritts, in welchem das Trocknermodul 9 während dem Lüften auf den gewünschten Taupunkt gebracht wird, ist es möglich und sogar wünschenswert, einen geringeren Produktstrom von dem Trocknermodul 9 zu verwenden, während es entlüftet wird. Es ist ebenfalls wünschenswert, ein höheres Reinigungsverhältnis als im Gleichgewichtszustand zu verwenden.
Bei einer alternativen Ausführungsform, wie sie in Fig. 2 gezeigt ist, wird eine externe Trockengasquelle 22 verwendet, um die Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 zu spülen. Die externe Trockengasquelle 22 kann unter anderem ein Tieftemperaturtlüssigkeitstank sein. Die Tieftemperaturtlüssigkeit kann beispielsweise verdampft werden und der Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 über eine Leitung 47 zugeführt werden, welche in Fluidverbindung mit der Leitung 23 und/oder der Leitung 19 steht. Währenddessen wird das der Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 zugeführte aufgedrückte Gasgemisch über eine Leitung 17 und eine Leitung 25 abgelassen. Wenn das Gasgemisch auf der Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 einmal den gewünschten Taupunkt erreicht hat, wird das Gasgemisch der Nichtpermeatseite 33 mindestens eines Gastrennmembranmoduls 29 zugeführt, indem das Ventil 31 geöffnet und das Ventil 27 geschlossen wird. Das Produktgas von der Nichtpermeatseite 33 mindestens eines Gastrennmembranmoduls 29 wird abgelassen, solange bis Gleichgewichtsbetriebdruck-, -temperatur- und -Produktreinheitsbedingungen erreicht sind. Nach dem Erreichen dieser Bedingungen wird mindestens ein Teil des permeierten Gasstromes auf der Permeatseite 37 des mindestens einen Gastrennmembranmoduls 29 der Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 zugeführt. Der trockene Gasstrom aus der externen Trockengasquelle 22 kann wahlweise abgeschaltet werden. In Abhängigkeit von der verwendeten Quelle kann es wünschenswert sein, das externe Spülgas dann noch zu verwenden, wenn die Gastrennmembranmodule 29 die gewünschte Temperatur und den gewünschten Druck erreicht haben. In diesem Fall kann der zusätzliche Rückdruck auf die Gastrennmembranmodule 29 vermieden werden, was zu einer besseren Leistung des Gastrennmembranmoduls 29 führt. Eine Variation dieses Verfahrens besteht darin, das System mit einem kleinen Produktstrom während des Anlaufens zu betreiben, während immer noch eine externe Spülung verwendet wird. Dies kann dazu beitragen, das Gastrennsystem schneller auf die gewünschte Temperatur zu bringen, während die Feuchtigkeitsfront in dem Trocknermodul 9 aufgebaut wird. Dies trägt auch dazu bei, daß das Membrantrocknermodul 9 den vorgeschriebenen Trockenheitswert schneller erreicht, als wenn das System mit dem vollen Produktstrom betrieben wird. Ein anderes Verfahren der Verwendung einer externen Spülung besteht darin, daß kein Produktstrom vorgesehen ist, während sich die Feuchtigkeitsfront in dem Trocknermodul 9 aufbaut. Auch bei diesen beiden Verfahren wird, nachdem das Trocknermodul 9 die gewünschten Bedingungen erreicht hat, der volle Strom auf die Gastrennmembranmodule 29 gegeben. Wenn das System die gewünschten Gleichgewichtsbetriebsbedingungen erreicht hat, können die Permeatströme von den Gastrennmembranmodulen 29 verwendet werden, um die Permeatseite 13 des Trocknermoduls 9 zu spülen. Die externe Trockengasquelle 22 wird dann abgeschaltet.
Ein weiteres Verfahren zum Hochfahren eines Membransystems mit mindestens einem Gastrennmembranmodul 29 und mindestens einem Membrantrocknermodul 9 besteht darin, daß ein aufgedrücktes Gasgemisch in die Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 geleitet wird, die Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 mit dem Gasgemisch von der Nichtpermeatseite 11 oder der externen Gasquelle 22 gespült wird und jegliches nicht verwendete Gasgemisch von der Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 auf die Nichtpermeatseite 33 mindestens eines Gastrennmembranmoduls 29 geleitet wird.
Das Produkt von der Nichtpermeatseite 33 des Gastrennmembranmoduls 29 wird so lange abgelassen, bis letzteres auf seinem gewünschten Gleichgewichtsbetriebsdruck, seine gewünschte Gleichgewichtsbetriebstemperatur sowie seine gewünschte Gleichgewichtsbetriebsreinheit gebracht wurde. Wenn das Gastrennmembranmodul 29 den gewünschten Betriebsdruck und die gewünschte Betriebstemperatur erreicht hat, kann ein Teil des Permeatstroms von dem Gastrennmembranmodul 29 verwendet werden, um die Permeatseite 13 des Trocknermoduls 9 zu spülen. Das Spülgas von der Nichtpermeatseite 11 oder der externen Quelle 22 kann abgeschaltet werden. Dieses Verfahren ist nützlich, wenn das Trocknermodul 9 vorher betrieben wurde und seinen gewünschten Taupunkt in kurzer Zeit erreicht. Jedoch kann es bei diesem Verfahren vorkommen, daß ein kleiner Impuls an hochfeuchtem Einsatz das Gastrennmembranmodul 29 erreicht. Ein niedriger Produktstrom und/oder ein höherer Spülstrom von dem Trocknermodul 9 während der anfänglichen Transiente kann verwendet werden, um jegliche Pulse an hochfeuchtem Einsatz zu dem Gastrennmembranmodul 29 zu minimieren. Es versteht sich, daß dieses Verfahren auch ausgeführt werden kann, ohne daß die Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 gespült wird.
Nach dem Hochfahren des Membransystems kann das Membransystem auf herkömmliche Weise betrieben werden, siehe z.B. US 4 931 070, US 5 102 432 sowie US 5 169 417. Irgendwann einmal muß jedoch der Betrieb des Membransystems beendet werden. Typischerweise werden die Gastrennmembranmodule 29 und das Membrantrocknermodul 9 heruntergefahren, indem der Kompressor oder die Pumpe 1 abgeschaltet wird und ein aufgedrücktes Gasgemisch auf den Nichtpermeatseiten 33 der Gastrennmembranmodule 29 und des Membrantrocknermoduls 9 über die Leitungen 39 und 25 abgelassen wird (Retentat(Produkt)-Ablassen). Natürlich erhöht die Verwendung einer Leitung 49 mit einem Ventil 51 die Druckentspannungsrate des Trocknermoduls 9. Es stellte sich jedoch heraus, daß eine größere Feuchtigkeitsmenge in dem Membrantrocknermodul 9 entfernt werden kann, falls das aufgedrückte Gas auf der Nichtpermeatseite 11 des Membrantrocknermoduls 9 von der Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 entfernt wird. Dieser Abschaltprozeß kann auf das Gastrennmembranmodul ausgedehnt werden. Mindestens ein Teil des auf die Permeatseite 33 des Gastrennmembranmoduls 29 permeierten Gasstromes kann jedoch der Permeatseite 13 des Membrantrocknermoduls 9 wie in Fig. 3 gezeigt zugeführt werden. Alternativ können die Nichtpermeat- und Permeatseiten 11 bzw. 13 des Membrantrocknermoduls 9 mit einem trockenen Gasstrom aus der externen Trockengasquelle 22 wie in Fig. 4 gezeigt während des Herunterfahrens gespült werden. Dieser Ansatz ermöglicht es, daß das Membrantrocknermodul 9 beim erneuten Starten den erwünschten Taupunkt schneller erreicht. In beiden Fällen ist es wünschenswert, Adsorptionsfallen 55, z.B. Zeolite, in der Leitung 23, d.h. der Permeatleitung, zu verwenden, um jegliche Rückdiffusion von Verunreinigungen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, aus der Umgebung während des Herunterfahrens zu verhindern. Die Adsorptionsmittel können regeneriert werden, indem ein sauberes und trockenes Gas während des (normalen kontinuierlichen) Gleichgewichtsbetriebs eingeleitet wird. Falls das Membransystem für einen kurzen Zeitraum abgeschaltet werden muß oder intermittierend betrieben wird, kann das Membransystem versiegelt werden, indem die Ventile 49, 18, 21, 27, 40, 41, 45 geschlossen werden. Das Membransystem kann gegenüber jeglicher Rückdiffusion von Verunreinigungen, wie beispielsweise Feuchtigkeit, aus der Umgebung isoliert werden. Darüberhinaus kann das Trocknermodul 9 in kurzer Zeit erneut gestartet werden, da der gewünschte Taupunkt schnell erreicht werden kann.
Das Membransystem verwendet häufig eine Gasgemischvorbehandlungsanordnung 5 und/oder 53, welche eine Filteranordnung zum Entfernen von Feuchtigkeit oder Adsorptionsmitteln, wie beispielsweise Aktivkohleteilchen, zum Entfernen von Verunreinigungen, wie beispielsweise Kohlenwasserstoffdämpfen, aus einem Gasgemisch, z.B. Luft, umfaßt. Die Vorbehandlungsanordnung 53 enthält normalerweise Aktivkohleteilchen zum Entfernen von Kohlenwasserstoffdämpfen, wodurch die Beschädigung eines oder mehrerer Gastrennmembranmodule 29 minimiert wird. Die Kohlepartikel können aktiviert werden, indem sie mit einem Gas bei weniger als 50 % relativer Feuchte ins Gleichgewicht gebracht werden. Es ist jedoch möglich, diese Kohlenteilchen in-situ zu aktivieren, indem sie stromauf des Membrantrocknermodulablasses angeordnet werden und das System entlüftet wird, bis der gewünschte Taupunkt erreicht wird.
Bei der vorliegenden Erfindung können jegliche nützliche Gastrennmembranmaterialien in einem oder mehreren Gastrennmembranmodulen verwendet werden. Unter den existierenden Materialien werden die Polymermembranmaterialien allgemein bevorzugt. Es stellte sich jedoch heraus, daß bestimmte Polymermembranmaterialien, wie beispielsweise Lithium-ausgetauschte sulfonierte aromatische Polymermaterialien eine zu geringe Feuchtigkeitstoleranz aufweisen. Die erfindungsgemäßen Anlauf- bzw. Abschaltverfahren lösen, wie sich herausstellte, die mit der hygroskopischen Natur der Gastrennmembranmaterialien verbundenen Probleme. Indem die oben beschriebenen Anlauf- und Abschaltverfahren verwendet werden, können verschiedene Verbesserungen erzielt werden. Die Verbesserungen umfassen unter anderem die Verkürzung der Anlaufzeit, die Minimierung oder Verhinderung von Beschädigungen der Membranfasern sowie das Verhindern von Rückdiffiision von Verunreinigungen aus der Umgebung in das Gastrennmembranmodul. Darüberhinaus werden die mit der Verwendung von Membranmaterialien mit einer geringen Feuchtigkeitstoleranz verbundenen Probleme angegangen.

Claims

1. Anlaufverfahren für ein Membrangastrennsystem mit mindestens einem Gastrennmembranmodul (29) mit einer Permeatseite (37) und einer Nichtpermeatseite (33) und mindestens einem Membrantrocknermodul (9) mit einer Permeatseite (13) und einer Nichtpermeatseite (11), wobei das mindestens eine Gastrennmembranmodul in der Lage ist, mindestens eine Gaskomponente von einem Gasgemisch abzutrennen, und das mindestens eine Membrantrocknermodul in der Lage ist, feuchte Komponenten von dem Gasgemisch abzutrennen, wobei im Zuge des Anlaufverfahrens:

(a) ein unter Druck stehendes Gasgemisch in die Nichtpermeatseite (11) des mindestens einen Membrantrocknermoduls (9) eingeleitet wird, um das mindestens eine Membrantrocknermodul unter Druck zu setzen;

(b) mindestens ein Teil des unter Druck stehenden Gasgemisches von der Nichtpermeatseite (11) des mindestens einen Membrantrocknermoduls (9) oder ein trockener Gasstrom von einer externen Quelle (22) zu der Permeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls geleitet wird, um jegliche Feuchtigkeit in der Permeatseite des Membrantrocknermoduls herauszuspülen;

(c) mindestens ein Teil des unter Druck stehenden Gasgemisches von der Nichtpermeatseite (11) des mindestens einen Membrantrocknermoduls (9) zu der Nichtpermeatseite (33) des mindestens einen Gastrennmoduls (29) geleitet wird;

(d) mindestens eine Gaskomponente des Gasgemisches von der Nichtpermeatseite (33) des mindestens einen Membrangastrennmoduls (29) zu der Permeatseite (37) des mindestens einen Membrangastrennmoduls geleitet wird;

(e) mindestens ein Teil des permeierten Gases von der Permeatseite (37) des mindestens einen Membrangastrennmoduls (29) zu der Permeatseite (13) des mindestens einen Membrantrocknermoduls (9) geleitet wird, wenn das mindestens eine Membrangastrennmodul seinen Betriebsdruck und seine Betriebstemperatur erreicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ferner der Strom des unter Druck stehenden Gasgemisches von der Nichtpermeatseite (11) des mindestens einen Membrantrocknermoduls (9) in die Permeatseite (13) des mindestens einen Membrantrocknermoduls und/oder der Strom des trockenen Gases von der externen Quelle (22) beendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem nach dem Verfahrensschritt (a) und vor dem Verfahrensschritt (c) jegliches verbleibende Gasgemisch von der Nichtpermeatseite (11) des mindestens einen Membrantrocknermoduls (9) entlüftet wird, bis das unter Druck stehende Gasgemisch von der Nichtpermeatseite (11) des mindestens einen Membrantrocknermoduls einen vorgewählten Taupunkt erreicht.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das mindestens eine Membrantrocknermodul (9) bei einer Rate von weniger als 69 kPa (10 psi) pro Sekunde unter Druck gesetzt wird, indem ein unter Druck stehendes Gasgemisch in die Nichtpermeatseite (11) des mindestens einen Membrantrocknermoduls eingeleitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das mindestens eine Membrantrocknermodul (9) und das mindestens eine Gastrennmembranmodul (29) zur gleichen Zeit bei einer Rate von weniger als 69 kPa (10 psi) pro Sekunde unter Druck gesetzt werden, indem ein unter Druck stehendes Gasgemisch in die Nichtpermeatseiten (33, 11) des mindestens einen Gastrennmembranmoduls und des mindestens einen Membrantrocknermoduls eingeleitet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem während der anfänglichen Anlaufphase ein höheres Spülstrom- und Reinigungsverhältnis als während des stetigen Betriebes benutzt wird.

7. Membrangastrennsystem mit:

(a) mindestens einer Kompressor- oder Pumpenanordnung (1), um einen Gasstrom unter Druck zu setzen;

(b) mindestens einer ersten Leitungsanordnung (3), die mit der mindestens einen Kompressor- oder Pumpenanordnung (1) in Fluidverbindung steht und die über mindestens ein erstes Ventil oder eine erste Strombegrenzungsöffnung (7) verfügt, um den Strom eines unter Druck stehenden Gasstromes zu steuern oder zu beenden;

(c) mindestens einem Membrantrocknermodul (9) mit einer Permeatseite (13) und einer Nichtpermeatseite (11), die jeweils mindestens einen Einlaß und mindestens einen Auslaß aufweisen, wobei der mindestens eine Einlaß der Nichtpermeatseite mit der mindestens einen Leitungsanordnung (3) in Fluidverbindung steht;

(d) mindestens einer zweiten Leitungsanordnung (17), die mit dem mindestens einen Auslaß des mindestens einen Membrantrocknermoduls (9) in Fluidverbindung steht und die über mindestens ein zweites Ventil verfügt, um den Strom eines Gasstromes von der Nichtpermeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls zu steuern oder zu beenden;

(e) mindestens einer dritten Leitungsanordnung (25), die mit der mindestens einen zweiten Leitungsanordnung (17) in Fluidverbindung steht und die über mindestens ein Ventil (27) verfügt, um einen unter Druck stehenden Gasstrom in der mindestens einen zweiten Leitungsanordnung zu entlüften oder nicht zu entlüften;

(f) mindestens einem Gastrennmembranmodul (29) mit einer Permeatseite (37) und einer Nichtpermeatseite (33), wobei die Permeatseite mindestens einen Auslaß aufweist und die Nichtpermeatseite mindestens einen Einlaß und mindestens einen Auslaß aufweist, wobei der mindestens eine Einlaß der Nichtpermeatseite in Fluidverbindung mit der zweiten Leitungsanordnung (17) steht;

(g) mindestens einer vierten Leitungsanordnung (39), die mit dem mindestens einen Auslaß der Nichtpermeatseite (33) des mindestens einen Gastrennmembranmoduls (29) in Fluidverbindung steht, wobei die mindestens eine vierte Leitungsanordnung über mindestens ein viertes Ventil (40) verfügt, um den Strom eines Produktgasstromes zu beenden oder weiterzuleiten;

(h) mindestens einer fünften Leitungsanordnung (23) zur Verbindung des mindestens einen Auslasses der Permeatseite (37) des mindestens einen Gastrennmembranmoduls (29) und des mindestens einen Einlasses der Permeatseite (13) des mindestens einen Membrantrocknermoduls (9), wobei die mindestens eine fünfte Leitungsanordnung über mindestens ein fünftes Ventil (41) verfügt, um den Strom eines Gasstromes in die Permeatseite des mindestens einen Membrantrocknermoduls zu beenden, zu steuern oder weiterzuleiten; und

(i) mindestens einer sechsten Leitungsanordnung (43) mit mindestens einem sechsten Ventil (45), das in Fluidverbindung mit der mindestens einen fünften Leitungsanordnung (23) steht, um mindestens einen Teil eines jeglichen Gasstromes in der mindestens einen fünften Leitungsanordnung zu entlüften oder mindestens einen Teil eines jeglichen Gasstromes in der mindestens einen fünften Leitungsanordnung in die mindestens eine erste Leitungsanordnung weiterzuleiten.

8. Membrangastrennsystem nach Anspruch 7, bei welchem es sich bei dem mindestens einen Gastrennmembranmodul (29) um mindestens drei Gastrennmembranmodule handelt.

9. Membrangastrennsystem nach Anspruch 7, ferner versehen mit mindestens einer siebten Leitungsanordnung (19), um die mindestens eine zweite Leitungsanordnung (17) und die mindestens eine fünfte Leitungsanordnung (23) zu verbinden, wobei die mindestens eine siebte Leitungsanordnung über mindestens ein siebtes Ventil (21) verfügt, um den Strom eines Gasstromes von der mindestens einen fünften Leitungsanordnung zu der mindestens einen zweiten Leitungsanordnung zu beenden, zu steuern oder weiterzuleiten.

10. Membrangastrennsystem nach Anspruch 7, ferner versehen mit mindestens einer Adsorptionsmittelfalle (55), die am Auslaß der Permeatseite (37) des mindestens einen Gastrennmembranmoduls (29) angeordnet ist.

11. Membrangastrennsystem nach Anspruch 7, ferner versehen mit mindestens einer Vorbehandlungseinrichtung (53), die eine Filteranordnung zur Beseitigung von Feuchtigkeit, Adsorptionsmittel oder Aktivkohleteilchen aufweist, wobei die mindestens eine Vorbehandlungseinrichtung an der mindestens einen ersten Leitungsanordnung (3) und/oder der mindestens einen zweiten Leitungsanordnung (17) angeordnet ist.